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平成22年9月22日

京都大学
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科学技術振興機構(JST)
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手のひらに載るほど超小型な
電子線プローブX線マイクロアナライザーの開発に成功

JST 産学イノベーション加速事業【先端計測分析技術・機器開発】 要素技術プログラムの一環として、京都大学 大学院工学研究科の河合 潤 教授は、手のひらに載るほど超小型な電子線プローブ注1)X線マイクロアナライザー(EPMA:Electron Probe Micro Analyser)の開発に成功しました。

EPMAは、生体試料、金属材料、半導体集積回路の微細組織の構成元素分析などに用いられ、従来は、高電圧発生系、電子光学系、X線分光器、X線検出器、高真空ポンプ、高電圧電源などを備えた複雑かつ高価で、大型の装置(典型的な設置寸法の例は、幅×奥行×高さが、約1200mm×1200mm×1700mm)でした。

河合教授はこれまでに、手のひらに載る小さなガラス製容器の中に組み込みこんだ3mm×3mm×10mmの強誘電体注2)に電流を流すことによって80kV(8万ボルト)の高電圧を生成し、これが電子を加速することによって、簡単にX線を発生させることに成功していました。

この原理を応用することによって今回、EPMAの高電圧発生系と電子光学系の機能を持ったX線発生器を開発しました。そして、このX線発生器と小型のX線検出器と組み合わせることにより、乾電池と簡単な真空ポンプで駆動可能な、手のひらに載るほど超小型なEPMAを開発することにも成功しました。

本開発成果は、以下の事業・開発課題によって得られました。

事業名 産学イノベーション加速事業【先端計測分析技術・機器開発】 要素技術プログラム
担当開発総括 澤田 嗣郎(東京大学 名誉教授)
開発課題名 「ハンディー型全反射蛍光X線元素センサー」
チームリーダー 河合 潤(京都大学 大学院工学研究科 材料工学専攻 教授)
開発期間 平成19〜21年度

JSTはこのプログラムで、計測分析機器の性能を飛躍的に向上させることが期待される新規性のある独創的な要素技術の開発を行うことを目的としています。

<開発の背景と経緯>

EPMAは、生体試料、金属材料、半導体集積回路などの微細組織や微細構造の構成元素分析などに用いられる大型の精密装置で、価格は5000万円以上もする高価なものです。国内では少なくとも数千台が稼働しています。典型的な装置の寸法は、幅×奥行×高さが、約1200mm×1200mm×1700mmです。

EPMAの測定原理は、電子ビームを1μm(1mmの千分の一)以下に細く絞って試料に照射し、そこから発生する各元素特有のX線を検出することによって、試料の元素分析や元素の面内濃度分布を測定します。

河合教授はこれまでに、JST 産学イノベーション加速事業【先端計測分析技術・機器開発】(旧 先端計測分析技術・機器開発事業) 要素技術プログラムの採択課題「ポータブル全反射蛍光X線元素センサー」の一環で小型X線発生器を開発しており、その用途を変更することによって今回、乾電池でも駆動可能で、手のひらに載るほど超小型(手のひらサイズ)なEPMAを完成させました。

<開発の内容>

今回開発したEPMAで用いたX線発生器は、小さなガラス製容器の中に強誘電体を組み込んで真空にしたものです(図1図2)。この強誘電体の上に微小試料を貼り付けて装置に乾電池を接続すると、その微小試料の構成元素に対応した特性X線が発生して、元素分析が可能となります。強誘電体にはペルチェ素子注3)が接続されており(図3)、乾電池によってペルチェ素子の温度が室温から70℃くらいの範囲で変化します。この温度変化によって強誘電体が熱膨張・収縮する際に高い電圧(80kV)が発生すると、ガラス容器内の残留ガスに起因する電子が加速され、微小試料に衝突します。その結果、試料に含まれる元素特有の特性X線が発生します(図4)。ガラス容器はロータリーポンプ注4)に接続することによって内部を真空にしていますが、今回開発した装置では通常のEPMAのように高真空注5)とする必要はなく、試料を手で触って真空が悪くなることを気にする必要がないほど簡単な低真空注5)で十分稼働します。真空容器はゴムのO(オー)リング注6)で密封されていますが、簡単にふたが開けられるので、試料の交換も容易です。

そして、この装置の感度は通常のEPMAと同程度で、空間分解能は試料の大きさにもよりますが、計算上は数十μmまで測定可能です。測定時間は1試料1〜3分で、試料導入後に測定に適する真空度に達するまで数分が必要です。

従来このような装置が開発されなかったのは、電子ビーム発生やX線発生は、極めて困難なことだと思われていたからです。しかし強誘電体単結晶を用いると、真空に入れて加熱・冷却するだけで簡単にX線が発生しはじめます。強誘電体を真空中で加熱・冷却するとX線が発生することは1990年代に報告されていましたが、このように簡単にX線が発生することはあまり知られていませんでした。河合教授は、この簡便で新しいX線の発生原理を用いることによって、乾電池で駆動可能な手のひらサイズのX線発生器を開発することに成功していました。

さらに今回、このX線発生器の強誘電体に未知試料を貼り付ければ、その試料が強誘電体でなくてもその構成元素が判別できることを応用し、これに乾電池と簡単な真空ポンプを組み合わせることで、手のひらサイズのEPMAを開発することに成功しました。既存のEPMAは、高真空ポンプ、高圧電源、電子銃、電子レンズなどを備えた電子顕微鏡とほぼ同じ構成の装置にX線分光器を加えた装置ですが、今回の装置は、先に述べたように低真空で十分稼働し、高圧電源も不要です(表1)。また、強誘電体に貼り付ける試料は、数十マイクロメートル以下の微小なものでも分析可能です。そして、この手のひらサイズのEPMAから実際に発生するX線は、飛行機で欧州と日本を往復する際に乗客がさらされるX線よりも弱いものです。安全性の問題から測定を行う際には、X線を遮断する箱に装置を入れて使用しますが、大がかりなものは必要ありません。

この手のひらサイズのEPMAは、装置の簡便さと相まって、従来とは全く異なる研究分野や応用分野を開拓できる可能性があります。例えば、野外などのさまざまなフィールドで土壌やプラスチックなどの身近な試料を測定し、試料に含まれる元素を同定することが可能となります。装置の稼動に必要な真空ポンプも低電力で使える小型のもので十分ですので、自動車のバッテリーで十分な電力を得ることができます。

<今後の展開>

今回開発に成功した手のひらサイズのEPMAは、持ち運び可能でかつ高圧電力を必要としないことから、実験室を飛び出していろいろな試料の元素分析を手軽に行うことを可能にするものです。

さらに、本開発成果で示された新しい原理のX線発生方法そのものも広く応用される可能性があります。例えば、発生させる電子ビームを絞る仕組みを組み込むことによって、試料表面の元素分布のイメージングも可能になります。また、80kVもの高い加速電圧を発生することが可能であるので、手のひらサイズの加速器への応用も示唆されます。

<参考図>

表1

表1 従来のEPMAと、今回開発した手のひらサイズEPMAとの比較

図1

図1 X線発生器の写真

大きさを500円玉と比較した。右は、ロータリーポンプにつないだ様子。

図2

図2 手のひらに載せたX線発生器

図3

図3 X線発生器の構造の模式図

今回の開発では、強誘電体としてタンタル酸リチウム(LiTaO)の単結晶を用いている。

図4

図4 真鍮を測定して得られたX線スペクトル例

X線スペクトルとは、元素に特有なX線のピークが現れたグラフで、X線スペクトルから元素の種類と濃度を知ることができる。この図からは、測定した試料の主構成元素が銅と亜鉛なので、真鍮(黄銅)であることが判別できる。手のひらサイズのEPMAを用いて、砂粒1個程度の大きさの未知試料の主構成元素を十分に判定することが可能。

<用語解説>

注1) 電子線プローブ
試料を探るために照射する電子の細い線のこと。
注2) 強誘電体
強誘電体の中にはプラスイオンの重心とマイナスイオンの重心がずれている物質があり、結晶が伸縮することによって重心が変化すると結晶の両端に高電圧を発生する。また、電気石(トルマリン)も同じ原理で電気を発生する。
注3) ペルチェ素子
P型半導体とN型半導体を交互に張り合わせた構造で、電気を流すと一方の面が冷えて他方の面が熱せられる電気素子。電流の向きを逆にすると加熱・冷却面が逆転する。小型冷蔵庫にも使われている。
注4) ロータリーポンプ
容器や装置の内部を真空にするための排気ポンプ。
注5) 高真空、低真空
真空の程度を示す表現で、高真空とは空気があまりないよい真空を指し、低真空とは大気より少し減圧している程度の真空を指す。
注6) O(オー)リング
断面が丸い輪ゴムで、真空で使用する装置やパイプをつなぐ時に挟んで使用する。

<お問い合わせ先>

<開発内容に関すること>

河合 潤(カワイ ジュン)
京都大学 大学院工学研究科 材料工学専攻 教授
〒606-8501 京都府京都市左京区吉田本町
Tel:075-753-5442 FAX:075-753-5436
E-mail:
研究室ホームページ:http://www.process.mtl.kyoto-u.ac.jp

<JSTの事業に関すること>

安藤 利夫(アンドウ トシオ)
科学技術振興機構 イノベーション推進本部 産学基礎基盤推進部(先端計測分析技術・機器開発担当)
〒102-0075 東京都千代田区三番町5 三番町ビル
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