X線分光法 – 日本語百科事典辞書

X-ray_spectroscopy

「X線分光法」はジャーナルについては、X線分光法（ジャーナル）を参照してください
「X線分光法」
物性実験ARPES 車
中性子散乱
X線分光法
量子振動
走査型トンネル顕微鏡
X線分光法は、X線励起を使用して材料を特性評価するためのいくつかの分光技術の総称です。

コンテンツ
1 特性X線分光法
1.1 エネルギー分散型X線分光法 1.2 波長分散型X線分光法
2 X線発光分光法
2.1 計装
2.1.1 グレーティングスペクトロメータ
2.1.2 球面格子マウント
2.1.3 平面格子マウント
2.1.4 干渉計
2.1.5 米国におけるX線分光法の初期の歴史
3 他のタイプのX線分光法
4 も参照してください
5 参考文献

特性X線分光法
原子の内殻からの電子が光子のエネルギーによって励起されると、それはより高いエネルギーレベルに移動します。それが低エネルギーレベルに戻ると、以前に励起によって得られたエネルギーは、要素に特徴的な波長を持つ光子として放出されます（要素ごとにいくつかの特徴的な波長が存在する可能性があります）。X線発光スペクトルの分析により、試料の元素組成に関する定性的な結果が得られます。標本のスペクトルを既知の組成のサンプルのスペクトルと比較すると、定量的な結果が得られます（吸収、蛍光、および原子番号の数学的補正後）。原子は、電子などの荷電粒子の高エネルギービームによって励起される可能性があります（電子顕微鏡でたとえば）、陽子（PIXEを参照）またはX線ビーム（X線蛍光、XRF、または最近透過XRTを参照）。これらの方法により、H、He、Liを除いて、周期表全体の元素を分析できます。電子顕微鏡の電子線励起X線。特性X線放射のスペクトルを分析するには、エネルギー分散型X線分光法（EDS）と波長分散型X線分光法（WDS）の2つの主要な手法がX線透過（XRT）では、同等の原子組成（Z eff）が光電効果とコンプトン効果に基づいて取得されます。

エネルギー分散型X線分光法
エネルギー分散型X線分光法
エネルギー分散型X線分光計では、半導体検出器が入射光子のエネルギーを測定します。検出器の完全性と分解能を維持するには、液体窒素またはペルチェ冷却で冷却する必要がEDSは、電子顕微鏡（分光法ではなくイメージングが主なタスク）や、安価なXRFユニットやポータブルXRFユニットで広く採用されています。

波長分散型X線分光法
波長分散型X線分光法
波長分散型X線分光計では、単結晶がブラッグの法則に従って光子を回折し、検出器によって収集されます。回折結晶と検出器を相対的に動かすことにより、スペクトルの広い領域を観察することができます。広いスペクトル範囲を観察するには、4つの異なる単結晶のうち3つが必要になる場合がEDSとは対照的に、WDSはシーケンシャルスペクトル取得の方法です。WDSはEDSより遅く、よりいる間敏感分析計で試料の位置決めのために、それは優れ有するスペクトル分解能および感度。WDSは、マイクロプローブ（X線マイクロアナリシスが主なタスク）およびXRFで広く使用されています。ブラッグの法則を使用して、平面間の間隔や入射X線の波長などのさまざまなデータを計算するためにX線回折の分野で広く使用されています。

X線発光分光法
1915年にノーベル賞を受賞したウィリアムローレンスブラッグとウィリアムヘンリーブラッグの父と息子の科学チームは、X線放射分光法の開発における最初の先駆者でした。彼らは共同で、高エネルギー電子を励起源として使用して、多くの元素のX線波長を高精度で測定しました。陰極線管又はX線管は、多数の要素の結晶を通して電子を渡すために使用される方法でした。彼らはまた、分光計用に多数のダイヤモンドルールガラス回折格子を丹念に製造しました。結晶の回折の法則は、彼らに敬意を表してブラッグの法則と呼ばれています。
現在、強力で波長調整可能なX線は、通常、シンクロトロンを使用して生成されます。材料では、X線は入射ビームと比較してエネルギー損失を被る可能性が再出現するビームのこのエネルギー損失は、光学領域で広く使用されているよく知られたラマン分光法に類似したX線である原子系の内部励起を反映しています。
X線領域では、電子状態の変化（軌道間の遷移。これは、エネルギー損失が回転または振動の程度の状態の変化に起因することが多い光学領域とは対照的です。フリーダム）。たとえば、超軟X線領域（約1 k eV未満）では、結晶場励起によってエネルギー損失が発生します。
フォトンインフォトンアウトプロセスは、散乱イベントと考えることができます。X線エネルギーがコアレベルの電子の結合エネルギーに対応する場合、この散乱プロセスは何桁も共鳴的に増強されます。このタイプのX線放射分光法は、共鳴非弾性X線散乱（RIXS）と呼ばれることがよく
コアレベルの軌道エネルギーが広く分離されているため、特定の対象原子を選択することができます。コアレベルの軌道の空間的広がりが小さいため、RIXSプロセスは選択された原子のすぐ近くにある電子構造を反映します。したがって、RIXS実験は、複雑なシステムの局所的な電子構造に関する貴重な情報を提供し、理論計算は比較的簡単に実行できます。

計装
超軟X線領域のX線放射スペクトルを分析するためのいくつかの効率的な設計が存在します。このような機器の性能指数は、スペクトルスループット、つまり検出された強度とスペクトル分解能の積です。通常、これらのパラメータは、製品を一定に保ちながら、特定の範囲内で変更することができます。

グレーティングスペクトロメータ
通常、分光計でのX線回折は結晶で行われますが、グレーティング分光計では、サンプルから出てくるX線は光源を定義するスリットを通過する必要があり、光学素子（ミラーおよび/またはグレーティング）はそれらに応じた回折によってそれらを分散させます。波長、そして最後に、検出器がそれらの焦点に配置されます。

球面格子マウント
ヘンリー・オーガスタス・ローランド（1848–1901）は、回折と集束を組み合わせた単一の光学素子、つまり球面格子の使用を可能にする機器を考案しました。X線の反射率は使用材料に関係なく低いため、グレーティングへのかすめ入射が必要です。数度の視射入射角で滑らかな表面に衝突するX線ビームは、外部全反射を受けます。これは、機器の効率を大幅に向上させるために利用されます。
で表されるR半径球状格子のを。格子面の中心に接する半径Rの半分の円を想像してみてこの小さな円はローランド円と呼ばれます。入口スリットがこの円のどこかにある場合、スリットを通過してグレーティングに当たるビームは、鏡面反射ビームとすべての回折次数のビームに分割され、同じ円上の特定のポイントで焦点が合います。

平面格子マウント
光学分光計と同様に、平面回折格子分光計は、最初に、X線源から放出された発散光線を平行ビームに変える光学系を必要とします。これは、放物面鏡を使用することで実現できます。このミラーから出てくる平行光線は、同じ角度で（一定の溝距離で）平面回折格子に当たり、波長に応じて回折されます。次に、2番目の放物面鏡が特定の角度で回折光線を収集し、検出器上に画像を作成します。マイクロチャネル光電子増倍管やX線増倍管チップ（フィルムプレートも使用可能）などの二次元位置感知検出器を使用することにより、特定の波長範囲内のスペクトルを同時に記録することができます。

干渉計
グレーティングが生成する複数のビーム干渉の概念を使用する代わりに、2つの光線が単に干渉する場合がある固定点でそのような2つの強度を同一直線上に記録し、それらの相対位相を変更することにより、光路長差の関数として強度スペクトルを取得します。これは、周波数の関数としてのフーリエ変換されたスペクトルと同等であることを示すことができます。このようなスペクトルの記録可能な最高周波数は、スキャンで選択された最小ステップサイズに依存し、周波数分解能（つまり、特定の波をその周波数に関してどれだけ適切に定義できるか）は、達成された最大パス長の差に依存します。後者の機能により、X線の波長が達成可能な光路長の差に比べて小さいため、グレーティング分光計よりもはるかにコンパクトな設計で高分解能を実現できます。

米国におけるX線分光法の初期の歴史
オランダのアイントホーフェンに本社を置くPhilipsGloeilampen Fabriekenは、電球のメーカーとしてスタートしましたが、電気機器、電子機器、およびX線装置を含む関連製品の大手メーカーの1つになるまで急速に発展しました。また、世界最大のR＆Dラボの1つも1940年、オランダはヒトラーのドイツに侵略されました。同社は、ニューヨーク州ハドソンのアービントンにある不動産の研究開発研究所として設立した会社に多額の資金を送金することができました。オランダの会社は、電球に関する研究の延長として、変圧器を動力源とする医療用途向けの一連のX線管を開発しました。これらのX線管は科学的なX線装置にも使用できますが、後者の商業的需要はほとんどありませんでした。その結果、経営陣はこの市場の開拓を試みることを決定し、オランダと米国の両方の研究所に開発グループを設立しました。
彼らは、ミシガン大学の教授であり、赤外線研究の世界的専門家であるIra Duffendack博士を研究室の責任者として雇い、スタッフを雇いました。1951年に彼は研究の助監督としてデビッドミラー博士を雇いました。ミラー博士は、セントルイスのワシントン大学でX線装置の研究を行っていました。Duffendack博士はまた、X線回折の有名な研究者であるBill Parish博士を雇い、X線機器開発に関する研究室のセクションを率いました。X線回折ユニットは、結晶分析を行うために学術研究部門で広く使用されていました。回折ユニットの重要なコンポーネントは、ゴニオメーターとして知られている非常に正確な角度測定装置でした。そのようなユニットは市販されていなかったので、各研究者は自分たちで作ろうとしました。パリッシュ博士は、これが楽器市場を生み出すために使用するのに適した装置であると判断したので、彼のグループはゴニオメーターの製造方法を設計し、学びました。この市場は急速に発展し、すぐに利用できるチューブと電源により、完全な回折ユニットが利用可能になり、市場に成功しました。
米国の経営陣は、研究所を製造部門に転換することを望まなかったため、X線計装市場をさらに発展させるために商業部門を設立することを決定しました。1953年、ニューヨーク州マウントバーノンにX線計装の販売とサポートを専門とするNorelcoElectronicsが設立されました。これには、営業スタッフ、製造グループ、エンジニアリング部門、およびアプリケーションラボが含まれていました。ミラー博士は、エンジニアリング部門を率いるために研究室から異動しました。営業スタッフは、マウントバーノン、デンバー、サンフランシスコに1つずつ、年に3つの学校を後援しました。1週間にわたる学校のカリキュラムでは、X線装置の基本とNorelco製品の特定のアプリケーションについて説明しました。教員は工学部のメンバーと学術コンサルタントでした。学校には、学術および産業の研究開発科学者がよく出席しました。エンジニアリング部門も新製品開発グループでした。X線スペクトログラフを製品ラインに非常に迅速に追加し、今後8年間他の関連製品に貢献しました。
アプリケーションラボは不可欠な販売ツールでした。分光器が迅速で正確な分析化学装置として導入されたとき、それは広範囲にわたる懐疑論に直面しました。すべての研究施設には化学部門があり、分析分析は「湿式化学」法によって行われました。物理計装によってこの分析を行うという考えは疑わしいと見なされました。このバイアスを克服するために、セールスマンは見込み客に「ウェットメソッド」で行っているタスクを依頼します。タスクはアプリケーションラボに渡され、X線ユニットを使用してどれだけ正確かつ迅速に実行できるかを示します。これは非常に強力な販売ツールであることが証明されました。特に、結果がNorelco Reporterに公開されたとき、この技術ジャーナルは、商業機関や学術機関に広く配布されている会社によって毎月発行されました。
X線スペクトログラフは、高電圧電源（50kVまたは100kV）、広帯域X線管、通常はタングステンアノードとベリリウムウィンドウ、試料ホルダー、分析結晶、ゴニオメーター、およびX線検出器。これらは図1のように配置されています。

図1 チューブから放出される連続Xスペクトルは、試料を照射し、試料内の特徴的なスペクトルX線ラインを励起します。92個の要素のそれぞれが特徴的なスペクトルを放出します。光学スペクトルとは異なり、X線スペクトルは非常に単純です。要素を識別するには、最強の線、通常はKalpha線、場合によってはLalpha線で十分です。特定の線の存在は元素の存在を裏切っており、強度は試験片内の特定の元素の量に比例します。特徴的な線は、ブラッグ条件によって与えられる角度で、アナライザーである結晶から反射されます。結晶は回転によってすべての回折角シータをサンプリングし、検出器は対応する角度2-シータで回転します。高感度検出器を使用すると、X線フォトンが個別にカウントされます。検出器を角度に沿ってステップさせ、既知の時間その位置に置いたままにすることにより、各角度位置でのカウント数が線の強度を示します。これらのカウントは、適切な表示ユニットによって曲線上にプロットすることができます。特性X線は特定の角度で放出され、すべてのX線スペクトル線の角位置がわかって記録されているため、サンプルの組成を簡単に見つけることができます。
モリブデン試料のスキャンチャートを図2に示します。左側の高いピークは、12度の2シータでの特徴的なアルファ線です。2次および3次の行も表示されます。

図2 多くの産業用途で関心のある唯一のラインはアルファラインであることが多いため、NorelcoX線分光装置ラインの最後のデバイスはAutrometerでした。このデバイスは、任意の時間間隔で任意の2シータ角度で自動的に読み取るようにプログラムできます。
オートロメーターが導入された直後、フィリップスは米国とヨーロッパの両方で開発されたX線装置の販売を停止することを決定し、アイントホーフェンの装置ラインのみを提供することに決めました。
1961年、Autrometerの開発中に、Norelcoはジェット推進研究所から下請け契約を交わされました。ラボは、サーベイヤー宇宙船の機器パッケージに取り組んでいました。月の表面の組成は大きな関心事であり、X線検出器の使用が可能な解決策と見なされていました。30ワットの電力制限での作業は非常に困難であり、デバイスは納品されましたが、使用されませんでした。その後のNASAの開発により、X線分光装置が作成され、目的の月の土壌分析が行われました。
Norelcoの取り組みは衰退しましたが、XRF装置として知られるユニットでのX線分光法の使用は増え続けました。NASAからのブーストにより、ユニットは最終的にハンドヘルドサイズに縮小され、広く使用されるようになりました。ユニットは、Bruker、Thermo Scientific、Elvatech Ltd.、およびSPECTRAから入手できます。

他のタイプのX線分光法
X線吸収分光法
X線磁気円二色性

も参照してください
オージェ電子分光法
X線分光法（ジャーナル）
CdTe / CDZnTe分光検出器に基づく爆発物検出の新しい視点

参考文献
^ 「X線分光法」（PDF）。
^ フォンダ、ゴートンR。; コリンズ、ジョージB.（1931-01-01）。「X線分光法および定量分析における陰極線管」。アメリカ化学会誌。53（1）：113–125。土井：10.1021 / ja01352a017。ISSN 0002から7863まで。 “