JP2006038822A - Fluorescent x-ray analyzer - Google Patents
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- Analysing Materials By The Use Of Radiation (AREA)
Abstract
Description
本発明は蛍光X線分析装置の特に1次フィルタ、2次ターゲット及び2次フィルタに関するものである。 The present invention particularly relates to a primary filter, a secondary target and a secondary filter of a fluorescent X-ray analyzer.
蛍光X線分析においては、分析元素エネルギ範囲のバックグラウンドを減少させるため、1次フィルタあるいは2次ターゲットを用いることがある。しかし、それらは単独に用いられるだけで、X線管からの放射ビーム束を有効に使用されておらず、フィルタを透過したX線や2次ターゲットから発生した散乱線及び蛍光X線の1部は発散し、測定試料に有効に照射されない。そのため、X線強度を十分に得られず、分析精度も向上せず、長時間測定をせざるを得ない。 In X-ray fluorescence analysis, a primary filter or a secondary target may be used to reduce the background of the analytical element energy range. However, they are used alone, and the radiation beam bundle from the X-ray tube is not used effectively, and a part of X-rays transmitted through the filter, scattered rays generated from the secondary target, and fluorescent X-rays. Diverges and does not effectively irradiate the measurement sample. Therefore, the X-ray intensity cannot be sufficiently obtained, the analysis accuracy is not improved, and the measurement has to be performed for a long time.
ところで、近年、土壌や廃棄物並びに食品、特に米の中に含まれる有害物質が問題となっている。その対策として欧州では、「電気電子機器に含まれる特定有害物質の使用制限(RoHS)」の指令案が採択され、この指令が発行されるとEU全域においてカドミウム(Cd)、鉛(Pb)、臭素(Br)系難燃剤などの特定有害物質の使用が厳しく制限される。また、日本国内においても、2003年1月から土壌汚染対策法が施工され、工場跡地などの有害重金属の調査が必須となっている。それに加えて農林水産省は2004年度「食品衛生法」で米中のCdの含有量を0.4ppmに規制することにしている。このような情勢から、様々な有害重金属の微量元素を簡便に測定できる装置が求められている。 By the way, in recent years, harmful substances contained in soil, waste and food, especially rice, have become a problem. As a countermeasure, in Europe, the proposed directive “Restriction on the Use of Specific Hazardous Substances in Electrical and Electronic Equipment (RoHS)” was adopted, and when this directive was issued, cadmium (Cd), lead (Pb), Use of specific hazardous substances such as bromine (Br) flame retardants is severely restricted. Also in Japan, the Soil Contamination Countermeasures Law has been implemented since January 2003, and investigation of toxic heavy metals such as factory ruins is indispensable. In addition, the Ministry of Agriculture, Forestry and Fisheries has decided to regulate the Cd content in rice to 0.4 ppm in the “Food Sanitation Law” of 2004. Under such circumstances, there is a need for an apparatus that can easily measure trace elements of various harmful heavy metals.
これらの要求に応えるため、たとえば、大容量のX線管や液体窒素冷却の大面積検出素子の検出器を用いたX線分析装置で元素分析を行うこともできる。しかし、このようなX線管や検出器を使用すれば、大電力、冷却水、液体窒素などのユーティリテイが必要となる。したがって、コストアップの原因となる。装置も大型化になり、設置面積も大きく広い場所が必要で、メンテナンス時間も頻繁に必要となる。これらの点においてもコストが高くなる。 In order to meet these requirements, for example, elemental analysis can be performed by an X-ray analyzer using a large-capacity X-ray tube or a detector of a liquid nitrogen-cooled large-area detection element. However, if such an X-ray tube or detector is used, utilities such as high power, cooling water, and liquid nitrogen are required. Therefore, it causes a cost increase. The equipment becomes larger, requires a large installation area and a large space, and frequently requires maintenance time. In these respects, the cost increases.
本発明は前記従来の問題を解決するためになされたもので、その目的は、1次フィルタと2次ターゲットを有機的に結合し、また、2次フィルタを組合せることにより、測定元素エネルギ範囲のバックグラウンドを低下させると共に1次X線励起強度をアップし、測定試料中の微量元素の分析を可能とする比較的安価な蛍光X線分析装置を提供することである。 The present invention has been made to solve the above-mentioned conventional problems, and its object is to organically combine a primary filter and a secondary target, and to combine the secondary filters to measure the element energy range. It is intended to provide a relatively inexpensive fluorescent X-ray analyzer that reduces the background of the light and increases the primary X-ray excitation intensity and enables analysis of trace elements in the measurement sample.
まず、図1及び図2を用いて本発明の原理について説明する。図1の(b)及び(c)はX線単色化機構7の詳細図である。図2(a)は、X線管(タングステン(W)ターゲット)からの連続X線のスペクトル、図2(b)は、X線単色化機構7を挿入した時の1次X線3のスペクトル分布を示す。 First, the principle of the present invention will be described with reference to FIGS. FIGS. 1B and 1C are detailed views of the X-ray monochromatic mechanism 7. 2A shows a spectrum of continuous X-rays from an X-ray tube (tungsten (W) target), and FIG. 2B shows a spectrum of
X線管4から放出されたX線(図2(a))をX線単色化機構7で単色化し、その該単色化されたX線3(図2(b))を測定試料1に照射し、発生した蛍光X線5は2次フィルタ12を透過し、半導体検出器6で検出され、検出された信号の高さとその数により元素分析を行うものである。 X-rays emitted from the X-ray tube 4 (FIG. 2A) are monochromated by the X-ray monochromator 7 and the monochromatic X-ray 3 (FIG. 2B) is irradiated to the
図1(b)に示す1次フィルタ8はシリコン(Si)をフィルタとして使用し、円錐の上部を切り取った形状をしている。前記1次フィルタ8はX線管4から発生した放射状ビーム束(立体角Ω)の中心部に設置されており、測定元素付近のエネルギを吸収する。これにより測定元素付近のバックグラウンドを低減させる役目を担っている。一方、励起源となる測定元素の吸収端以上の高エネルギ成分を透過し、前記試料1に照射する役目を担っている。Siを用いるのは、測定領域に不純線が発生せず、発生した蛍光X線Si−Kα線は2次フィルタ11で吸収され、検出器6に到達せず、半導体検出器の総X線量を抑えることが出来る。このことはピーク対バックグラウンド(P/B)比を向上させると共にエネルギ分解能の向上にもつながる。 The
図1(b)の2次ターゲット9は前記1次フィルタ8の回りに配置されており、円錐の中をくり抜いた形状に製作されている。前記X線管4から発生した放射状ビーム束(立体角Ω)の内、両端部のX線を前記円錐状の2次ターゲット9に照射し、これから発生した蛍光X線を試料1に照射する役目を担うものである。これにより、発散ビームとしてこれまで測定試料の励起に用いられていなかったX線を有効に活用できるため、蛍光X線5の強度を高めることができる。したがって、微量元素分析も可能になる。 The
有害重金属元素カドミウム(Cd)を分析する場合、前記1次フィルタ8の厚みは使用するX線管ターゲット及び管電圧にもよるが、Siフィルタの場合10〜20mmの厚みが適している。X線管4から発生した放射状ビーム束(立体角Ω)のX線の内、中心部を通るX線を前記Si1次フィルタ8で25keV以下のエネルギ成分を吸収する。これにより25keV以下のエネルギ領域のバックグラウンドが低減する。同時に、前記1次フィルタ8により25keV以上のエネルギ成分を透過させ励起源として使用する。放射状ビーム束(立体角Ω)のX線の内、両端部のX線は前記2次ターゲット9に照射され、発生した蛍光X線3を試料1に照射する。前記2次ターゲット9の材質として原子番号52番のテルル(Te)以上の重元素あるいはその酸化物が用いられ、その蛍光X線Te−Kα線(27.468keV)などが励起線として用いられる。
したがって、前記1次フィルタ8を透過した単色化ビームと前記2次ターゲット9から発生した蛍光X線を前記試料1に同時照射することにより、測定試料元素Cdの蛍光X線強度を高め、かつP/B比を向上させることができ、微量元素分析が可能となる。When analyzing the toxic heavy metal element cadmium (Cd), the thickness of the
Therefore, by simultaneously irradiating the
有害重金属のヒ素(As)、セレン(Se)、ブロム(Br)、鉛(Pb)、水銀(Hg)などの元素を分析する場合、前記1次フィルタ8の厚みは使用するX線管ターゲット及び管電圧にもよるが、Siフィルタの場合1〜3mmの厚みが適している。X線管4から発生した放射状ビーム束(立体角Ω)のX線の内、中心部を通るX線を前記Si1次フィルタ8で17keV以下のエネルギ成分を吸収する。これにより17keV以下のエネルギ領域のバックグラウンドが低減する。同時に、前記1次フィルタ8により17keV以上のエネルギ成分を透過させ励起源として使用する。放射状ビーム束(立体角Ω)のX線の内、両端部のX線は前記2次ターゲット9に照射され、発生した蛍光X線3を試料1に照射する。前記2次ターゲット9の材質として原子番号40番のジルコン(Zr)〜原子番号47番の銀(Ag)の重元素あるいはその酸化物が用いられ、例えば、蛍光X線Mo−Kα線(17.441keV)などが励起線として用いられる。
したがって、前記1次フィルタ8を透過した単色化ビームと前記2次ターゲット9から発生した蛍光X線を前記試料1に同時照射することにより、測定試料元素As、Se、Br、Pb、Hgなどの蛍光X線強度を高め、かつP/B比を向上させることができ、微量元素分析が可能となる。When analyzing elements such as arsenic (As), selenium (Se), bromine (Br), lead (Pb), mercury (Hg), etc., which are toxic heavy metals, the thickness of the
Therefore, by simultaneously irradiating the
有害重金属元素クロム(Cr)を分析する場合、前記1次フィルタ8の厚みは使用するX線管ターゲット及び管電圧にもよるが、Siフィルタの場合0.1〜0.3mmの厚みが適している。この場合の形状は板状のフィルタが用いられる。X線管4から発生した放射状ビーム束(立体角Ω)のX線の内、中心部を通るX線を前記Si1次フィルタ8で6keV以下のエネルギ成分を吸収する。これにより6keV以下のエネルギ領域のバックグラウンドが低減する。同時に、前記1次フィルタ8により6keV以上のエネルギ成分を透過させ励起源として使用する。放射状ビーム束(立体角Ω)のX線の内、両端部のX線は前記2次ターゲットに照射され、発生した蛍光X線3を試料1に照射する。前記2次ターゲット9の材質として原子番号26番の鉄(Fe)〜原子番号29番の銅(Cu)の重元素あるいはその酸化物が用いられ、例えば、蛍光X線Co−Kα線(6.924keV)などが励起線として用いられる。
したがって、前記1次フィルタ8を透過した単色化ビームと前記2次ターゲット9から発生した蛍光X線を前記試料1に同時照射することにより、測定試料元素Crの蛍光X線強度を高め、かつP/B比を向上させることができ、微量元素分析が可能となる。When analyzing the harmful heavy metal element chromium (Cr), the thickness of the
Therefore, by simultaneously irradiating the
図1(c)は2次ターゲット9の出口に2次ターゲット(2)11及び1次フィルタ(2)10を設置し、前記1次フィルタ8を透過したX線並びに前記2次ターゲット9からの高エネルギ成分の散乱線を前記2次ターゲット(2)11に照射し、発生した蛍光X線を前記試料1に照射する。これにより、2次ターゲット(2)11による励起線が図1(b)の励起線に重畳し、蛍光X線5の強度を高めることができる。また、1次フィルタ(2)10は励起線を透過し、分析線領域のバックグラウンド成分を吸収する役目を担っている。したがって、P/B比を向上させることができ、微量元素分析が可能となる。 In FIG. 1 (c), the secondary target (2) 11 and the primary filter (2) 10 are installed at the outlet of the
前項に於いて、有害重金属元素カドミウム(Cd)を分析する場合、前記1次フィルタ8及び10の厚みは使用するX線管ターゲットの種類及び管電圧にもよるが、Siフィルタの場合6〜15mm及び3〜5mmの厚みが適している。X線管4から発生した放射状ビーム束(立体角Ω)のX線の内、中心部を通るX線を前記Si1次フィルタ8及び10で25keV以下のエネルギ成分を吸収する。これにより25keV以下のエネルギ領域のバックグラウンドが低減する。同時に、前記1次フィルタ8及び10により25keV以上のエネルギ成分を透過させ励起源として使用する。放射状ビーム束(立体角Ω)のX線の内、両端部のX線は前記2次ターゲット9に照射され、発生した蛍光X線3を前記試料1に照射する。また、出口側の2次ターゲット(2)11の厚みは0.01〜0.3mmで、前記2次ターゲット9及び11の材質として原子番号52番のテルル(Te)以上の重元素あるいはその酸化物が用いられ、その蛍光X線Te−Kα線(27.468keV)などが励起線として用いられる。
したがって、前記1次フィルタ8及び10を透過した単色化ビームと前記2次ターゲット9及び11から発生した蛍光X線を同時照射することにより、測定試料元素Cdの蛍光X線強度を高め、かつP/B比を向上させることができ、微量元素分析が可能となる。In the preceding paragraph, when analyzing the toxic heavy metal element cadmium (Cd), the thickness of the
Therefore, by simultaneously irradiating the monochromatic beam transmitted through the
このように、前記1次フィルタ8、10により、測定元素範囲のエネルギ帯域のX線が殆ど吸収されるので、バックグラウンドが低減され、一方、励起成分となるエネルギ帯域のX線強度の割合が2次ターゲット9及び11を使用することにより著しく高くなる。そのため、微量元素分析が可能となる。 As described above, since the X-rays in the energy band of the measurement element range are almost absorbed by the
本発明の1次フィルタの材質としては、原子番号が6番以上28番以下の元素を用いるのが好ましく、更に好ましくは、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、Siの単結晶またはその酸化物(MgO、SiO2など)またはその窒化物(Si3N4,AlNなど)を用いる。As the material of the primary filter of the present invention, it is preferable to use an element having an atomic number of 6 or more and 28 or less, more preferably a single crystal of magnesium (Mg), aluminum (Al), Si or an oxide thereof. used (MgO, SiO 2, etc.) or a nitride (Si 3 N 4, AlN, etc.).
以下、本発明の一実施形態を図面にしたがって説明する。
本実施形態では、土壌や電子材料中に含まれる人体に有害な重金属(たとえば、Cr、Pb、As、Se、Cd、Br、Hg)を分析して、その含有量が所定の基準値以下か否かの合否判定を行う装置について例をとって説明する。Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
In this embodiment, heavy metals (for example, Cr, Pb, As, Se, Cd, Br, Hg) harmful to the human body contained in soil and electronic materials are analyzed, and whether the content is below a predetermined reference value. An example of an apparatus that performs a pass / fail judgment on whether or not is described.
図1において、本装置は測定試料1が設置され、その測定試料1に1次X線3を照射するX線管4と、X線単色化機構7と、測定試料1から発生した蛍光X線5を検出する検出器6を備えている。前記1次X線の光路にはX線単色化機構7が設けられており、その内部に1次フィルタ8と2次ターゲット9が載置されている。また、検出器の前に2次フィルタが載置されている。前記1次X線3の内放射状ビーム束(Ω)の中心部のX線は、前記1次フィルタ8を介して、吸収及び/または透過をして、前記測定試料1に照射される。前記1次フィルタ8により、分析線のバックグラウンドとなる成分が低減ないし除去される。一方、1次X線の内励起に寄与するX線は1次フィルタにより一部吸収されるが、大半は透過し、測定試料1に照射される。また、放射状ビーム束(Ω)の両端部のX線は円錐状の2次ターゲット10に照射し、そのターゲット元素を励起し蛍光X線を発生させ、前記測定試料1に照射される。 In FIG. 1, this apparatus is provided with a
前記X線単色化機構7は、前記試料1から検出器6に向かう蛍光X線5を吸収しない位置に設けられている。したがって、前記1次フィルタ8は前記1次X線3だけを吸収、透過し、前記蛍光X線5は吸収しない。
なお、分析精度を向上させるため、2次フィルタ12を前記蛍光X線5の光路に設けてもよい。プラスチック中のCdを分析する時、プラスチック中に含まれるBrやPbからのX線スペクトルに起因するサムピークが丁度Cd−Kα線に重なりバックグラウンドを押し上げる要因となる。分析精度を向上させるためにはこれらのピークを除去する必要がある。該2次フィルタ12は、測定試料1で発生したサムピークなどに起因するバックグラウンドを低減または除去する。The X-ray monochromatization mechanism 7 is provided at a position where the
In order to improve analysis accuracy, a secondary filter 12 may be provided in the optical path of the
本装置で有害重金属元素の測定を行う場合には、バックグラウンドの低減、特に妨害線の除去という観点から、前記X線源に用いるX線管のターゲットとしては、タングステン(W)、レニウム(Re)、タンタル(Ta)、金(Au)、白金(Pt)、モリブデン(Mo)、パラジウム(Pd)、ランタン(La)を用いるのが一般に好ましい。 When toxic heavy metal elements are measured with this apparatus, tungsten (W), rhenium (Re) are used as targets of the X-ray tube used in the X-ray source from the viewpoint of background reduction, particularly removal of interference lines. ), Tantalum (Ta), gold (Au), platinum (Pt), molybdenum (Mo), palladium (Pd), and lanthanum (La) are generally preferred.
検出器としては、たとえば、シリコンドリフト検出器(SDD)やヨウ化水銀検出器(HgI2)のように、エネルギ分解能に優れ、液体窒素冷却によらずペルチェ素子による電子冷却を行うものを採用するのが好ましい。As the detector, for example, a silicon drift detector (SDD) or a mercury iodide detector (HgI 2 ) that has excellent energy resolution and performs electronic cooling by a Peltier element regardless of liquid nitrogen cooling is adopted. Is preferred.
前記1次フィルタ8は、図2(a)に示すように、Siを使用しているが、カーボン(C)、Mg、Al、MgO、Al2O3、Si3N4、AlNなどの単体、酸化物、窒化物並びにそれらの2つ以上の単体や化合物の組合せを用いてもよい。形状については、円錐状、円盤状、四角錐状などを用いても良い。As shown in FIG. 2 (a), the
前記2次ターゲット10は、分析元素毎に選択を行う。一般的には、分析元素の吸収端エネルギよりわずか高いエネルギを持つ構成元素を有するターゲット材が選択される。金属単体でもその酸化物であってもよい。表1に測定元素グループ毎の2次ターゲット材を示す。 The
測定元素グループにより、それぞれ1次フィルタ及び2次ターゲットの厚み並びに材質を変えた複数個の単色化機構を準備し、予めプログラミングをし、単色化機構の自動交換を行いつつ測定が行われるシステムを構成している。Prepare a plurality of monochromatization mechanisms with different thicknesses and materials of the primary filter and secondary target, respectively, according to the measurement element group, program in advance, and perform measurement while automatically replacing the monochromatization mechanism It is composed.
以上説明したように、本発明によれば、1次フィルタによりバックグラウンドを低減しつつ、2次ターゲットを利用して励起X線強度を高めることができる。また、1次フィルタ材に軽元素を用いること並びに2次フィルタを用いることにより、従来使用されている重金属フィルタ、たとえば、Mo、Zr、Ag、Cuなどを構成する元素のスペクトルが出現しないあるいは減衰させることができるので、これらのスペクトルによる妨害線の影響が皆無に近くなる。以上により、X線強度を高めかつ、バックグラウンドを低減させることができる。また、2次フィルタを用いることにより、分析範囲に出現するサムピークなどのスペクトルの重なりを抑えることができる。これらにより、有害重金属元素の検出下限値を0.5ppm以下にすることができ、また分析時間を大幅に短縮できる。
大出力のX線管を用いる場合に比べ、低出力のX線管を用いることで済むから、ローコスト化を実現できる。しかも、出力の高い連続X線を励起成分として用いることができるから、有害重金属元素以外も複数の元素を効率よく励起することができる。As described above, according to the present invention, the excitation X-ray intensity can be increased using the secondary target while reducing the background by the primary filter. Further, by using a light element as a primary filter material and using a secondary filter, the spectrum of elements constituting conventionally used heavy metal filters such as Mo, Zr, Ag, and Cu does not appear or is attenuated. Therefore, the influence of disturbing lines due to these spectra is almost zero. As described above, the X-ray intensity can be increased and the background can be reduced. In addition, by using a secondary filter, it is possible to suppress spectrum overlap such as a thumb peak appearing in the analysis range. As a result, the lower limit of detection of harmful heavy metal elements can be reduced to 0.5 ppm or less, and the analysis time can be greatly shortened.
Compared with the case of using a high-power X-ray tube, it is only necessary to use a low-power X-ray tube, so that the cost can be reduced. In addition, since continuous X-rays with high output can be used as an excitation component, a plurality of elements other than harmful heavy metal elements can be excited efficiently.
測定元素領域毎の2次ターゲット材質を示す図表である。 It is a graph which shows the secondary target material for every measurement element area | region.
1:測定試料
2:試料保持台
3:1次X線
4:X線管
5:蛍光X線
6:検出器
7:X線単色化機構
8:1次フィルタ
9:2次ターゲット
10:1次フィルタ(2)
11:2次ターゲット(2)
12:2次フィルタ
13:X線管からの連続X線照射分布
14:1次フィルタを透過した連続X線照射分布
15:2次ターゲットからの蛍光X線1: Measurement sample 2: Sample holder 3: Primary X-ray 4: X-ray tube 5: Fluorescent X-ray 6: Detector 7: X-ray monochromator 8: Primary filter 9: Secondary target 10: Primary Filter (2)
11: Secondary target (2)
12: Secondary filter 13: Continuous X-ray irradiation distribution from the X-ray tube 14: Continuous X-ray irradiation distribution transmitted through the primary filter 15: Fluorescent X-ray from the secondary target
Claims (5)
前記X線単色化機構は、1次フィルタと2次ターゲットからなり、X線管からの放射ビームの内、中心部付近のビームを1次フィルタで単色化し、両端部のエネルギ成分を2次ターゲットで単色化し、これらの単色化ビームを同時に前記測定試料に照射してX線励起源とすることを特徴とする蛍光X線分析装置。By irradiating the measurement sample with primary X-rays from the X-ray source via the X-ray monochromatization mechanism, and detecting the fluorescent X-rays generated from the measurement sample receiving the primary X-rays with a detector, In a fluorescent X-ray analyzer that performs elemental analysis of a measurement sample,
The X-ray monochromatization mechanism consists of a primary filter and a secondary target. Of the radiation beam from the X-ray tube, the beam near the center is monochromatic by the primary filter, and the energy components at both ends are secondary targets. A fluorescent X-ray analysis apparatus characterized in that the measurement sample is simultaneously irradiated with these monochromatized beams and used as an X-ray excitation source.
前記2次ターゲットの出口に新たに2次ターゲット2及び1次フィルタ2を設け、前記2次ターゲットから発生したバックグラウンド成分を該1次フィルタ2で吸収させ単色化し、該2次ターゲット2から発生した蛍光X線及び前記2次ターゲットから発生した蛍光X線と重畳して試料に照射し、ピークとバックグラウンド強度の比を大きくすることを特徴とする蛍光X線分析装置。In claim 1,
A secondary target 2 and a primary filter 2 are newly provided at the outlet of the secondary target, and background components generated from the secondary target are absorbed by the primary filter 2 to be monochromatic, and generated from the secondary target 2. A fluorescent X-ray analyzer characterized in that the sample is irradiated with the fluorescent X-rays and the fluorescent X-rays generated from the secondary target to increase the ratio of peak to background intensity.
前記1次フィルタはシリコンまたはアルミニウムまたはマグネシウムまたはそれらの酸化物または窒化物または合金からなることを特徴とする蛍光X線分析装置。In claims 1 and 2,
The X-ray fluorescence analyzer according to claim 1, wherein the primary filter is made of silicon, aluminum, magnesium, oxides, nitrides or alloys thereof.
前記測定試料と検出器との間に2次フィルタを設け、妨害ピークのサムピークを除去し、測定元素スペクトルの分析精度を向上させることを特徴とする蛍光X線分析装置。In claims 1 and 2,
A fluorescent X-ray analyzer characterized in that a secondary filter is provided between the measurement sample and the detector, the sum peak of the interference peak is removed, and the analysis accuracy of the measurement element spectrum is improved.
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