JP2004020475A - イオン交換膜の評価方法、有機物の評価方法及びｘ線測定装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】湿度が変化する環境下に置かれる有機高分子材料、例えばイオン交換膜の分子構造を広く一般的に用いられている装置によって正確に評価できるようにする。
【解決手段】イオン交換膜２９の性能を評価する評価方法である。入射Ｘ線の光軸を中心とする小角度領域における散乱Ｘ線を検出できるＸ線測定装置を用いて、異なる湿度に置かれたイオン交換膜２９のそれぞれについて小角散乱線図を求める。例えば、それらの小角散乱線図におけるピークの角度位置及び強度によって、イオン交換膜の分子構造（従って、イオン交換能力）の湿度変化に従った特性変化を評価する。イオン交換膜２９の周りの湿度は、水蒸気源６６、ガス源６８、ガス混合器６４、ガス導入管６１を有する湿度調節装置によって調節できる。
【選択図】 図５
【解決手段】イオン交換膜２９の性能を評価する評価方法である。入射Ｘ線の光軸を中心とする小角度領域における散乱Ｘ線を検出できるＸ線測定装置を用いて、異なる湿度に置かれたイオン交換膜２９のそれぞれについて小角散乱線図を求める。例えば、それらの小角散乱線図におけるピークの角度位置及び強度によって、イオン交換膜の分子構造（従って、イオン交換能力）の湿度変化に従った特性変化を評価する。イオン交換膜２９の周りの湿度は、水蒸気源６６、ガス源６８、ガス混合器６４、ガス導入管６１を有する湿度調節装置によって調節できる。
【選択図】 図５
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、イオン交換膜等といった有機物の性能を評価する評価方法に関する。また、本発明は、その評価方法に好適なＸ線測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、有機高分子材料を用いた各種の装置が産業界に提供されている。例えば、燃料電池の分野を見ると、有機高分子材料であるイオン交換膜が主たる構成要素として用いられている。この燃料電池は、例えば、図１２に示すように、一対の電極である燃料極５１と空気極５２とによってイオン交換膜２９を挟み、燃料電極５１側から燃料である水素（Ｈ２）を供給し、空気電極５２側から酸素（Ｏ２）を供給する構成となっている。
【０００３】
この燃料電池では、水素と酸素の化学反応により、
２Ｈ２＋Ｏ２→２Ｈ２Ｏ＋電気＋熱
という、水の電気分解の逆反応に相当する電気化学反応が生じ、これにより、電気を得ている。なお、同時に発生する熱は、冷却水を循環させる等といった適宜の冷却方法によって吸収できる。
【０００４】
この燃料電池で用いるイオン交換膜２９は、例えば、図１０（ｃ）に示すように、間隔ｄ０で並ぶ複数の直鎖５４と、それらの直鎖５４から延びる複数の側鎖５６との合成によって形成されている。イオン交換膜として広く知られているナフィオン（商品名：デュポン社製）を例に採れば、直鎖５４及び側鎖５６のそれぞれの分子構造は、図１１に示すような化学構造となっている。
【０００５】
この分子構造では、直鎖５４はテフロン（登録商標）基であり、側鎖５６は複数の官能基を連結することによって形成されている。図示のものから適宜の官能基を選択して除去したり、図示の官能基の一部を別の官能基で置換したり、あるいは、新たな官能基を図示のものへ加えたりすることにより、イオン交換膜の分子構造、従ってイオン交換膜の性能を種々に変化させることができる。
【０００６】
イオン交換膜２９がこのような分子構造を有することにより、図１０（ｂ）において、イオン交換膜２９は陽子Ｈ＋ を通過させ、電子ｅ− やガスは通過させない機能、すなわちイオン交換機能を奏する。この場合、イオン交換能力が高ければ燃料電池としての能力が高くなるのであるが、このイオン交換能力は図１０（ｃ）の分子構造、より具体的には、直鎖間距離ｄ０や側鎖５６の配列状態等の影響を受けて変化すると考えられる。
【０００７】
このため、イオン交換膜等といった有機高分子材料の能力を知るためには、その有機高分子材料の分子構造を評価するのが良いと考えられている。このように有機高分子材料の分子構造を評価する方法として、従来、ＮＭＲ（Ｎｕｃｌｅａｒ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ：核磁気共鳴装置）やＩＲ（Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｓｐｅｃｔｒｏｐｈｏｔｏｍｅｔｅｒ：赤外分光光度計）が知られている。
【０００８】
ＮＭＲは、核の磁気モーメントを持っている原子に電磁波を加えたときに当該磁気モーメントの運動の振幅が変化する現象、すなわち核磁気共鳴の現象を利用して、試料の分子構造等を評価する方法である。また、ＩＲは、物質を透過する赤外線の強さを縦軸に、そして当該赤外線の波長を横軸にとって記録された赤外線吸収スペクトルから試料の分子構造等を評価する方法である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記ＮＭＲ測定及び上記ＩＲ測定では、簡単な測定装置によって正確な測定を行うのが難しかった。また、イオン交換膜等といった有機高分子材料が実際に使用される環境下、例えば加湿及び加温状態下、での測定は不可能であった。このような事情があるため、現在のところ、イオン交換膜等といった有機高分子膜については、ｉｎ−ｓｉｔｕ（インサイテュー）測定、すなわち使用環境下での測定を行って分子構造を評価することは行われていない。
【００１０】
本発明は、上記の問題点に鑑みて成されたものであって、広く一般的に用いられている装置によって有機高分子材料、例えばイオン交換膜の分子構造を正確に評価できるようにすることを目的とする。
【００１１】
また、本発明は、特に、湿度が変化するような条件下で使用される物質のｉｎ−ｓｉｔｕ測定を可能とすることを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
（１） 上記の目的を達成するため、本発明に係るイオン交換膜の評価方法は前記イオン交換膜の周りの湿度を変化させる工程と、入射Ｘ線の光軸を中心とする小角度領域における散乱Ｘ線を検出できるＸ線測定装置を用いて前記イオン交換膜に関する異なる湿度条件においてイオン交換膜の小角散乱線図を求める工程とを有することを特徴とする。
【００１３】
小角散乱線図とは、例えば図７に示すに示すように、一方の軸に散乱角度（２θ）をとり、他方の軸に散乱線強度をとったグラフ上に表される測定結果の線図Ｇのことである。また、図８における線図Ｈも小角散乱線図である。
【００１４】
上記構成のイオン交換膜の評価方法によれば、広く一般的に用いられている装置であるＸ線測定装置を用いるだけで、イオン交換膜の分子構造を正確に評価できる。また、Ｘ線測定装置は、試料に対して付帯機器を設備することに関してＮＭＲ装置やＩＲ装置に比べて自由度が高いので、試料に関する分子構造の評価を当該試料を実際の使用環境下に置いた状態で行うことができる。
【００１５】
また、上記構成のイオン交換膜の評価方法によれば、イオン交換膜の周りの湿度を変化させる工程を実施することにしたので、湿度が変化するような条件下で使用される物質のｉｎ−ｓｉｔｕ測定を行うことができる。例えば、図７に示す湿潤状態下と、図８に示す乾燥状態下におけるイオン交換膜の能力の変化を知ることができる。
【００１６】
（２） 上記構成のイオン交換膜の評価方法においては、前記複数の小角散乱線図におけるピーク位置の違い及び／又はピーク強度の違いを求める工程とを有することが望ましい。この工程は、測定者の目視によって行っても良いし、コンピュータの演算部によって処理しても良い。
【００１７】
複数のイオン交換膜間で小角散乱線図におけるピーク位置の違いを求めれば、それらのイオン交換膜の分子構造が解明できる。そして、これにより、複数のイオン交換膜間におけるイオン交換能力の違いを評価できる。
【００１８】
また、複数のイオン交換膜間で小角散乱線図におけるピーク強度の違いを求めれば、イオン交換膜の分子構造における側鎖の数や構造の規則性が解明できる。そして、これにより、複数のイオン交換膜間におけるイオン交換能力の違いを評価できる。
【００１９】
（３） 上記構成のイオン交換膜の評価方法において、イオン交換膜の周りの湿度を変化させる前記工程は、試料室の中に前記イオン交換膜を入れ、さらに湿度を有するガスを当該試料室に流すことにより行うことが望ましい。この場合、試料室はガスが流れる部分以外の部分は気密であることが望ましい。この構成によれば、イオン交換膜を希望の湿度下に簡単に置くことができる。
【００２０】
（４） 上記構成のイオン交換膜の評価方法において、前記小角散乱線図を求める工程は、前記イオン交換膜に関して２次元Ｘ線検出器を用いて２次元散乱図形を求める工程を有することが望ましい。
【００２１】
ここで、２次元Ｘ線検出器とは、Ｘ線を平面領域内で受光してその平面領域内の各点においてＸ線を検出できる構造のＸ線検出器であり、例えば、Ｘ線乾板、Ｘ線フィルム、蓄積性蛍光体を用いたＸ線検出器、面状のＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）センサを用いたＸ線検出器等によって構成できる。
【００２２】
蓄積性蛍光体とは、輝尽性蛍光体とも呼ばれるエネルギ蓄積型の放射線検出器であり、輝尽性蛍光物質、例えばＢａＦＢｒ：Ｅｒ２＋の微結晶を可撓性フィルム、平板状フィルム、その他の部材の表面に塗布等によって成膜したものである。この蓄積性蛍光体は、Ｘ線等といった電磁波をエネルギの形で蓄積することができ、さらにレーザ光等といった輝尽励起光の照射により、そのエネルギを外部に光として放出できる性質を有する物体である。
【００２３】
つまり、蓄積性蛍光体にＸ線等を照射すると、その照射された部分に対応する蓄積性蛍光体の内部にエネルギが潜像として蓄積され、さらにその蓄積性蛍光体にレーザ光等を照射すると上記の潜像エネルギが光となって外部へ放出される。そして、この放出された光を光電管等といった光電変換器によって検出することにより、潜像の形成に寄与したＸ線の回折角度及び強度を測定できる。
【００２４】
また、ＣＣＤセンサは、それ自体周知の電子素子であるＣＣＤ、すなわち電荷結合素子を直線的又は平面的に並べたＸ線検出器である。ＣＣＤは、例えばシリコン基板上に複数の電極を絶縁層を挟んで直線状又は面状に並べることによって形成された電極アレイを有し、この電極アレイをＸ線取込み口に対応して配置したものがＣＣＤセンサである。
【００２５】
電極アレイを構成する個々の電極に対応する位置にＸ線が当ると、当該電極の下に電荷が蓄積され、さらに電極と基板との間に電圧を次々に与えることにより、蓄積された電荷を転送して外部へ出力するものである。このＣＣＤ検出器によれば、電極アレイが延びる直線範囲内又は面範囲内にＸ線が入射したとき、そのＸ線入射位置及びＸ線強度の両方をほぼ同時に検出できる。
【００２６】
また、２次元散乱図形とは、例えば図９（ａ）及び図９（ｂ）に示すような、試料としてのイオン交換膜から発生するＸ線によって２次元Ｘ線検出器の検出面が露光されたときにその検出面上に形成される２次元的な像のことである。図７に示した小角散乱線図Ｇ及び図８に示した小角散乱線図Ｈは、図９（ａ）又は図９（ｂ）に示す２次元散乱図形Ｅにおける同一散乱角度（２θ）の領域を積分して得られる値をグラフ上にプロットすることによって得られる。
【００２７】
（５） 上記構成のイオン交換膜の評価方法において、前記Ｘ線測定装置は、前記イオン交換膜へ入射するＸ線の進行路上に配置されたＸ線集光手段を有することが望ましい。ここでＸ線集光手段は、発散しながら進行するＸ線を下流側の１点に集光させることができるＸ線光学要素のことであり、例えば、Ｘ線の反射を利用するコンフォーカルミラーや、Ｘ線の回折を利用するＸ線集光要素等が考えられる。
【００２８】
Ｘ線集光手段を使用しない一般的なＸ線光学系では、測定対象であるイオン交換膜へ供給されるＸ線は低強度である。これに対し、上記のようにＸ線集光手段を用いれば、Ｘ線を収束させてイオン交換膜へ供給することができるので、高強度のＸ線をイオン交換膜へ照射することができる。
【００２９】
Ｘ線強度が弱い一般的な構造のＸ線測定装置では、図９に示すような２次元散乱図形Ｅ、従って図７に示すような小角散乱線図Ｇを求めるために非常に長い時間を必要とする。これに対し、Ｘ線集光手段を用いることによって高強度のＸ線をイオン交換膜へ供給できるようにした上記のＸ線測定装置を用いれば、非常に短時間で２次元散乱図形Ｅを求めることができる。このことは、イオン交換膜に関してｉｎ−ｓｉｔｕ測定を行う場合に特に有利である。
【００３０】
イオン交換膜をｉｎ−ｓｉｔｕ測定する場合、例えば、イオン交換膜を液体、例えば水中に浸して湿潤状態にした上で、さらに９０℃程度の高温に加熱して測定を行う場合を考えると、水は９０℃では短時間に状態変化、例えば蒸発等するので、Ｘ線小角散乱測定の測定時間が長くかかると、実質的なｉｎ−ｓｉｔｕ測定を行うことが不可能である。
【００３１】
これに対し、高強度のＸ線をイオン交換膜へ照射することを可能とした本発明に係る評価方法によれば、同一環境を短時間しか維持できないような状態に置かれるイオン交換膜に関しても正確に測定を行うことが可能となる。
【００３２】
（６） 上記構成のイオン交換膜の評価方法において、前記Ｘ線集光手段はコンフォーカルミラーであることが望ましい。ここで、コンフォーカルミラーとは、共焦点ミラーのことであり、互いに交差する関係にある２つ以上のＸ線反射面を有し、それらのＸ線反射面で反射したＸ線が同じ又は略同じ焦点に集まるようになっているＸ線反射ミラーのことである。
【００３３】
（７） Ｘ線集光手段を用いた上記構成のイオン交換膜の評価方法において、前記Ｘ線測定装置はポイントフォーカスのＸ線源をさらに有することが望ましい。
【００３４】
ここで、ポイントフォーカスとはラインフォーカスとの対比で出てくる概念であり、ラインフォーカスが試料上に細長い断面形状のＸ線を照射するフォーカス形状であることに対し、ポイントフォーカスは試料上に縦横の長さが略等しい断面形状のＸ線を照射するフォーカス形状である。具体的には、例えば、ポイントフォーカスのＸ線源を用いることにより、試料の所で直径約０．３ｍｍ又は縦×横＝約０．３ｍｍ×約０．３ｍｍの断面形状のＸ線ビームを形成することができる。
【００３５】
ラインフォーカスのＸ線源を用いる場合には、イオン交換膜の微小領域にＸ線を照射する際、ラインフォーカスから発生する断面長方形状のＸ線のうち上記のイオン交換膜の微小領域に対応しない部分から発生したＸ線は測定に寄与しないで無駄に消費されることになり、その分、強度の強いＸ線をイオン交換膜に照射することに関して不利である。これに対し、ポイントフォーカスから発生する断面略正方形状のＸ線は、特にＸ線集光手段によってそのほぼ全部をイオン交換膜の微小領域に収束させることができるので、高強度のＸ線をイオン交換膜に照射することができる。
【００３６】
（８） 次に、本発明に係る有機物の評価方法は、有機物の性能を評価する方法において、前記有機物の周りの湿度を変化させる工程と、入射Ｘ線の光軸を中心とする小角度領域における散乱Ｘ線を検出できるＸ線測定装置を用いて前記有機物に関する異なる湿度条件において前記有機物の小角散乱線図を求める工程とを有することを特徴とする。ここで、有機物とは、イオン交換膜はもとより、その他に、薬品、ゲノム創薬、合成化合物等を含む。
【００３７】
この有機物の評価方法によれば、広く一般的に用いられている装置であるＸ線測定装置を用いるだけで、有機物の分子構造を正確に評価できる。また、Ｘ線測定装置は、試料に対して付帯機器を設備することに関してＮＭＲ装置やＩＲ装置に比べて自由度が高いので、有機物に関する分子構造の評価を当該有機物を実際の使用環境下に置いた状態で行うことができる。
【００３８】
また、上記構成の有機物の評価方法によれば、有機物の周りの湿度を変化させる工程を実施することにしたので、湿度が変化するような条件下で使用される物質のｉｎ−ｓｉｔｕ測定を行うことができる。
【００３９】
（９） 上記構成の有機物の評価方法においては、前記複数の小角散乱線図におけるピーク位置の違い及び／又はピーク強度の違いを求める工程を有することが望ましい。
【００４０】
複数の有機物間で小角散乱線図におけるピーク位置の違いを求めれば、それらの有機物の分子構造を解明できる。そして、これにより、複数の有機物間における性質の違いを評価できる。また、複数の有機物間で小角散乱線図におけるピーク強度の違いを求めれば、有機物の分子構造における側鎖の数や構造の規則性が解明できる。そして、これにより、複数の有機物間における性質の違いを評価できる。
【００４１】
（１０） 上記構成の有機物の評価方法において、有機物の周りの湿度を変化させる前記工程は、試料室の中に前記有機物を入れ、さらに湿度を有するガスを当該試料室に流すことにより行うことが望ましい。この場合、試料室はガスが流れる部分以外の部分は気密であることが望ましい。この構成によれば、イオン交換膜を希望の湿度下に簡単に置くことができる。
【００４２】
（１１） 上記構成の有機物の評価方法において、前記小角散乱線図を求める工程は、前記有機物に関して２次元Ｘ線検出器を用いて２次元散乱図形を求める工程を有することが望ましい。有機物について図９のような２次元散乱図形Ｅを求めれば、その２次元散乱図形Ｅの違いに応じて、有機物の分子構造の違い、従って有機物の能力の違いを評価できる。
【００４３】
（１２） 上記構成の有機物の評価方法において、前記Ｘ線測定装置は、前記有機物へ入射するＸ線の進行路上に配置されたＸ線集光手段を有することが望ましい。この構成によれば、高強度のＸ線を有機物へ照射でき、それ故、同一環境を短時間しか維持できないような状態に置かれる有機物に関しても正確に測定を行うことが可能となる。
【００４４】
（１３） 上記構成の有機物の評価方法において、前記Ｘ線集光手段はコンフォーカルミラーによって構成することができる。
【００４５】
このようにコンフォーカルミラーを用いれば、Ｘ線を収束させて試料すなわち有機物へ供給することができるので、高強度のＸ線を有機物へ照射することができる。この結果、非常に短時間の間に有機物についての２次元散乱図形を求めることができる。このことは、有機物に関してｉｎ−ｓｉｔｕ測定を行う場合に特に有利である。
【００４６】
（１４） Ｘ線集光手段を用いた上記構成の有機物の評価方法において、前記Ｘ線測定装置はポイントフォーカスのＸ線源をさらに有することが望ましい。ポイントフォーカスから発生する断面略正方形状のＸ線は、特にＸ線集光手段によってそのほぼ全部を有機物の微小領域に収束させることができるので、高強度のＸ線を有機物に照射することができる。
【００４７】
（１５） 次に、本発明に係るＸ線測定装置は、入射Ｘ線の光軸を中心とする小角度領域における散乱Ｘ線を検出できるＸ線小角光学系と、前記Ｘ線小角光学系を用いて測定した小角散乱線図のピーク位置を演算する手段と、演算されたピーク位置を小角散乱線図と共に表示する手段とを有することを特徴とする。このＸ線測定装置によれば、小角散乱線図のピーク位置を極めて簡単に且つ正確に認識でき、よって、評価を簡単且つ迅速に行うことができる。
【００４８】
（１６） 上記構成のＸ線測定装置においては、試料を収容すると共にＸ線を通過させることができる試料室と、該試料室内の湿度を変化させる湿度調節手段とを有することが望ましい。この構成のＸ線測定装置によれば、試料の周りの湿度を希望に応じて変化させることができるので、湿度が変化するような条件下で使用される物質のｉｎ−ｓｉｔｕ測定を行うことができる。
【００４９】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
以下、本発明に係るイオン交換膜の評価方法、従って有機物の評価方法の実施形態及び本発明に係るＸ線測定装置の実施形態を説明する。なお、この実施形態は本発明の一例であって、本発明を限定するものではない。
【００５０】
図１はＸ線測定装置を構成する１つの要素であるＸ線小角光学装置１を示している。また、図２は、Ｘ線測定装置を構成する他の要素である読取り装置２を示している。これらの装置は、通常、一人の作業者が大きく移動することなく取り扱うことのできる領域内に設置される。なお、ここに示すＸ線小角光学装置１及び読取り装置２は本発明に係るイオン交換膜の評価方法を実施できる装置の一例であり、ここに示した装置以外の装置でもその評価方法を実施できるものがあることはもちろんである。
【００５１】
図１において、Ｘ線小角光学装置１は、Ｘ線源３を備えたＸ線管４と、Ｘ線源３から発生したＸ線を１つの焦点に収束させるＸ線集光手段としてのコンフォーカルミラー６と、第１スリット７と、第２スリット８と、第３スリット９と、試料支持装置１１と、２次元Ｘ線検出器１２とを有する。２次元Ｘ線検出器１２は、本実施形態では、Ｘ線検出面に面状の蓄積性蛍光体を有する蓄積性蛍光体プレートを用いるものとする。
【００５２】
図３は、図１に示す光学系におけるＸ線の進行の様子を模式的に示している。図３において、図１と同じ符号は同じ要素を示している。図３に示すように、コンフォーカルミラー６は、互いに交差する関係にある２つのＸ線反射面６ａ及び６ｂを有し、それらのＸ線反射面で反射したＸ線が同じ又は略同じ焦点ｆに集まるようになっているＸ線反射ミラーである。
【００５３】
このコンフォーカルミラー６は、例えば、Ｘ線を反射することのできる材料、例えばニッケル、白金、タングステン等によって単層構造として形成することができる。あるいは、コンフォーカルミラー６は、Ｘ線反射面上に複数の薄膜を積層して多層膜を形成することにより、Ｘ線の回折を利用して全体としてＸ線を反射させる構造とすることもできる。
【００５４】
図１において、第１スリット７と第２スリット８との間には管１３が配設され、第２スリット８と第３スリット９との間には管１４が配設され、さらに、試料支持装置１１の下流側（すなわち、図１の左側）には管１６が配設される。２次元Ｘ線検出器１２は、管１６の内部の端部に配設される。また、これらの管１３、１４及び１６は図示しない真空装置に接続され、それらの内部は真空又は真空に近い減圧状態に減圧される。
【００５５】
本実施形態のＸ線小角光学装置１では、試料支持装置１１によって支持される試料１７から発生する散乱線を検出することが目的であるが、この散乱線の強度は非常に小さい。上記のように管１３，１４，１６によって真空パスを形成するのは、Ｘ線の空気散乱によって目標とする試料１７からの散乱線が乱されることを防止するためである。
【００５６】
本実施形態で用いるＸ線管４は、迅速な測定を可能とするため、できるだけ強度の高いＸ線を発生できるものが望まれる。そのため本実施形態では、図４に示すように、冷却機構を内蔵すると共に高速回転が可能であるロータターゲット１８と、該ターゲット１８との間で高電圧を印加できるフィラメント１９とによって構成する。
【００５７】
フィラメント１９は通電によって発熱して熱電子を放出する。放出された熱電子はフィラメント１９とターゲット１８との間に印加された高電圧によって加速されてターゲット１８の表面に衝突する。この衝突する領域がＸ線焦点Ｆであり、このＸ線焦点ＦからＸ線が発生する。すなわち、このＸ線焦点ＦがＸ線源３となる。本実施形態では、Ｘ線源３からポイントフォーカスのＸ線を取り出すことにする。
【００５８】
一般に、Ｘ線焦点Ｆは長方形状であり、本実施形態ではその長方形状の短辺側からＸ線を取り出す。すなわち、Ｘ線焦点Ｆの短辺側に設けたＸ線取出し窓２１からＸ線をＸ線管４の外部に取り出すことにする。このため、取り出されたＸ線Ｒはその断面Ｄが正方形、略正方形、円形又は略円形になる。このようなＸ線の取り出し方が行われるとき、Ｘ線焦点ＦはポイントフォーカスのＸ線焦点と呼ばれる。
【００５９】
因みに、Ｘ線焦点ＦからのＸ線の取り出し方としては、そのＸ線焦点Ｆの長辺側からＸ線を取り出す方法もある。この場合には、取り出されたＸ線の断面は長方形となり、このようなＸ線の取り出し方が行われるとき、Ｘ線焦点ＦはラインフォーカスのＸ線焦点と呼ばれる。
【００６０】
本実施形態のＸ線管４では、その内部が真空又は真空に近い減圧状態に減圧される。そして、ターゲット１８が軸Ｘ０を中心として高速で回転され、さらにターゲット１８の内部に冷却水が流される。この高速回転及び冷却水の通水により、ターゲット１８の表面が冷却される。以上により、Ｘ線焦点Ｆに多量の電子を供給でき、よって、Ｘ線焦点Ｆから高強度のＸ線を発生できる。なお、ターゲット１８の表面は、例えばＣｕ（銅）によって形成する。
【００６１】
図１におけるＸ線光学系で用いるスリットには、長方形状のスリットや、円形状のスリット（すなわち、ピンホール）等が用いられるが、本実施形態では、図３に示すように、第１スリット７、第２スリット８、第３スリット９はピンホールを有するスリットとして形成されている。これらのピンホールは、ポイントフォーカスのＸ線源３とコンフォーカルミラー６とを用いる場合のスリットとして好適である。
【００６２】
図１に示した試料支持装置１１は、図５に示すように、その内部に、試料加熱手段としての一対のヒートプレート２２ａ及び２２ｂを有する。これらのヒートプレート２２ａ及び２２ｂは、詳しくは図示しない開閉機構によって互いに開閉可能に、具体的には、矢印Ａのように開移動でき、さらに矢印Ｂのように閉移動できる。なお、試料加熱手段としては、図示した構造のヒートプレート２２ａ及び２２ｂに限られず、他の任意の加熱構造を採用できる。
【００６３】
ヒートプレート２２ａ及び２２ｂの一方又は両方には通電によって発熱する発熱体、例えば電熱線が収容されている。温度制御回路２３は、その発熱体への通電量を制御することによりヒートプレート２２ａ及び／又は２２ｂの発熱量を制御する。なお、ヒートプレート２２ａ及び／又は２２ｂは、少なくともその内面が発熱面である。
【００６４】
ヒートプレート２２ａ及び２２ｂは、それらの内面、すなわち発熱面が試料室構造体２４に直接に面接触するようにして、当該試料室構造体２４を挟持する。望ましくは、バネ等といった弾性力付勢手段のバネ力、すなわち弾性力によって試料室構造体２４を動かないようにしっかりと支持する。
【００６５】
試料室構造体２４は、リング状の厚み部材２６と、その厚み部材２６の両面に接着される遮蔽部材２７ａ及び２７ｂとを有する。厚み部材２６は、例えば真鍮によって適宜の厚さ、例えば１ｍｍ程度に形成される。さらに、遮蔽部材２７ａ及び２７ｂは、Ｘ線を透過可能で、しかも機械的強度が高い材料、例えばマイラー（商品名）等といったポリエチレンテレフタラートや、カプトン（商品名）等といったポリイミド等によって、変形自在なフィルム状に形成されている。図では遮蔽部材２７ａ及び２７ｂを円形状に描いてあるが、その形状は方形状、あるいはその他の任意の形状とすることができる。
【００６６】
上記のような遮蔽部材２７ａ及び２７ｂは、これらを矢印Ｃのように厚み部材２６の表面に当てると、自然にその表面に密着する性質を持っている。また、適宜の接着剤によって遮蔽部材２７ａ及び２７ｂを厚み部材２６の表面に接着するようにしても良い。このように遮蔽部材２７ａ及び２７ｂを厚み部材２６の表面に密着させると、厚み部材２６の内部に外部から気密に隔離された試料室２８が形成される。
【００６７】
厚み部材２６の外周側面にはガス導入管６１が設けられる。このガス導入管６１は、厚み部材２６の外部と試料室２８とをつないでいる。また、厚み部材２６の外周側面の別の個所にはガス排出管６２が設けられる。このガス排出管６２も、厚み部材２６の外部と試料室２８とをつないでいる。また、ガス導入管６１には湿度センサ６３が設けられる。
【００６８】
湿度センサ６３は、ガス導入管６１の中を流れるガスの湿度を検出し、それを電気信号として出力する。湿度センサ６３の出力信号は、例えば、ＣＲＴ（Ｃａｔｈｏｄｅ Ｒａｙ Ｔｕｂｅ）表示装置やフラットパネルディスプレイ等といった映像表示装置によって湿度の数値として表示されたり、あるいは、ガス導入管６１を流れるガスの湿度を調節するための基準として用いられたりする。
【００６９】
ガス導入管６１にはガス混合器６４が接続され、さらにこのガス混合器６４の一方の入力ポートには水蒸気発生源６６から延びる管６７が接続され、他方の入力ポートにはガス源６８から延びる管６９が接続されている。このガス混合器６４は、水蒸気発生源６６から供給される水蒸気と、ガス源６８から供給されるガス、例えば窒素（Ｎ２ ）ガスを混合してガス導入管６１へ送るように作用する。ガス導入管６１へ送られた湿度を有するガスは、試料室２８を通過してガス排出管６２を通って外部へ排出される。
【００７０】
ガス混合器６４は、その内部に設けた弁の調節により、水蒸気とガスの混合比を調節でき、これにより、ガス導入管６１従って試料室２８へ供給するガスの湿度を調節できる。なお、ガス混合器６４における弁の調節は、ガス混合器６４の本体部分に一体に設けたツマミの操作によって行ったり、あるいは、ガス混合器６４の本体部分から遠く離れた所に置いたツマミによって遠隔操作したりできる。
【００７１】
本実施形態では、両方の遮蔽部材２７ａ及び２７ｂを厚み部材２６に密着させる前に、試料室２８の中に測定対象である試料１７としてのイオン交換膜２９を入れる。そして、それらを入れた後に遮蔽部材２７ａ及び２７ｂを厚み部材２６に密着させて、イオン交換膜２９を収容した試料室２８を形成する。なお、イオン交換膜２９は実際に使用される形状及び大きさのものではなく、その切片である。
【００７２】
試料室２８の中にイオン交換膜２９を入れ、遮蔽部材２７ａ及び２７ｂで試料室２８を密封した後、ガス導入管６１を通して試料室２８の中にガスを導入すれば、イオン交換膜２９をガスが保有する湿度の環境下に置くことができる。つまり、本実施形態では、水蒸気源６６、ガス源６８、ガス混合器６４、そして試料室２８によって湿度調節手段が構成されている。
【００７３】
イオン交換膜２９を燃料電池の構成要素として用いる場合を考えると、そのイオン交換膜２９は湿潤状態で使用されることが考えられる。このことに鑑み、イオン交換膜２９に関しては、それが乾燥状態下にあるときの特性から、徐々に湿度が上がって湿潤状態、すなわち湿度１００％の状態になるまでの間の、そのイオン交換膜２９の特性の変化を知りたい場合がある。本実施形態のように、試料室２８及びそれに付属する上記の湿度調節手段を用いれば、そのような湿度変化に対応するイオン交換膜２９の特性変化を測定によって知ることができる。
【００７４】
さらに、試料室２８を構成する試料室構造体２４は、ヒートプレート２２ａ及び２２ｂに挟持されることにより、それらのヒートプレート２２ａ及び２２ｂが発熱したときに加熱される。そして、その加熱により、試料室２８に収容されたイオン交換膜２９が加熱される。
【００７５】
イオン交換膜２９が燃料電池の構成要素として用いられる場合、そのイオン交換膜２９は電気化学反応に従って発生する熱によって加熱される。従って、上記のようにヒートプレート２２ａ及び２２ｂによってイオン交換膜２９を加熱すれば、そのイオン交換膜２９を希望の温度環境下、あるいは実際の使用温度状態に置くことができる。例えば、イオン交換膜２９を燃料電池に用いる場合を考えれば、イオン交換膜２９は、室温〜１００℃の間の温度に加熱されると思われる。ヒートプレート２２ａ及び２２ｂによって構成される加熱手段を用いれば、試料室２８内のイオン交換膜２９を希望の温度環境下に置くことができる。
【００７６】
なお、ヒートプレート２２ａ及び２２ｂの略中央には貫通穴３１が設けられている。これらのうちの一方は、イオン交換膜２９へ入射するＸ線を通過させるためのものであり、他方は、イオン交換膜２９から発生した散乱線を通過させるためのものである。
【００７７】
図２に示す読取り装置２は、読取り機構部３２と、処理部３３とを有する。読取り機構部３２は、所定の読取り位置に置かれた読取り対象、すなわち蓄積性蛍光体プレート１２を輝尽励起光、例えばレーザ光でＸ方向に主走査すると共にＹ方向に副走査して、面状に走査することにより、蓄積性蛍光体プレート１２の内部に蓄積されたエネルギ潜像を読み取る。
【００７８】
また、処理部３３は、制御部及び演算部として機能するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）３４と、テンポラリファイル等といった一時的な記憶場所等として機能するＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）３６と、変更の必要の無い固定情報等のための記憶場所として機能するＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）３７とを有する。これらの各要素は、アドレスバス、データバス等といったバス３９によって接続されている。
【００７９】
また、処理部３３は、ハードディスク、ＣＤ（Ｃｏｍｐａｃｔ Ｄｉｓｃ）等といった外部記憶媒体によって構成されるメモリ３８を有する。このメモリ３８内には、読取り処理を実行するためのプログラムソフトを記憶する記憶領域や、その他の各種の記憶領域が設定される。また、読取り機構部３２の出力端子にはＸ線強度演算回路４１が接続される。
【００８０】
このＸ線強度演算回路４１は、読取り機構部３２の出力信号に基づいて、蓄積性蛍光体プレート１２に形成されたエネルギ潜像の形成に寄与したＸ線の強度を演算する。また、ＣＰＵ３４は、読取り機構部３２によって読み取られている蓄積性蛍光体プレート１２の座標位置を常時、監視する。こうして、ＣＰＵ３４及びＸ線強度演算回路４１により、蓄積性蛍光体プレート１２に蓄積された潜像データに基づいて、図３の試料１７すなわちイオン交換膜２９から発生する散乱線の散乱角度及び強度を演算する。
【００８１】
図２に戻って、処理部３３には、映像データ生成回路４２を介して映像表示装置４３が接続される。また、印字データ生成回路４４を介して印字装置４６が接続される。映像表示装置４３としては、ＣＲＴ（Ｃａｔｈｏｄｅ Ｒａｙ Ｔｕｂｅ）ディスプレイや、フラットパネルディスプレイ等といった各種の映像表示機器を適用できる。なお、フラットパネルディスプレイとしては、液晶ディスプレイ、ＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）ディスプレイ、プラズマディスプレイ、その他各種の平面構造の表示機器がある。また、印字装置４６は、インク塗布方式や静電転写方式等といった各種方式のプリンタによって構成できる。
【００８２】
以下、上記構成より成るＸ線測定装置を用いて行われるイオン交換膜の評価方法、すなわち有機物の評価方法を説明する。なお、本実施形態では、イオン交換膜２９の周りの湿度を乾燥状態（湿度０％）と湿潤状態（湿度１００％）との間で変化させて測定を行うものとする。
【００８３】
まず、乾燥状態における測定について説明する。図５において、試料室構造体２４の試料室２８の中に評価対象であるイオン交換膜２９を入れ、その試料室構造体２４をヒートプレート２２ａ及び２２ｂで挟持する。これにより、図１の試料支持装置１１内の所定の位置にイオン交換膜２９が設置される。その後、試料室２８へのガスの通流を止めるか、あるいは、試料室２８へ乾燥ガスを流すことにより、イオン交換膜２９を試料室２８の中で乾燥状態に置く。
【００８４】
本実施形態の評価方法を実行する際、室温は２５℃であったものとする。また、ヒートプレート２２ａ及び２２ｂの発熱により、試料室２８内のオン交換膜２９の温度は、８０℃、１２０℃、１５０℃、２００℃、２３０℃、２７０°、３００℃、３３０℃の各温度に変化するように設定した。
【００８５】
上記の各温度において、図１のＸ線小角光学装置１及び図２の読取り装置２を用いて測定を行った。具体的には、図１において、Ｘ線源３からＸ線を発生させ、そのＸ線をイオン交換膜２９に照射し、そのときにイオン交換膜２９で発生した散乱線によって蓄積性蛍光体プレート１２を露光して、該蓄積性蛍光体プレート１２にエネルギ潜像を蓄積させた。
【００８６】
より具体的には、図３において、Ｘ線源３から高強度のＸ線をポイントフォーカスの状態で発生させ、そのＸ線をコンフォーカルミラー６によって焦点ｆに収束するように集光させる。また、第１スリット７及び第２スリット８のダブルスリット構造により、Ｘ線の収束状態を安定な状態に設定し、さらに、第２スリット８で発生する寄生散乱線がイオン交換膜２９や蓄積性蛍光体プレート１２に当ることを第３スリット９によって防止する。
【００８７】
第３スリット９を通過したＸ線がイオン交換膜２９に入射すると、図６において、そのイオン交換膜２９の分子構造に応じた散乱角度２θの所に当該分子構造に応じた強度の散乱線が発生する。そして、この散乱線が当った部分の蓄積性蛍光体プレート１２に散乱線の強度に対応したエネルギ潜像が蓄積される。
【００８８】
なお、図６において、ダイレクトビームＲＤが当る部分Ｘ０の蓄積性蛍光体プレート１２の前にはダイレクトビームストッパ４７が配設され、ダイレクトビームＲＤが蓄積性蛍光体プレート１２に直接に当ることを防止している。また、Ｘ１で示す領域は、図３の第２スリット８で発生した寄生散乱線が第３スリット９によって阻止できなくて、蓄積性蛍光体プレート１２に到達してしまう領域を示している。
【００８９】
つまり、蓄積性蛍光体プレート１２における領域Ｘ０及び領域Ｘ１は、ダイレクトビームや寄生散乱線に邪魔されて、イオン交換膜２９からの散乱線を測定できない領域である。従って、本実施形態のＸ線小角光学装置１によって測定される小角領域は、図６のＸ１よりも外側の２θ領域であり、具体的には、０．１°〜５°の角度領域、望ましくは０．１°〜４°の角度領域である。
【００９０】
このような小角領域における散乱線の測定は、Ｘ線をスリット７，８，９によって極めて小さく絞った上で、さらにカメラ長Ｌを長くして行わなければならないので、一般的な広角ゴニオメータを用いて行われるＸ線測定では実現できない。また、Ｘ線を小さく絞る関係上、イオン交換膜２９に入射するＸ線の強度が低くなるので、測定のために長時間を必要とする傾向にある。
【００９１】
しかしながら、本実施形態では、図３に示すように、Ｘ線源３から出たＸ線をコンフォーカルミラー６で集光するようにしたので、さらには、Ｘ線源３からポイントフォーカスのＸ線を取り出すようにしたので、従来に比べて高強度のＸ線をイオン交換膜２９に入射させることができる。このように高強度のＸ線をイオン交換膜２９に入射させることができるので、本実施形態では、極短時間、例えば２０分程度で蓄積性蛍光体プレート１２上に十分な強度の散乱線を得ることができ、そのような短時間で測定を完了できる。
【００９２】
１つの測定温度における小角散乱測定が終わると、蓄積性蛍光体プレート１２には、例えば図９（ａ）や図９（ｂ）に示すような２次元散乱図形Ｅがエネルギ潜像として形成される。
【００９３】
従って、図２の映像表示装置４３や印字装置４６によって図９の２次元散乱図形Ｅを表示して、それを観察すれば、イオン交換膜２９に関する分子粒ユニット単位での分子構造の揃い具合、具体的には、分子粒ユニット単位での直鎖５４及び側鎖５６の揃い具合を評価できる。
【００９４】
さて、図１又は図３において、イオン交換膜２９に関する１つの測定温度における蓄積性蛍光体プレート１２への散乱線の露光処理が終わって、その蓄積性蛍光体プレート１２内に散乱線による潜像が形成されると、その蓄積性蛍光体プレート１２は図１のＸ線小角光学装置１から取り外されて、図２の読取り装置２の読取り機構部３２に対する所定の読取り位置に置かれる。そして、この読取り機構部３２による読取り走査により、図９の２次元散乱図形Ｅから散乱線の散乱角度（２θ）及び強度が測定される。
【００９５】
図２のＣＰＵ３４は、測定された散乱角度（２θ）及び散乱線強度をＲＡＭ３６又はメモリ３８内の所定の記憶場所に、例えば、データテーブルの形で記憶する。このデータは、必要に応じて、映像表示装置４３や印字装置４６によって図８のようなグラフ上に小角散乱線図Ｈとして表示される。このグラフは、横軸に散乱角２θをとり、縦軸にＸ線強度をとっている。
【００９６】
例えば、図１においてイオン交換膜２９を室温（２５℃）に保持して測定を行えば、図８のグラフ上にＨ（２５℃）で示すような小角散乱線図が表示される。また、イオン交換膜２９の温度を、図１の温度制御回路２３の制御によって、８０℃、１２０℃、１５０℃、２００℃、２３０℃、２７０°、３００℃、３３０℃のように変化させ、それらの各温度条件において、図１のＸ線小角光学装置１を用いて蓄積性蛍光体プレート１２に２次元散乱図形Ｅ（図９参照）を形成し、さらにその２次元散乱図形Ｅを図２の読取り装置２によって読み取れば、ＣＰＵ３４の演算処理により、図８のグラフ上に各温度に対応する小角散乱線図Ｈ（８０℃）、Ｈ（１２０℃）、Ｈ（１５０℃）、Ｈ（２００℃）、Ｈ（２３０℃）、Ｈ（２７０℃）、Ｈ（３００℃）、Ｈ（３３０℃）を表示することができる。
【００９７】
図８のグラフを観察する者は、乾燥状態でイオン交換膜２９の温度を変化させたときの小角散乱線図Ｈにおけるピーク位置の変化及びピーク強度の変化を識別できる。このような、ピーク位置の変化及びピーク強度の変化は、イオン交換膜２９の温度が乾燥状態下で変化するときに、図１０（ｃ）及び図１１に示すイオン交換膜の分子構造がその温度変化に従って変化することに起因していると考えられる。従って、観察者は、図８の小角散乱線図Ｈにおけるピーク位置の変化及び／又はピーク強度の変化を評価することにより、乾燥状態下でのイオン交換膜２９の分子構造を評価できる。
【００９８】
次に、湿潤状態、すなわち湿度１００％における測定について説明する。湿潤状態は、図５において、ガス混合器６４の操作によって水蒸気源６６から多量の水蒸気を取込み、その水蒸気を全て試料室２８へ供給する。これにより、試料室２８内を湿度１００％に設定する。
【００９９】
本実施形態の評価方法を実行する際、室温は２６℃であったものとする。また、ヒートプレート２２ａ及び２２ｂの発熱により、試料室２８内のオン交換膜２９の温度は、５０℃、６０℃、７０℃、８０℃、９０℃、１００℃、１１０℃、１２０℃、１３０℃の各温度に変化するように設定した。
【０１００】
上記の各温度において、図１のＸ線小角光学装置１及び図２の読取り装置２を用いて測定を行ったところ、図７のグラフにおいて符号Ｇで示すような小角散乱線図がそれぞれの温度条件下で求められた。図７における小角散乱線図Ｇと図８における小角散乱線図Ｈは、同じイオン交換膜２９に関して環境条件を乾燥状態と湿潤状態との間で変化させたときの、小角散乱線図の変化の様子を示している。
【０１０１】
なお、本実施形態では、乾燥状態（すなわち、湿度０％）と湿潤状態（湿度１００％）との間で、小角散乱線図を比較したが、必要な場合には、図５に示すガス混合器６４によるガスへの水蒸気の混合量を調節することにより、試料室２８内の湿度を０％や１００％以外の希望する任意の湿度値に設定することができる。これにより、希望する任意の湿度下におけるイオン交換膜２９の分子構造を評価できる。
【０１０２】
湿度変化によるピーク位置とピーク強度を比較すれば、湿潤状態に至らずとも十分な性能を発揮できる条件を検証することができる。これにより、燃料電池の小型軽量化に寄与することが出来る。
【０１０３】
さて、図２のＣＰＵ３４は、図７において、各小角散乱線図Ｇ（２６℃）からＧ（１３０℃）のそれぞれのピークＰを、散乱角度２θの値をもってピーク位置として演算すると共に、散乱線強度の値をもってピーク強度として演算する。そして、ＣＰＵ３４は、演算によって特定された各小角散乱線図Ｇに対するピークＰを、例えば図７に示すようなドット表示によって小角散乱線図Ｇと共に表示する。
【０１０４】
以上の処理により、図７のグラフを観察する者は、湿度１００％の状態でイオン交換膜２９の温度を変化させたときの小角散乱線図Ｇにおけるピーク位置の変化及びピーク強度の変化を容易に識別できる。このような、ピーク位置の変化及びピーク強度の変化は、イオン交換膜２９の温度が湿度１００％の下で変化するときに、図１０（ｃ）及び図１１に示すイオン交換膜の分子構造がその温度変化に従って変化することに起因している訳であり、従って、観察者は、図７の小角散乱線図Ｇにおけるピーク位置の変化及び／又はピーク強度の変化を評価することにより、イオン交換膜２９の分子構造を評価できるということである。
【０１０５】
例えば、燃料電池に使用されるイオン交換膜２９の使用温度は室温〜１００℃未満程度の間の温度であると考えられる。特に、現在最も使用頻度の高い８０℃〜９０℃では、図７におけるＧ（８０℃）及びＧ（９０℃）の小角散乱線図を参照することにより、イオン交換膜２９の実際の使用状態における分子構造を評価できる。換言すれば、測定に供されたイオン交換膜２９の実際の使用状態におけるイオン交換能力を小角散乱線図Ｇ（８０℃）及びＧ（９０℃）によって評価できる。
【０１０６】
なお、本発明者の観察によれば、図７の小角散乱線図Ｇのピーク位置を知れば、イオン交換膜２９の分子構造を解明することができ、他方、小角散乱線図Ｇのピーク強度を知れば、イオン交換膜２９の分子構造における側鎖５６の数や構造の規則性が解明できる。
【０１０７】
以上の説明から明らかなように、図１のＸ線小角光学装置１及び図２の読取り装置２から成るＸ線測定装置を用いてイオン交換膜２９に対して図７の小角散乱線図Ｇを求めれば、実際の使用状態の下でのイオン交換膜の性能、例えばイオン交換能力を正確に評価できる。ＮＭＲ測定やＩＲ測定等といった従来の評価方法では、実際の使用状態下でのイオン交換膜の評価は困難であったが、Ｘ線小角散乱測定に基づいた本実施形態の評価方法によれば、そのような使用状態下におけるイオン交換膜の評価を行うことができる。
【０１０８】
また、特に、本実施形態では、Ｘ線測定装置を構成する図１のＸ線小角光学装置１において、冷却機能を備えたロータターゲットを用いてＸ線源３２を構成することによりＸ線源３２から高強度のＸ線を出射できるようにし、さらにコンフォーカルミラー６を用いてＸ線を集光してイオン交換膜２９へ照射するようにした。このため、イオン交換膜２９に対する小角散乱測定を非常に短時間に行うことができるようになった。
【０１０９】
また、本実施形態のようにイオン交換膜２９を湿潤状態に保持し、さらにその温度を１００℃近傍の高温に保持する場合には、小角散乱測定の測定時間が長くかかるようでは、イオン交換膜２９やそれを取り巻く水の状態が変化してしまい、正確なｉｎ−ｓｉｔｕ測定を行うことができなくなるおそれがある。このことに関し、本実施形態では、イオン交換膜２９に入射するＸ線の強度を高くして測定時間を短縮することにより、実際の使用環境下における正確な測定を実現した。
【０１１０】
（第２実施形態）
以上に説明した実施形態では、図７に示した小角散乱線図Ｇ及び図８に示した小角散乱線図Ｈのピーク位置の違い、小角散乱線図Ｇ，Ｈのピーク強度の違い、及び図９に示した２次元散乱図形Ｅの３つの要素に基づいてイオン交換膜２９の性能を評価したが、その評価は、それら３つの要素のうちの１つ又はいずれか２つの組み合わせによっても行うことができる。
【０１１１】
（第３実施形態）
以上に説明した実施形態では、１つのイオン交換膜２９を異なる複数の環境に置いたときに、それぞれの環境下における小角散乱線図Ｇや２次元散乱図形Ｅを求めて、その１つのイオン交換膜２９の分子構造の変化、従って性能の変化を評価した。
【０１１２】
これに代えて、他の実施形態では、分子構造が未知である複数のイオン交換膜をＸ線小角散乱測定に供して、複数のイオン交換膜のそれぞれについての小角散乱線図Ｇ，Ｈや２次元散乱図形Ｅを求め、複数のイオン交換膜間での分子構造の違いを評価することもできる。この場合、イオン交換膜の温度は一定温度に保持して測定を行うことができる。
【０１１３】
また、標準のイオン交換膜についての小角散乱線図Ｇ，Ｈを図２の処理部３３のメモリ３８に予め記憶しておいて、測定によって得られた小角散乱線図Ｇ，Ｈをその標準の小角散乱線図Ｇ，Ｈと比較することにより、測定対象であるイオン交換膜を評価することもできる。
【０１１４】
（第４実施形態）
以上に説明した実施形態では、ロータターゲットを用いたポイントフォーカスのＸ線源を用い、さらにＸ線集光手段としてコンフォーカルミラーを用いた。この構成に代えて、コンフォーカルミラー以外のＸ線集光手段を用いることができる。また、場合によっては、Ｘ線集光手段を用いない構成とすることもできる。また、場合によっては、ラインフォーカスのＸ線源を用いることもできる。また、場合によっては、ロータターゲット以外のターゲットを用いることもできる。
【０１１５】
また、図３において、Ｘ線源３からイオン交換膜２９に至るＸ線光路上、望ましくはＸ線源３からコンフォーカルミラー６に至るまでのＸ線光路上にモノクロメータを配設して、イオン交換膜２９に入射するＸ線を特定波長、例えばＣｕＫα線に単色化することもできる。また、コンフォーカルミラー６に相当するＸ線集光手段のそれ自体を単結晶モノクロメータによって構成することにより、単色化と集光とを同時に行うこともできる。
【０１１６】
（第５実施形態）
以上に説明した実施形態では、評価対象としてイオン交換膜を考えた。しかしながら、本発明に係る評価方法は、イオン交換膜以外の有機物を評価対象とすることもできる。このような有機物としては、有機高分子材料、ゲノム創薬等が考えられる。
【０１１７】
（第６実施形態）
以上に説明した実施形態では、Ｘ線小角光学装置として図１に示すような３スリット系の光学系を採用した。しかしながら、これ以外の構成のＸ線小角光学装置を用いることもできる。また、イオン交換膜２９を使用環境に保持する機構として図５に示す構造を採用したが、その他の任意の構造を採用することもできる。
【０１１８】
以上、好ましいいくつかの実施形態を挙げて本発明を説明したが、本発明はそれらの実施形態に限定されるものでなく、請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々に改変できる。
【０１１９】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、広く一般的に用いられている装置であるＸ線測定装置を用いるだけで、イオン交換膜等といった有機物の分子構造を正確に評価できる。また、Ｘ線測定装置は、試料に対して付帯機器を設備することに関してＮＭＲ装置やＩＲ装置に比べて自由度が高いので、試料に関する分子構造の評価を当該試料を実際の使用環境下に置いた状態で行うことができる。
【０１２０】
また、本発明によれば、イオン交換膜等といった有機物の周りの湿度を変化させる工程を実施することにしたので、湿度が変化する条件下で使用される物質のｉｎ−ｓｉｔｕ測定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るＸ線測定装置を構成するＸ線小角光学装置の一実施形態を示す正面図である。
【図２】本発明に係るＸ線測定装置を構成する読取り装置の一実施形態を示す図である。
【図３】図１に示すＸ線小角光学装置におけるＸ線の進行状態を模式的に示す図である。
【図４】図１のＸ線小角光学装置で用いられるＸ線源の一例を示す斜視図である。
【図５】図１のＸ線小角光学装置で用いられる試料支持装置の内部構造の一例を分解状態で示す斜視図である。
【図６】図１のＸ線小角光学装置において２次元Ｘ線検出器が散乱線で露光される状態を模式的に示す図である。
【図７】図２の読取り装置で読み取られた小角散乱線図の一例を示すグラフである。
【図８】図２の読取り装置で読み取られた小角散乱線図の他の一例を示すグラフである。
【図９】図１のＸ線小角光学装置によって２次元Ｘ線検出器に形成される２次元散乱図形の例を示す図であり、（ａ）は試料の分子構造の配列に乱れがある場合の２次元散乱図形を示し、（ｂ）は試料の分子構造がきれいに配列する場合の２次元散乱図形を示す。
【図１０】イオン交換膜の分子構造を模式的に示す図である。
【図１１】イオン交換膜の分子構造の一例を示す化学式である。
【図１２】イオン交換膜を用いた燃料電池の構造を模式的に示す図である。
【符号の説明】
１ Ｘ線小角光学装置（Ｘ線測定装置）
２ 読取り装置（Ｘ線測定装置）
３ Ｘ線源
４ Ｘ線管
６ コンフォーカルミラー（Ｘ線集光手段）
７ 第１スリット
８ 第２スリット
９ 第３スリット
１１ 試料支持装置
１２ 蓄積性蛍光体プレート（２次元Ｘ線検出器）
１７ 試料
２２ａ，２２ｂ ヒートプレート
２４ 試料室構造体
２６ 厚み部材
２７ａ，２７ｂ 遮蔽部材
２８ 試料室
２９ イオン交換膜
３１ 貫通穴
３２ 読取り機構部
３３ 処理部
４３ 映像表示装置
４６ 印字装置
５４ 直鎖
５６ 側鎖
５７ 分子構造の粒ユニット
ｄ０ 直鎖間距離
Ｅ ２次元散乱図形
Ｆ 焦点
Ｇ 小角散乱線図
Ｐ ピーク
Ｒ Ｘ線
【発明の属する技術分野】
本発明は、イオン交換膜等といった有機物の性能を評価する評価方法に関する。また、本発明は、その評価方法に好適なＸ線測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、有機高分子材料を用いた各種の装置が産業界に提供されている。例えば、燃料電池の分野を見ると、有機高分子材料であるイオン交換膜が主たる構成要素として用いられている。この燃料電池は、例えば、図１２に示すように、一対の電極である燃料極５１と空気極５２とによってイオン交換膜２９を挟み、燃料電極５１側から燃料である水素（Ｈ２）を供給し、空気電極５２側から酸素（Ｏ２）を供給する構成となっている。
【０００３】
この燃料電池では、水素と酸素の化学反応により、
２Ｈ２＋Ｏ２→２Ｈ２Ｏ＋電気＋熱
という、水の電気分解の逆反応に相当する電気化学反応が生じ、これにより、電気を得ている。なお、同時に発生する熱は、冷却水を循環させる等といった適宜の冷却方法によって吸収できる。
【０００４】
この燃料電池で用いるイオン交換膜２９は、例えば、図１０（ｃ）に示すように、間隔ｄ０で並ぶ複数の直鎖５４と、それらの直鎖５４から延びる複数の側鎖５６との合成によって形成されている。イオン交換膜として広く知られているナフィオン（商品名：デュポン社製）を例に採れば、直鎖５４及び側鎖５６のそれぞれの分子構造は、図１１に示すような化学構造となっている。
【０００５】
この分子構造では、直鎖５４はテフロン（登録商標）基であり、側鎖５６は複数の官能基を連結することによって形成されている。図示のものから適宜の官能基を選択して除去したり、図示の官能基の一部を別の官能基で置換したり、あるいは、新たな官能基を図示のものへ加えたりすることにより、イオン交換膜の分子構造、従ってイオン交換膜の性能を種々に変化させることができる。
【０００６】
イオン交換膜２９がこのような分子構造を有することにより、図１０（ｂ）において、イオン交換膜２９は陽子Ｈ＋ を通過させ、電子ｅ− やガスは通過させない機能、すなわちイオン交換機能を奏する。この場合、イオン交換能力が高ければ燃料電池としての能力が高くなるのであるが、このイオン交換能力は図１０（ｃ）の分子構造、より具体的には、直鎖間距離ｄ０や側鎖５６の配列状態等の影響を受けて変化すると考えられる。
【０００７】
このため、イオン交換膜等といった有機高分子材料の能力を知るためには、その有機高分子材料の分子構造を評価するのが良いと考えられている。このように有機高分子材料の分子構造を評価する方法として、従来、ＮＭＲ（Ｎｕｃｌｅａｒ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ：核磁気共鳴装置）やＩＲ（Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｓｐｅｃｔｒｏｐｈｏｔｏｍｅｔｅｒ：赤外分光光度計）が知られている。
【０００８】
ＮＭＲは、核の磁気モーメントを持っている原子に電磁波を加えたときに当該磁気モーメントの運動の振幅が変化する現象、すなわち核磁気共鳴の現象を利用して、試料の分子構造等を評価する方法である。また、ＩＲは、物質を透過する赤外線の強さを縦軸に、そして当該赤外線の波長を横軸にとって記録された赤外線吸収スペクトルから試料の分子構造等を評価する方法である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記ＮＭＲ測定及び上記ＩＲ測定では、簡単な測定装置によって正確な測定を行うのが難しかった。また、イオン交換膜等といった有機高分子材料が実際に使用される環境下、例えば加湿及び加温状態下、での測定は不可能であった。このような事情があるため、現在のところ、イオン交換膜等といった有機高分子膜については、ｉｎ−ｓｉｔｕ（インサイテュー）測定、すなわち使用環境下での測定を行って分子構造を評価することは行われていない。
【００１０】
本発明は、上記の問題点に鑑みて成されたものであって、広く一般的に用いられている装置によって有機高分子材料、例えばイオン交換膜の分子構造を正確に評価できるようにすることを目的とする。
【００１１】
また、本発明は、特に、湿度が変化するような条件下で使用される物質のｉｎ−ｓｉｔｕ測定を可能とすることを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
（１） 上記の目的を達成するため、本発明に係るイオン交換膜の評価方法は前記イオン交換膜の周りの湿度を変化させる工程と、入射Ｘ線の光軸を中心とする小角度領域における散乱Ｘ線を検出できるＸ線測定装置を用いて前記イオン交換膜に関する異なる湿度条件においてイオン交換膜の小角散乱線図を求める工程とを有することを特徴とする。
【００１３】
小角散乱線図とは、例えば図７に示すに示すように、一方の軸に散乱角度（２θ）をとり、他方の軸に散乱線強度をとったグラフ上に表される測定結果の線図Ｇのことである。また、図８における線図Ｈも小角散乱線図である。
【００１４】
上記構成のイオン交換膜の評価方法によれば、広く一般的に用いられている装置であるＸ線測定装置を用いるだけで、イオン交換膜の分子構造を正確に評価できる。また、Ｘ線測定装置は、試料に対して付帯機器を設備することに関してＮＭＲ装置やＩＲ装置に比べて自由度が高いので、試料に関する分子構造の評価を当該試料を実際の使用環境下に置いた状態で行うことができる。
【００１５】
また、上記構成のイオン交換膜の評価方法によれば、イオン交換膜の周りの湿度を変化させる工程を実施することにしたので、湿度が変化するような条件下で使用される物質のｉｎ−ｓｉｔｕ測定を行うことができる。例えば、図７に示す湿潤状態下と、図８に示す乾燥状態下におけるイオン交換膜の能力の変化を知ることができる。
【００１６】
（２） 上記構成のイオン交換膜の評価方法においては、前記複数の小角散乱線図におけるピーク位置の違い及び／又はピーク強度の違いを求める工程とを有することが望ましい。この工程は、測定者の目視によって行っても良いし、コンピュータの演算部によって処理しても良い。
【００１７】
複数のイオン交換膜間で小角散乱線図におけるピーク位置の違いを求めれば、それらのイオン交換膜の分子構造が解明できる。そして、これにより、複数のイオン交換膜間におけるイオン交換能力の違いを評価できる。
【００１８】
また、複数のイオン交換膜間で小角散乱線図におけるピーク強度の違いを求めれば、イオン交換膜の分子構造における側鎖の数や構造の規則性が解明できる。そして、これにより、複数のイオン交換膜間におけるイオン交換能力の違いを評価できる。
【００１９】
（３） 上記構成のイオン交換膜の評価方法において、イオン交換膜の周りの湿度を変化させる前記工程は、試料室の中に前記イオン交換膜を入れ、さらに湿度を有するガスを当該試料室に流すことにより行うことが望ましい。この場合、試料室はガスが流れる部分以外の部分は気密であることが望ましい。この構成によれば、イオン交換膜を希望の湿度下に簡単に置くことができる。
【００２０】
（４） 上記構成のイオン交換膜の評価方法において、前記小角散乱線図を求める工程は、前記イオン交換膜に関して２次元Ｘ線検出器を用いて２次元散乱図形を求める工程を有することが望ましい。
【００２１】
ここで、２次元Ｘ線検出器とは、Ｘ線を平面領域内で受光してその平面領域内の各点においてＸ線を検出できる構造のＸ線検出器であり、例えば、Ｘ線乾板、Ｘ線フィルム、蓄積性蛍光体を用いたＸ線検出器、面状のＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）センサを用いたＸ線検出器等によって構成できる。
【００２２】
蓄積性蛍光体とは、輝尽性蛍光体とも呼ばれるエネルギ蓄積型の放射線検出器であり、輝尽性蛍光物質、例えばＢａＦＢｒ：Ｅｒ２＋の微結晶を可撓性フィルム、平板状フィルム、その他の部材の表面に塗布等によって成膜したものである。この蓄積性蛍光体は、Ｘ線等といった電磁波をエネルギの形で蓄積することができ、さらにレーザ光等といった輝尽励起光の照射により、そのエネルギを外部に光として放出できる性質を有する物体である。
【００２３】
つまり、蓄積性蛍光体にＸ線等を照射すると、その照射された部分に対応する蓄積性蛍光体の内部にエネルギが潜像として蓄積され、さらにその蓄積性蛍光体にレーザ光等を照射すると上記の潜像エネルギが光となって外部へ放出される。そして、この放出された光を光電管等といった光電変換器によって検出することにより、潜像の形成に寄与したＸ線の回折角度及び強度を測定できる。
【００２４】
また、ＣＣＤセンサは、それ自体周知の電子素子であるＣＣＤ、すなわち電荷結合素子を直線的又は平面的に並べたＸ線検出器である。ＣＣＤは、例えばシリコン基板上に複数の電極を絶縁層を挟んで直線状又は面状に並べることによって形成された電極アレイを有し、この電極アレイをＸ線取込み口に対応して配置したものがＣＣＤセンサである。
【００２５】
電極アレイを構成する個々の電極に対応する位置にＸ線が当ると、当該電極の下に電荷が蓄積され、さらに電極と基板との間に電圧を次々に与えることにより、蓄積された電荷を転送して外部へ出力するものである。このＣＣＤ検出器によれば、電極アレイが延びる直線範囲内又は面範囲内にＸ線が入射したとき、そのＸ線入射位置及びＸ線強度の両方をほぼ同時に検出できる。
【００２６】
また、２次元散乱図形とは、例えば図９（ａ）及び図９（ｂ）に示すような、試料としてのイオン交換膜から発生するＸ線によって２次元Ｘ線検出器の検出面が露光されたときにその検出面上に形成される２次元的な像のことである。図７に示した小角散乱線図Ｇ及び図８に示した小角散乱線図Ｈは、図９（ａ）又は図９（ｂ）に示す２次元散乱図形Ｅにおける同一散乱角度（２θ）の領域を積分して得られる値をグラフ上にプロットすることによって得られる。
【００２７】
（５） 上記構成のイオン交換膜の評価方法において、前記Ｘ線測定装置は、前記イオン交換膜へ入射するＸ線の進行路上に配置されたＸ線集光手段を有することが望ましい。ここでＸ線集光手段は、発散しながら進行するＸ線を下流側の１点に集光させることができるＸ線光学要素のことであり、例えば、Ｘ線の反射を利用するコンフォーカルミラーや、Ｘ線の回折を利用するＸ線集光要素等が考えられる。
【００２８】
Ｘ線集光手段を使用しない一般的なＸ線光学系では、測定対象であるイオン交換膜へ供給されるＸ線は低強度である。これに対し、上記のようにＸ線集光手段を用いれば、Ｘ線を収束させてイオン交換膜へ供給することができるので、高強度のＸ線をイオン交換膜へ照射することができる。
【００２９】
Ｘ線強度が弱い一般的な構造のＸ線測定装置では、図９に示すような２次元散乱図形Ｅ、従って図７に示すような小角散乱線図Ｇを求めるために非常に長い時間を必要とする。これに対し、Ｘ線集光手段を用いることによって高強度のＸ線をイオン交換膜へ供給できるようにした上記のＸ線測定装置を用いれば、非常に短時間で２次元散乱図形Ｅを求めることができる。このことは、イオン交換膜に関してｉｎ−ｓｉｔｕ測定を行う場合に特に有利である。
【００３０】
イオン交換膜をｉｎ−ｓｉｔｕ測定する場合、例えば、イオン交換膜を液体、例えば水中に浸して湿潤状態にした上で、さらに９０℃程度の高温に加熱して測定を行う場合を考えると、水は９０℃では短時間に状態変化、例えば蒸発等するので、Ｘ線小角散乱測定の測定時間が長くかかると、実質的なｉｎ−ｓｉｔｕ測定を行うことが不可能である。
【００３１】
これに対し、高強度のＸ線をイオン交換膜へ照射することを可能とした本発明に係る評価方法によれば、同一環境を短時間しか維持できないような状態に置かれるイオン交換膜に関しても正確に測定を行うことが可能となる。
【００３２】
（６） 上記構成のイオン交換膜の評価方法において、前記Ｘ線集光手段はコンフォーカルミラーであることが望ましい。ここで、コンフォーカルミラーとは、共焦点ミラーのことであり、互いに交差する関係にある２つ以上のＸ線反射面を有し、それらのＸ線反射面で反射したＸ線が同じ又は略同じ焦点に集まるようになっているＸ線反射ミラーのことである。
【００３３】
（７） Ｘ線集光手段を用いた上記構成のイオン交換膜の評価方法において、前記Ｘ線測定装置はポイントフォーカスのＸ線源をさらに有することが望ましい。
【００３４】
ここで、ポイントフォーカスとはラインフォーカスとの対比で出てくる概念であり、ラインフォーカスが試料上に細長い断面形状のＸ線を照射するフォーカス形状であることに対し、ポイントフォーカスは試料上に縦横の長さが略等しい断面形状のＸ線を照射するフォーカス形状である。具体的には、例えば、ポイントフォーカスのＸ線源を用いることにより、試料の所で直径約０．３ｍｍ又は縦×横＝約０．３ｍｍ×約０．３ｍｍの断面形状のＸ線ビームを形成することができる。
【００３５】
ラインフォーカスのＸ線源を用いる場合には、イオン交換膜の微小領域にＸ線を照射する際、ラインフォーカスから発生する断面長方形状のＸ線のうち上記のイオン交換膜の微小領域に対応しない部分から発生したＸ線は測定に寄与しないで無駄に消費されることになり、その分、強度の強いＸ線をイオン交換膜に照射することに関して不利である。これに対し、ポイントフォーカスから発生する断面略正方形状のＸ線は、特にＸ線集光手段によってそのほぼ全部をイオン交換膜の微小領域に収束させることができるので、高強度のＸ線をイオン交換膜に照射することができる。
【００３６】
（８） 次に、本発明に係る有機物の評価方法は、有機物の性能を評価する方法において、前記有機物の周りの湿度を変化させる工程と、入射Ｘ線の光軸を中心とする小角度領域における散乱Ｘ線を検出できるＸ線測定装置を用いて前記有機物に関する異なる湿度条件において前記有機物の小角散乱線図を求める工程とを有することを特徴とする。ここで、有機物とは、イオン交換膜はもとより、その他に、薬品、ゲノム創薬、合成化合物等を含む。
【００３７】
この有機物の評価方法によれば、広く一般的に用いられている装置であるＸ線測定装置を用いるだけで、有機物の分子構造を正確に評価できる。また、Ｘ線測定装置は、試料に対して付帯機器を設備することに関してＮＭＲ装置やＩＲ装置に比べて自由度が高いので、有機物に関する分子構造の評価を当該有機物を実際の使用環境下に置いた状態で行うことができる。
【００３８】
また、上記構成の有機物の評価方法によれば、有機物の周りの湿度を変化させる工程を実施することにしたので、湿度が変化するような条件下で使用される物質のｉｎ−ｓｉｔｕ測定を行うことができる。
【００３９】
（９） 上記構成の有機物の評価方法においては、前記複数の小角散乱線図におけるピーク位置の違い及び／又はピーク強度の違いを求める工程を有することが望ましい。
【００４０】
複数の有機物間で小角散乱線図におけるピーク位置の違いを求めれば、それらの有機物の分子構造を解明できる。そして、これにより、複数の有機物間における性質の違いを評価できる。また、複数の有機物間で小角散乱線図におけるピーク強度の違いを求めれば、有機物の分子構造における側鎖の数や構造の規則性が解明できる。そして、これにより、複数の有機物間における性質の違いを評価できる。
【００４１】
（１０） 上記構成の有機物の評価方法において、有機物の周りの湿度を変化させる前記工程は、試料室の中に前記有機物を入れ、さらに湿度を有するガスを当該試料室に流すことにより行うことが望ましい。この場合、試料室はガスが流れる部分以外の部分は気密であることが望ましい。この構成によれば、イオン交換膜を希望の湿度下に簡単に置くことができる。
【００４２】
（１１） 上記構成の有機物の評価方法において、前記小角散乱線図を求める工程は、前記有機物に関して２次元Ｘ線検出器を用いて２次元散乱図形を求める工程を有することが望ましい。有機物について図９のような２次元散乱図形Ｅを求めれば、その２次元散乱図形Ｅの違いに応じて、有機物の分子構造の違い、従って有機物の能力の違いを評価できる。
【００４３】
（１２） 上記構成の有機物の評価方法において、前記Ｘ線測定装置は、前記有機物へ入射するＸ線の進行路上に配置されたＸ線集光手段を有することが望ましい。この構成によれば、高強度のＸ線を有機物へ照射でき、それ故、同一環境を短時間しか維持できないような状態に置かれる有機物に関しても正確に測定を行うことが可能となる。
【００４４】
（１３） 上記構成の有機物の評価方法において、前記Ｘ線集光手段はコンフォーカルミラーによって構成することができる。
【００４５】
このようにコンフォーカルミラーを用いれば、Ｘ線を収束させて試料すなわち有機物へ供給することができるので、高強度のＸ線を有機物へ照射することができる。この結果、非常に短時間の間に有機物についての２次元散乱図形を求めることができる。このことは、有機物に関してｉｎ−ｓｉｔｕ測定を行う場合に特に有利である。
【００４６】
（１４） Ｘ線集光手段を用いた上記構成の有機物の評価方法において、前記Ｘ線測定装置はポイントフォーカスのＸ線源をさらに有することが望ましい。ポイントフォーカスから発生する断面略正方形状のＸ線は、特にＸ線集光手段によってそのほぼ全部を有機物の微小領域に収束させることができるので、高強度のＸ線を有機物に照射することができる。
【００４７】
（１５） 次に、本発明に係るＸ線測定装置は、入射Ｘ線の光軸を中心とする小角度領域における散乱Ｘ線を検出できるＸ線小角光学系と、前記Ｘ線小角光学系を用いて測定した小角散乱線図のピーク位置を演算する手段と、演算されたピーク位置を小角散乱線図と共に表示する手段とを有することを特徴とする。このＸ線測定装置によれば、小角散乱線図のピーク位置を極めて簡単に且つ正確に認識でき、よって、評価を簡単且つ迅速に行うことができる。
【００４８】
（１６） 上記構成のＸ線測定装置においては、試料を収容すると共にＸ線を通過させることができる試料室と、該試料室内の湿度を変化させる湿度調節手段とを有することが望ましい。この構成のＸ線測定装置によれば、試料の周りの湿度を希望に応じて変化させることができるので、湿度が変化するような条件下で使用される物質のｉｎ−ｓｉｔｕ測定を行うことができる。
【００４９】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
以下、本発明に係るイオン交換膜の評価方法、従って有機物の評価方法の実施形態及び本発明に係るＸ線測定装置の実施形態を説明する。なお、この実施形態は本発明の一例であって、本発明を限定するものではない。
【００５０】
図１はＸ線測定装置を構成する１つの要素であるＸ線小角光学装置１を示している。また、図２は、Ｘ線測定装置を構成する他の要素である読取り装置２を示している。これらの装置は、通常、一人の作業者が大きく移動することなく取り扱うことのできる領域内に設置される。なお、ここに示すＸ線小角光学装置１及び読取り装置２は本発明に係るイオン交換膜の評価方法を実施できる装置の一例であり、ここに示した装置以外の装置でもその評価方法を実施できるものがあることはもちろんである。
【００５１】
図１において、Ｘ線小角光学装置１は、Ｘ線源３を備えたＸ線管４と、Ｘ線源３から発生したＸ線を１つの焦点に収束させるＸ線集光手段としてのコンフォーカルミラー６と、第１スリット７と、第２スリット８と、第３スリット９と、試料支持装置１１と、２次元Ｘ線検出器１２とを有する。２次元Ｘ線検出器１２は、本実施形態では、Ｘ線検出面に面状の蓄積性蛍光体を有する蓄積性蛍光体プレートを用いるものとする。
【００５２】
図３は、図１に示す光学系におけるＸ線の進行の様子を模式的に示している。図３において、図１と同じ符号は同じ要素を示している。図３に示すように、コンフォーカルミラー６は、互いに交差する関係にある２つのＸ線反射面６ａ及び６ｂを有し、それらのＸ線反射面で反射したＸ線が同じ又は略同じ焦点ｆに集まるようになっているＸ線反射ミラーである。
【００５３】
このコンフォーカルミラー６は、例えば、Ｘ線を反射することのできる材料、例えばニッケル、白金、タングステン等によって単層構造として形成することができる。あるいは、コンフォーカルミラー６は、Ｘ線反射面上に複数の薄膜を積層して多層膜を形成することにより、Ｘ線の回折を利用して全体としてＸ線を反射させる構造とすることもできる。
【００５４】
図１において、第１スリット７と第２スリット８との間には管１３が配設され、第２スリット８と第３スリット９との間には管１４が配設され、さらに、試料支持装置１１の下流側（すなわち、図１の左側）には管１６が配設される。２次元Ｘ線検出器１２は、管１６の内部の端部に配設される。また、これらの管１３、１４及び１６は図示しない真空装置に接続され、それらの内部は真空又は真空に近い減圧状態に減圧される。
【００５５】
本実施形態のＸ線小角光学装置１では、試料支持装置１１によって支持される試料１７から発生する散乱線を検出することが目的であるが、この散乱線の強度は非常に小さい。上記のように管１３，１４，１６によって真空パスを形成するのは、Ｘ線の空気散乱によって目標とする試料１７からの散乱線が乱されることを防止するためである。
【００５６】
本実施形態で用いるＸ線管４は、迅速な測定を可能とするため、できるだけ強度の高いＸ線を発生できるものが望まれる。そのため本実施形態では、図４に示すように、冷却機構を内蔵すると共に高速回転が可能であるロータターゲット１８と、該ターゲット１８との間で高電圧を印加できるフィラメント１９とによって構成する。
【００５７】
フィラメント１９は通電によって発熱して熱電子を放出する。放出された熱電子はフィラメント１９とターゲット１８との間に印加された高電圧によって加速されてターゲット１８の表面に衝突する。この衝突する領域がＸ線焦点Ｆであり、このＸ線焦点ＦからＸ線が発生する。すなわち、このＸ線焦点ＦがＸ線源３となる。本実施形態では、Ｘ線源３からポイントフォーカスのＸ線を取り出すことにする。
【００５８】
一般に、Ｘ線焦点Ｆは長方形状であり、本実施形態ではその長方形状の短辺側からＸ線を取り出す。すなわち、Ｘ線焦点Ｆの短辺側に設けたＸ線取出し窓２１からＸ線をＸ線管４の外部に取り出すことにする。このため、取り出されたＸ線Ｒはその断面Ｄが正方形、略正方形、円形又は略円形になる。このようなＸ線の取り出し方が行われるとき、Ｘ線焦点ＦはポイントフォーカスのＸ線焦点と呼ばれる。
【００５９】
因みに、Ｘ線焦点ＦからのＸ線の取り出し方としては、そのＸ線焦点Ｆの長辺側からＸ線を取り出す方法もある。この場合には、取り出されたＸ線の断面は長方形となり、このようなＸ線の取り出し方が行われるとき、Ｘ線焦点ＦはラインフォーカスのＸ線焦点と呼ばれる。
【００６０】
本実施形態のＸ線管４では、その内部が真空又は真空に近い減圧状態に減圧される。そして、ターゲット１８が軸Ｘ０を中心として高速で回転され、さらにターゲット１８の内部に冷却水が流される。この高速回転及び冷却水の通水により、ターゲット１８の表面が冷却される。以上により、Ｘ線焦点Ｆに多量の電子を供給でき、よって、Ｘ線焦点Ｆから高強度のＸ線を発生できる。なお、ターゲット１８の表面は、例えばＣｕ（銅）によって形成する。
【００６１】
図１におけるＸ線光学系で用いるスリットには、長方形状のスリットや、円形状のスリット（すなわち、ピンホール）等が用いられるが、本実施形態では、図３に示すように、第１スリット７、第２スリット８、第３スリット９はピンホールを有するスリットとして形成されている。これらのピンホールは、ポイントフォーカスのＸ線源３とコンフォーカルミラー６とを用いる場合のスリットとして好適である。
【００６２】
図１に示した試料支持装置１１は、図５に示すように、その内部に、試料加熱手段としての一対のヒートプレート２２ａ及び２２ｂを有する。これらのヒートプレート２２ａ及び２２ｂは、詳しくは図示しない開閉機構によって互いに開閉可能に、具体的には、矢印Ａのように開移動でき、さらに矢印Ｂのように閉移動できる。なお、試料加熱手段としては、図示した構造のヒートプレート２２ａ及び２２ｂに限られず、他の任意の加熱構造を採用できる。
【００６３】
ヒートプレート２２ａ及び２２ｂの一方又は両方には通電によって発熱する発熱体、例えば電熱線が収容されている。温度制御回路２３は、その発熱体への通電量を制御することによりヒートプレート２２ａ及び／又は２２ｂの発熱量を制御する。なお、ヒートプレート２２ａ及び／又は２２ｂは、少なくともその内面が発熱面である。
【００６４】
ヒートプレート２２ａ及び２２ｂは、それらの内面、すなわち発熱面が試料室構造体２４に直接に面接触するようにして、当該試料室構造体２４を挟持する。望ましくは、バネ等といった弾性力付勢手段のバネ力、すなわち弾性力によって試料室構造体２４を動かないようにしっかりと支持する。
【００６５】
試料室構造体２４は、リング状の厚み部材２６と、その厚み部材２６の両面に接着される遮蔽部材２７ａ及び２７ｂとを有する。厚み部材２６は、例えば真鍮によって適宜の厚さ、例えば１ｍｍ程度に形成される。さらに、遮蔽部材２７ａ及び２７ｂは、Ｘ線を透過可能で、しかも機械的強度が高い材料、例えばマイラー（商品名）等といったポリエチレンテレフタラートや、カプトン（商品名）等といったポリイミド等によって、変形自在なフィルム状に形成されている。図では遮蔽部材２７ａ及び２７ｂを円形状に描いてあるが、その形状は方形状、あるいはその他の任意の形状とすることができる。
【００６６】
上記のような遮蔽部材２７ａ及び２７ｂは、これらを矢印Ｃのように厚み部材２６の表面に当てると、自然にその表面に密着する性質を持っている。また、適宜の接着剤によって遮蔽部材２７ａ及び２７ｂを厚み部材２６の表面に接着するようにしても良い。このように遮蔽部材２７ａ及び２７ｂを厚み部材２６の表面に密着させると、厚み部材２６の内部に外部から気密に隔離された試料室２８が形成される。
【００６７】
厚み部材２６の外周側面にはガス導入管６１が設けられる。このガス導入管６１は、厚み部材２６の外部と試料室２８とをつないでいる。また、厚み部材２６の外周側面の別の個所にはガス排出管６２が設けられる。このガス排出管６２も、厚み部材２６の外部と試料室２８とをつないでいる。また、ガス導入管６１には湿度センサ６３が設けられる。
【００６８】
湿度センサ６３は、ガス導入管６１の中を流れるガスの湿度を検出し、それを電気信号として出力する。湿度センサ６３の出力信号は、例えば、ＣＲＴ（Ｃａｔｈｏｄｅ Ｒａｙ Ｔｕｂｅ）表示装置やフラットパネルディスプレイ等といった映像表示装置によって湿度の数値として表示されたり、あるいは、ガス導入管６１を流れるガスの湿度を調節するための基準として用いられたりする。
【００６９】
ガス導入管６１にはガス混合器６４が接続され、さらにこのガス混合器６４の一方の入力ポートには水蒸気発生源６６から延びる管６７が接続され、他方の入力ポートにはガス源６８から延びる管６９が接続されている。このガス混合器６４は、水蒸気発生源６６から供給される水蒸気と、ガス源６８から供給されるガス、例えば窒素（Ｎ２ ）ガスを混合してガス導入管６１へ送るように作用する。ガス導入管６１へ送られた湿度を有するガスは、試料室２８を通過してガス排出管６２を通って外部へ排出される。
【００７０】
ガス混合器６４は、その内部に設けた弁の調節により、水蒸気とガスの混合比を調節でき、これにより、ガス導入管６１従って試料室２８へ供給するガスの湿度を調節できる。なお、ガス混合器６４における弁の調節は、ガス混合器６４の本体部分に一体に設けたツマミの操作によって行ったり、あるいは、ガス混合器６４の本体部分から遠く離れた所に置いたツマミによって遠隔操作したりできる。
【００７１】
本実施形態では、両方の遮蔽部材２７ａ及び２７ｂを厚み部材２６に密着させる前に、試料室２８の中に測定対象である試料１７としてのイオン交換膜２９を入れる。そして、それらを入れた後に遮蔽部材２７ａ及び２７ｂを厚み部材２６に密着させて、イオン交換膜２９を収容した試料室２８を形成する。なお、イオン交換膜２９は実際に使用される形状及び大きさのものではなく、その切片である。
【００７２】
試料室２８の中にイオン交換膜２９を入れ、遮蔽部材２７ａ及び２７ｂで試料室２８を密封した後、ガス導入管６１を通して試料室２８の中にガスを導入すれば、イオン交換膜２９をガスが保有する湿度の環境下に置くことができる。つまり、本実施形態では、水蒸気源６６、ガス源６８、ガス混合器６４、そして試料室２８によって湿度調節手段が構成されている。
【００７３】
イオン交換膜２９を燃料電池の構成要素として用いる場合を考えると、そのイオン交換膜２９は湿潤状態で使用されることが考えられる。このことに鑑み、イオン交換膜２９に関しては、それが乾燥状態下にあるときの特性から、徐々に湿度が上がって湿潤状態、すなわち湿度１００％の状態になるまでの間の、そのイオン交換膜２９の特性の変化を知りたい場合がある。本実施形態のように、試料室２８及びそれに付属する上記の湿度調節手段を用いれば、そのような湿度変化に対応するイオン交換膜２９の特性変化を測定によって知ることができる。
【００７４】
さらに、試料室２８を構成する試料室構造体２４は、ヒートプレート２２ａ及び２２ｂに挟持されることにより、それらのヒートプレート２２ａ及び２２ｂが発熱したときに加熱される。そして、その加熱により、試料室２８に収容されたイオン交換膜２９が加熱される。
【００７５】
イオン交換膜２９が燃料電池の構成要素として用いられる場合、そのイオン交換膜２９は電気化学反応に従って発生する熱によって加熱される。従って、上記のようにヒートプレート２２ａ及び２２ｂによってイオン交換膜２９を加熱すれば、そのイオン交換膜２９を希望の温度環境下、あるいは実際の使用温度状態に置くことができる。例えば、イオン交換膜２９を燃料電池に用いる場合を考えれば、イオン交換膜２９は、室温〜１００℃の間の温度に加熱されると思われる。ヒートプレート２２ａ及び２２ｂによって構成される加熱手段を用いれば、試料室２８内のイオン交換膜２９を希望の温度環境下に置くことができる。
【００７６】
なお、ヒートプレート２２ａ及び２２ｂの略中央には貫通穴３１が設けられている。これらのうちの一方は、イオン交換膜２９へ入射するＸ線を通過させるためのものであり、他方は、イオン交換膜２９から発生した散乱線を通過させるためのものである。
【００７７】
図２に示す読取り装置２は、読取り機構部３２と、処理部３３とを有する。読取り機構部３２は、所定の読取り位置に置かれた読取り対象、すなわち蓄積性蛍光体プレート１２を輝尽励起光、例えばレーザ光でＸ方向に主走査すると共にＹ方向に副走査して、面状に走査することにより、蓄積性蛍光体プレート１２の内部に蓄積されたエネルギ潜像を読み取る。
【００７８】
また、処理部３３は、制御部及び演算部として機能するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）３４と、テンポラリファイル等といった一時的な記憶場所等として機能するＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）３６と、変更の必要の無い固定情報等のための記憶場所として機能するＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）３７とを有する。これらの各要素は、アドレスバス、データバス等といったバス３９によって接続されている。
【００７９】
また、処理部３３は、ハードディスク、ＣＤ（Ｃｏｍｐａｃｔ Ｄｉｓｃ）等といった外部記憶媒体によって構成されるメモリ３８を有する。このメモリ３８内には、読取り処理を実行するためのプログラムソフトを記憶する記憶領域や、その他の各種の記憶領域が設定される。また、読取り機構部３２の出力端子にはＸ線強度演算回路４１が接続される。
【００８０】
このＸ線強度演算回路４１は、読取り機構部３２の出力信号に基づいて、蓄積性蛍光体プレート１２に形成されたエネルギ潜像の形成に寄与したＸ線の強度を演算する。また、ＣＰＵ３４は、読取り機構部３２によって読み取られている蓄積性蛍光体プレート１２の座標位置を常時、監視する。こうして、ＣＰＵ３４及びＸ線強度演算回路４１により、蓄積性蛍光体プレート１２に蓄積された潜像データに基づいて、図３の試料１７すなわちイオン交換膜２９から発生する散乱線の散乱角度及び強度を演算する。
【００８１】
図２に戻って、処理部３３には、映像データ生成回路４２を介して映像表示装置４３が接続される。また、印字データ生成回路４４を介して印字装置４６が接続される。映像表示装置４３としては、ＣＲＴ（Ｃａｔｈｏｄｅ Ｒａｙ Ｔｕｂｅ）ディスプレイや、フラットパネルディスプレイ等といった各種の映像表示機器を適用できる。なお、フラットパネルディスプレイとしては、液晶ディスプレイ、ＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）ディスプレイ、プラズマディスプレイ、その他各種の平面構造の表示機器がある。また、印字装置４６は、インク塗布方式や静電転写方式等といった各種方式のプリンタによって構成できる。
【００８２】
以下、上記構成より成るＸ線測定装置を用いて行われるイオン交換膜の評価方法、すなわち有機物の評価方法を説明する。なお、本実施形態では、イオン交換膜２９の周りの湿度を乾燥状態（湿度０％）と湿潤状態（湿度１００％）との間で変化させて測定を行うものとする。
【００８３】
まず、乾燥状態における測定について説明する。図５において、試料室構造体２４の試料室２８の中に評価対象であるイオン交換膜２９を入れ、その試料室構造体２４をヒートプレート２２ａ及び２２ｂで挟持する。これにより、図１の試料支持装置１１内の所定の位置にイオン交換膜２９が設置される。その後、試料室２８へのガスの通流を止めるか、あるいは、試料室２８へ乾燥ガスを流すことにより、イオン交換膜２９を試料室２８の中で乾燥状態に置く。
【００８４】
本実施形態の評価方法を実行する際、室温は２５℃であったものとする。また、ヒートプレート２２ａ及び２２ｂの発熱により、試料室２８内のオン交換膜２９の温度は、８０℃、１２０℃、１５０℃、２００℃、２３０℃、２７０°、３００℃、３３０℃の各温度に変化するように設定した。
【００８５】
上記の各温度において、図１のＸ線小角光学装置１及び図２の読取り装置２を用いて測定を行った。具体的には、図１において、Ｘ線源３からＸ線を発生させ、そのＸ線をイオン交換膜２９に照射し、そのときにイオン交換膜２９で発生した散乱線によって蓄積性蛍光体プレート１２を露光して、該蓄積性蛍光体プレート１２にエネルギ潜像を蓄積させた。
【００８６】
より具体的には、図３において、Ｘ線源３から高強度のＸ線をポイントフォーカスの状態で発生させ、そのＸ線をコンフォーカルミラー６によって焦点ｆに収束するように集光させる。また、第１スリット７及び第２スリット８のダブルスリット構造により、Ｘ線の収束状態を安定な状態に設定し、さらに、第２スリット８で発生する寄生散乱線がイオン交換膜２９や蓄積性蛍光体プレート１２に当ることを第３スリット９によって防止する。
【００８７】
第３スリット９を通過したＸ線がイオン交換膜２９に入射すると、図６において、そのイオン交換膜２９の分子構造に応じた散乱角度２θの所に当該分子構造に応じた強度の散乱線が発生する。そして、この散乱線が当った部分の蓄積性蛍光体プレート１２に散乱線の強度に対応したエネルギ潜像が蓄積される。
【００８８】
なお、図６において、ダイレクトビームＲＤが当る部分Ｘ０の蓄積性蛍光体プレート１２の前にはダイレクトビームストッパ４７が配設され、ダイレクトビームＲＤが蓄積性蛍光体プレート１２に直接に当ることを防止している。また、Ｘ１で示す領域は、図３の第２スリット８で発生した寄生散乱線が第３スリット９によって阻止できなくて、蓄積性蛍光体プレート１２に到達してしまう領域を示している。
【００８９】
つまり、蓄積性蛍光体プレート１２における領域Ｘ０及び領域Ｘ１は、ダイレクトビームや寄生散乱線に邪魔されて、イオン交換膜２９からの散乱線を測定できない領域である。従って、本実施形態のＸ線小角光学装置１によって測定される小角領域は、図６のＸ１よりも外側の２θ領域であり、具体的には、０．１°〜５°の角度領域、望ましくは０．１°〜４°の角度領域である。
【００９０】
このような小角領域における散乱線の測定は、Ｘ線をスリット７，８，９によって極めて小さく絞った上で、さらにカメラ長Ｌを長くして行わなければならないので、一般的な広角ゴニオメータを用いて行われるＸ線測定では実現できない。また、Ｘ線を小さく絞る関係上、イオン交換膜２９に入射するＸ線の強度が低くなるので、測定のために長時間を必要とする傾向にある。
【００９１】
しかしながら、本実施形態では、図３に示すように、Ｘ線源３から出たＸ線をコンフォーカルミラー６で集光するようにしたので、さらには、Ｘ線源３からポイントフォーカスのＸ線を取り出すようにしたので、従来に比べて高強度のＸ線をイオン交換膜２９に入射させることができる。このように高強度のＸ線をイオン交換膜２９に入射させることができるので、本実施形態では、極短時間、例えば２０分程度で蓄積性蛍光体プレート１２上に十分な強度の散乱線を得ることができ、そのような短時間で測定を完了できる。
【００９２】
１つの測定温度における小角散乱測定が終わると、蓄積性蛍光体プレート１２には、例えば図９（ａ）や図９（ｂ）に示すような２次元散乱図形Ｅがエネルギ潜像として形成される。
【００９３】
従って、図２の映像表示装置４３や印字装置４６によって図９の２次元散乱図形Ｅを表示して、それを観察すれば、イオン交換膜２９に関する分子粒ユニット単位での分子構造の揃い具合、具体的には、分子粒ユニット単位での直鎖５４及び側鎖５６の揃い具合を評価できる。
【００９４】
さて、図１又は図３において、イオン交換膜２９に関する１つの測定温度における蓄積性蛍光体プレート１２への散乱線の露光処理が終わって、その蓄積性蛍光体プレート１２内に散乱線による潜像が形成されると、その蓄積性蛍光体プレート１２は図１のＸ線小角光学装置１から取り外されて、図２の読取り装置２の読取り機構部３２に対する所定の読取り位置に置かれる。そして、この読取り機構部３２による読取り走査により、図９の２次元散乱図形Ｅから散乱線の散乱角度（２θ）及び強度が測定される。
【００９５】
図２のＣＰＵ３４は、測定された散乱角度（２θ）及び散乱線強度をＲＡＭ３６又はメモリ３８内の所定の記憶場所に、例えば、データテーブルの形で記憶する。このデータは、必要に応じて、映像表示装置４３や印字装置４６によって図８のようなグラフ上に小角散乱線図Ｈとして表示される。このグラフは、横軸に散乱角２θをとり、縦軸にＸ線強度をとっている。
【００９６】
例えば、図１においてイオン交換膜２９を室温（２５℃）に保持して測定を行えば、図８のグラフ上にＨ（２５℃）で示すような小角散乱線図が表示される。また、イオン交換膜２９の温度を、図１の温度制御回路２３の制御によって、８０℃、１２０℃、１５０℃、２００℃、２３０℃、２７０°、３００℃、３３０℃のように変化させ、それらの各温度条件において、図１のＸ線小角光学装置１を用いて蓄積性蛍光体プレート１２に２次元散乱図形Ｅ（図９参照）を形成し、さらにその２次元散乱図形Ｅを図２の読取り装置２によって読み取れば、ＣＰＵ３４の演算処理により、図８のグラフ上に各温度に対応する小角散乱線図Ｈ（８０℃）、Ｈ（１２０℃）、Ｈ（１５０℃）、Ｈ（２００℃）、Ｈ（２３０℃）、Ｈ（２７０℃）、Ｈ（３００℃）、Ｈ（３３０℃）を表示することができる。
【００９７】
図８のグラフを観察する者は、乾燥状態でイオン交換膜２９の温度を変化させたときの小角散乱線図Ｈにおけるピーク位置の変化及びピーク強度の変化を識別できる。このような、ピーク位置の変化及びピーク強度の変化は、イオン交換膜２９の温度が乾燥状態下で変化するときに、図１０（ｃ）及び図１１に示すイオン交換膜の分子構造がその温度変化に従って変化することに起因していると考えられる。従って、観察者は、図８の小角散乱線図Ｈにおけるピーク位置の変化及び／又はピーク強度の変化を評価することにより、乾燥状態下でのイオン交換膜２９の分子構造を評価できる。
【００９８】
次に、湿潤状態、すなわち湿度１００％における測定について説明する。湿潤状態は、図５において、ガス混合器６４の操作によって水蒸気源６６から多量の水蒸気を取込み、その水蒸気を全て試料室２８へ供給する。これにより、試料室２８内を湿度１００％に設定する。
【００９９】
本実施形態の評価方法を実行する際、室温は２６℃であったものとする。また、ヒートプレート２２ａ及び２２ｂの発熱により、試料室２８内のオン交換膜２９の温度は、５０℃、６０℃、７０℃、８０℃、９０℃、１００℃、１１０℃、１２０℃、１３０℃の各温度に変化するように設定した。
【０１００】
上記の各温度において、図１のＸ線小角光学装置１及び図２の読取り装置２を用いて測定を行ったところ、図７のグラフにおいて符号Ｇで示すような小角散乱線図がそれぞれの温度条件下で求められた。図７における小角散乱線図Ｇと図８における小角散乱線図Ｈは、同じイオン交換膜２９に関して環境条件を乾燥状態と湿潤状態との間で変化させたときの、小角散乱線図の変化の様子を示している。
【０１０１】
なお、本実施形態では、乾燥状態（すなわち、湿度０％）と湿潤状態（湿度１００％）との間で、小角散乱線図を比較したが、必要な場合には、図５に示すガス混合器６４によるガスへの水蒸気の混合量を調節することにより、試料室２８内の湿度を０％や１００％以外の希望する任意の湿度値に設定することができる。これにより、希望する任意の湿度下におけるイオン交換膜２９の分子構造を評価できる。
【０１０２】
湿度変化によるピーク位置とピーク強度を比較すれば、湿潤状態に至らずとも十分な性能を発揮できる条件を検証することができる。これにより、燃料電池の小型軽量化に寄与することが出来る。
【０１０３】
さて、図２のＣＰＵ３４は、図７において、各小角散乱線図Ｇ（２６℃）からＧ（１３０℃）のそれぞれのピークＰを、散乱角度２θの値をもってピーク位置として演算すると共に、散乱線強度の値をもってピーク強度として演算する。そして、ＣＰＵ３４は、演算によって特定された各小角散乱線図Ｇに対するピークＰを、例えば図７に示すようなドット表示によって小角散乱線図Ｇと共に表示する。
【０１０４】
以上の処理により、図７のグラフを観察する者は、湿度１００％の状態でイオン交換膜２９の温度を変化させたときの小角散乱線図Ｇにおけるピーク位置の変化及びピーク強度の変化を容易に識別できる。このような、ピーク位置の変化及びピーク強度の変化は、イオン交換膜２９の温度が湿度１００％の下で変化するときに、図１０（ｃ）及び図１１に示すイオン交換膜の分子構造がその温度変化に従って変化することに起因している訳であり、従って、観察者は、図７の小角散乱線図Ｇにおけるピーク位置の変化及び／又はピーク強度の変化を評価することにより、イオン交換膜２９の分子構造を評価できるということである。
【０１０５】
例えば、燃料電池に使用されるイオン交換膜２９の使用温度は室温〜１００℃未満程度の間の温度であると考えられる。特に、現在最も使用頻度の高い８０℃〜９０℃では、図７におけるＧ（８０℃）及びＧ（９０℃）の小角散乱線図を参照することにより、イオン交換膜２９の実際の使用状態における分子構造を評価できる。換言すれば、測定に供されたイオン交換膜２９の実際の使用状態におけるイオン交換能力を小角散乱線図Ｇ（８０℃）及びＧ（９０℃）によって評価できる。
【０１０６】
なお、本発明者の観察によれば、図７の小角散乱線図Ｇのピーク位置を知れば、イオン交換膜２９の分子構造を解明することができ、他方、小角散乱線図Ｇのピーク強度を知れば、イオン交換膜２９の分子構造における側鎖５６の数や構造の規則性が解明できる。
【０１０７】
以上の説明から明らかなように、図１のＸ線小角光学装置１及び図２の読取り装置２から成るＸ線測定装置を用いてイオン交換膜２９に対して図７の小角散乱線図Ｇを求めれば、実際の使用状態の下でのイオン交換膜の性能、例えばイオン交換能力を正確に評価できる。ＮＭＲ測定やＩＲ測定等といった従来の評価方法では、実際の使用状態下でのイオン交換膜の評価は困難であったが、Ｘ線小角散乱測定に基づいた本実施形態の評価方法によれば、そのような使用状態下におけるイオン交換膜の評価を行うことができる。
【０１０８】
また、特に、本実施形態では、Ｘ線測定装置を構成する図１のＸ線小角光学装置１において、冷却機能を備えたロータターゲットを用いてＸ線源３２を構成することによりＸ線源３２から高強度のＸ線を出射できるようにし、さらにコンフォーカルミラー６を用いてＸ線を集光してイオン交換膜２９へ照射するようにした。このため、イオン交換膜２９に対する小角散乱測定を非常に短時間に行うことができるようになった。
【０１０９】
また、本実施形態のようにイオン交換膜２９を湿潤状態に保持し、さらにその温度を１００℃近傍の高温に保持する場合には、小角散乱測定の測定時間が長くかかるようでは、イオン交換膜２９やそれを取り巻く水の状態が変化してしまい、正確なｉｎ−ｓｉｔｕ測定を行うことができなくなるおそれがある。このことに関し、本実施形態では、イオン交換膜２９に入射するＸ線の強度を高くして測定時間を短縮することにより、実際の使用環境下における正確な測定を実現した。
【０１１０】
（第２実施形態）
以上に説明した実施形態では、図７に示した小角散乱線図Ｇ及び図８に示した小角散乱線図Ｈのピーク位置の違い、小角散乱線図Ｇ，Ｈのピーク強度の違い、及び図９に示した２次元散乱図形Ｅの３つの要素に基づいてイオン交換膜２９の性能を評価したが、その評価は、それら３つの要素のうちの１つ又はいずれか２つの組み合わせによっても行うことができる。
【０１１１】
（第３実施形態）
以上に説明した実施形態では、１つのイオン交換膜２９を異なる複数の環境に置いたときに、それぞれの環境下における小角散乱線図Ｇや２次元散乱図形Ｅを求めて、その１つのイオン交換膜２９の分子構造の変化、従って性能の変化を評価した。
【０１１２】
これに代えて、他の実施形態では、分子構造が未知である複数のイオン交換膜をＸ線小角散乱測定に供して、複数のイオン交換膜のそれぞれについての小角散乱線図Ｇ，Ｈや２次元散乱図形Ｅを求め、複数のイオン交換膜間での分子構造の違いを評価することもできる。この場合、イオン交換膜の温度は一定温度に保持して測定を行うことができる。
【０１１３】
また、標準のイオン交換膜についての小角散乱線図Ｇ，Ｈを図２の処理部３３のメモリ３８に予め記憶しておいて、測定によって得られた小角散乱線図Ｇ，Ｈをその標準の小角散乱線図Ｇ，Ｈと比較することにより、測定対象であるイオン交換膜を評価することもできる。
【０１１４】
（第４実施形態）
以上に説明した実施形態では、ロータターゲットを用いたポイントフォーカスのＸ線源を用い、さらにＸ線集光手段としてコンフォーカルミラーを用いた。この構成に代えて、コンフォーカルミラー以外のＸ線集光手段を用いることができる。また、場合によっては、Ｘ線集光手段を用いない構成とすることもできる。また、場合によっては、ラインフォーカスのＸ線源を用いることもできる。また、場合によっては、ロータターゲット以外のターゲットを用いることもできる。
【０１１５】
また、図３において、Ｘ線源３からイオン交換膜２９に至るＸ線光路上、望ましくはＸ線源３からコンフォーカルミラー６に至るまでのＸ線光路上にモノクロメータを配設して、イオン交換膜２９に入射するＸ線を特定波長、例えばＣｕＫα線に単色化することもできる。また、コンフォーカルミラー６に相当するＸ線集光手段のそれ自体を単結晶モノクロメータによって構成することにより、単色化と集光とを同時に行うこともできる。
【０１１６】
（第５実施形態）
以上に説明した実施形態では、評価対象としてイオン交換膜を考えた。しかしながら、本発明に係る評価方法は、イオン交換膜以外の有機物を評価対象とすることもできる。このような有機物としては、有機高分子材料、ゲノム創薬等が考えられる。
【０１１７】
（第６実施形態）
以上に説明した実施形態では、Ｘ線小角光学装置として図１に示すような３スリット系の光学系を採用した。しかしながら、これ以外の構成のＸ線小角光学装置を用いることもできる。また、イオン交換膜２９を使用環境に保持する機構として図５に示す構造を採用したが、その他の任意の構造を採用することもできる。
【０１１８】
以上、好ましいいくつかの実施形態を挙げて本発明を説明したが、本発明はそれらの実施形態に限定されるものでなく、請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々に改変できる。
【０１１９】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、広く一般的に用いられている装置であるＸ線測定装置を用いるだけで、イオン交換膜等といった有機物の分子構造を正確に評価できる。また、Ｘ線測定装置は、試料に対して付帯機器を設備することに関してＮＭＲ装置やＩＲ装置に比べて自由度が高いので、試料に関する分子構造の評価を当該試料を実際の使用環境下に置いた状態で行うことができる。
【０１２０】
また、本発明によれば、イオン交換膜等といった有機物の周りの湿度を変化させる工程を実施することにしたので、湿度が変化する条件下で使用される物質のｉｎ−ｓｉｔｕ測定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るＸ線測定装置を構成するＸ線小角光学装置の一実施形態を示す正面図である。
【図２】本発明に係るＸ線測定装置を構成する読取り装置の一実施形態を示す図である。
【図３】図１に示すＸ線小角光学装置におけるＸ線の進行状態を模式的に示す図である。
【図４】図１のＸ線小角光学装置で用いられるＸ線源の一例を示す斜視図である。
【図５】図１のＸ線小角光学装置で用いられる試料支持装置の内部構造の一例を分解状態で示す斜視図である。
【図６】図１のＸ線小角光学装置において２次元Ｘ線検出器が散乱線で露光される状態を模式的に示す図である。
【図７】図２の読取り装置で読み取られた小角散乱線図の一例を示すグラフである。
【図８】図２の読取り装置で読み取られた小角散乱線図の他の一例を示すグラフである。
【図９】図１のＸ線小角光学装置によって２次元Ｘ線検出器に形成される２次元散乱図形の例を示す図であり、（ａ）は試料の分子構造の配列に乱れがある場合の２次元散乱図形を示し、（ｂ）は試料の分子構造がきれいに配列する場合の２次元散乱図形を示す。
【図１０】イオン交換膜の分子構造を模式的に示す図である。
【図１１】イオン交換膜の分子構造の一例を示す化学式である。
【図１２】イオン交換膜を用いた燃料電池の構造を模式的に示す図である。
【符号の説明】
１ Ｘ線小角光学装置（Ｘ線測定装置）
２ 読取り装置（Ｘ線測定装置）
３ Ｘ線源
４ Ｘ線管
６ コンフォーカルミラー（Ｘ線集光手段）
７ 第１スリット
８ 第２スリット
９ 第３スリット
１１ 試料支持装置
１２ 蓄積性蛍光体プレート（２次元Ｘ線検出器）
１７ 試料
２２ａ，２２ｂ ヒートプレート
２４ 試料室構造体
２６ 厚み部材
２７ａ，２７ｂ 遮蔽部材
２８ 試料室
２９ イオン交換膜
３１ 貫通穴
３２ 読取り機構部
３３ 処理部
４３ 映像表示装置
４６ 印字装置
５４ 直鎖
５６ 側鎖
５７ 分子構造の粒ユニット
ｄ０ 直鎖間距離
Ｅ ２次元散乱図形
Ｆ 焦点
Ｇ 小角散乱線図
Ｐ ピーク
Ｒ Ｘ線
Claims (16)
- イオン交換膜の性能を評価する評価方法において、
前記イオン交換膜の周りの湿度を変化させる工程と、
入射Ｘ線の光軸を中心とする小角度領域における散乱Ｘ線を検出できるＸ線測定装置を用いて、前記イオン交換膜に関する異なる湿度条件において、イオン交換膜の小角散乱線図を求める工程と
を有することを特徴とするイオン交換膜の評価方法。 - 請求項１において、
前記複数の小角散乱線図におけるピーク位置の違い及び／又はピーク強度の違いを求める工程
をさらに有することを特徴とするイオン交換膜の評価方法。 - 請求項１又は請求項２において、
イオン交換膜の周りの湿度を変化させる前記工程は、試料室の中に前記イオン交換膜を入れ、さらに湿度を有するガスを当該試料室に流すことにより行う
ことを特徴とするイオン交換膜の評価方法。 - 請求項１から請求項３の少なくともいずれか１つにおいて、前記小角散乱線図を求める工程は、前記イオン交換膜に関して２次元Ｘ線検出器を用いて２次元散乱図形を求める工程を有する
ことを特徴とするイオン交換膜の評価方法。 - 請求項１から請求項４の少なくともいずれか１つにおいて、前記Ｘ線測定装置は、前記イオン交換膜へ入射するＸ線の進行路上に配置されたＸ線集光手段を有することを特徴とするイオン交換膜の評価方法。
- 請求項５において、前記Ｘ線集光手段はコンフォーカルミラーであることを特徴とするイオン交換膜の評価方法。
- 請求項５又は請求項６において、前記Ｘ線測定装置はポイントフォーカスのＸ線源をさらに有することを特徴とするイオン交換膜の評価方法。
- 有機物の性能を評価する方法において、
前記有機物の周りの湿度を変化させる工程と、
入射Ｘ線の光軸を中心とする小角度領域における散乱Ｘ線を検出できるＸ線測定装置を用いて、前記有機物に関する異なる湿度条件において、前記有機物の小角散乱線図を求める工程と
を有することを特徴とする有機物の評価方法。 - 請求項８において、
前記複数の小角散乱線図におけるピーク位置の違い及び／又はピーク強度の違いを求める工程
をさらに有することを特徴とする有機物の評価方法。 - 請求項８又は請求項９において、
有機物の周りの湿度を変化させる前記工程は、試料室の中に前記有機物を入れ、さらに湿度を有するガスを当該試料室に流すことにより行う
ことを特徴とする有機物の評価方法。 - 請求項８から請求項１０の少なくともいずれか１つにおいて、
前記小角散乱線図を求める工程は、前記有機物に関して２次元Ｘ線検出器を用いて２次元散乱図形を求める工程
を有することを特徴とする有機物の評価方法。 - 請求項８から請求項１１の少なくともいずれか１つにおいて、前記Ｘ線測定装置は、前記有機物へ入射するＸ線の進行路上に配置されたＸ線集光手段を有することを特徴とする有機物の評価方法。
- 請求項１２において、前記Ｘ線集光手段はコンフォーカルミラーであることを特徴とする有機物の評価方法。
- 請求項１２又は請求項１３において、前記Ｘ線測定装置はポイントフォーカスのＸ線源をさらに有することを特徴とする有機物の評価方法。
- 入射Ｘ線の光軸を中心とする小角度領域における散乱Ｘ線を検出できるＸ線小角光学系と、
前記Ｘ線小角光学系を用いて測定した小角散乱線図のピーク位置を演算する手段と、
演算されたピーク位置を小角散乱線図と共に表示する手段と
を有することを特徴とするＸ線測定装置。 - 請求項１５において、
試料を収容すると共にＸ線を通過させることができる試料室と、
該試料室内の湿度を変化させる湿度調節手段と
を有することを特徴とするＸ線測定装置。
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