JP2019078593A - Crystal array detector, small angle scattering measurement device and small angle scattering measurement device - Google Patents

Crystal array detector, small angle scattering measurement device and small angle scattering measurement device Download PDF

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Abstract

To enable measurement and analysis of a structure over a wide range of sizes.SOLUTION: A crystal array detector includes: a vacuum chamber; a plurality of analyzer crystals which are arranged along an optical axis in the vacuum chamber and each of which is held at a different angle with respect to the optical axis; and a detector for detecting radiation scattered by each of the analyzer crystals. Each of the analyzer crystals selects the specific length and a scattering angle from among scatter radiation scattered by an external sample and incident on the vacuum chamber and then scatters.SELECTED DRAWING: Figure 6

Description

本発明は、小角散乱測定に関し、特に、結晶アレイ検出器を用いた超小角散乱測定に関する。   The present invention relates to small angle scatter measurements, and in particular to ultra small angle scatter measurements using crystal array detectors.

物質の非破壊検査に、X線、電子線、中性子線等の放射線が用いられている。X線は原子の持つ電子によって散乱されるのに対し、電荷を持たない中性子線は、原子核によって散乱される。X線小角散乱法は原子番号の大きい原子ほど感度が高くなるが、軽元素(水素等)の中性子に対する散乱能は、原子番号の大きな元素とほぼ同じオーダーの大きさである。   Radiation such as X-rays, electron beams and neutrons is used for nondestructive inspection of substances. While X-rays are scattered by electrons of atoms, neutrons without charge are scattered by nuclei. Small-angle X-ray scattering has higher sensitivity for atoms with larger atomic numbers, but the scattering ability of light elements (such as hydrogen) to neutrons is approximately the same order of magnitude as elements with larger atomic numbers.

中性子散乱を用いた測定と解析は、水素原子をはじめとする質量の軽い元素の解析に有効であり、タンパク質(生体高分子)の形態変化に起因する疾患の診断などに適用されている。一方、生体分子よりも大きな高分子の構造や空間分布を特定する際にも、中性子小角散乱測定が用いられ得る。散乱ベクトルの絶対値(または波数、以後これを「q」と呼ぶ)qの範囲を最適化して散乱データを得ることで、ゴム材料の充填材の形状と配置を効率良く特定する方法が提案されている(たとえば、特許文献1参照)。   Measurement and analysis using neutron scattering are effective for analysis of light-weight elements such as hydrogen atoms, and are applied to diagnosis of diseases caused by morphological changes of proteins (biopolymers). On the other hand, small-angle neutron scattering measurement can be used to specify the structure or spatial distribution of a polymer larger than a biomolecule. A method has been proposed to efficiently identify the shape and arrangement of the filler of the rubber material by optimizing the range of the absolute value of the scattering vector (or the wave number, hereinafter referred to as "q") and obtaining the scattering data. (See, for example, Patent Document 1).

特開2013−108800号公報JP, 2013-108800, A

一般に、中性子の小角散乱測定は、数ナノから数百ナノメータの内部構造の解析に用いられている。ミクロン領域の物質の解析には、通常は電子線や波長の長いレーザ光を用いた光学測定が適用される。しかし、測定対象物の種類や光学系の構成によっては、透過力の小さい電子線や長波長のレーザ光は試料を透過することができない。   In general, small angle scattering measurement of neutrons is used to analyze the internal structure of several nano to several hundreds of nano meter. For the analysis of substances in the micron range, optical measurement using electron beams or laser light with a long wavelength is usually applied. However, depending on the type of object to be measured and the configuration of the optical system, an electron beam with a small transmission power or a long wavelength laser beam can not pass through the sample.

構造体の空間周期と散乱ベクトルの大きさは、反比例の関係にある。散乱ベクトルqが大きいほど、微細な構造の解析が可能である。逆に、散乱ベクトルq(絶対値)を小さくする方向に拡張できれば、従来の小角散乱測定装置のプローブをそのまま用いて、より大きな空間構造を解析することができる。これは、中性子の小角散乱測定だけでなく、X線等の電磁放射線を用いた小角散乱測定にも当てはまる。   The spatial period of the structure and the magnitude of the scattering vector are in inverse proportion to each other. As the scattering vector q is larger, analysis of a finer structure is possible. Conversely, if the scattering vector q (absolute value) can be expanded in the direction of decreasing it, the probe of the conventional small angle scattering measurement device can be used as it is to analyze a larger spatial structure. This applies not only to small angle scattering measurement of neutrons, but also to small angle scattering measurement using electromagnetic radiation such as X-rays.

本発明は、広範囲の大きさにわたって構造体の測定と解析を可能にする超小角散乱測定装置を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide an ultra-small angle scattering measurement device which enables measurement and analysis of a structure over a wide range of sizes.

上記課題を解決するために、超小角の散乱を検出して、散乱ベクトルqの下限(最小値)を、より小さい方向に拡張する。具体的には、結晶アレイを用いた検出器を用いて、超小角で散乱された放射線を精度良く検出することで、広範囲の大きさの構造体の解析を実現する。   In order to solve the above problem, the scattering at very small angles is detected, and the lower limit (minimum value) of the scattering vector q is expanded in a smaller direction. Specifically, analysis of a structure with a wide range of sizes is realized by accurately detecting radiation scattered at an ultra-small angle using a detector using a crystal array.

本発明の第1の側面では、結晶アレイ検出器は、
真空チャンバと、
前記真空チャンバ内で光軸に沿って配置され、それぞれが前記光軸に対して異なる角度で保持される複数のアナライザ結晶と、
前記アナライザ結晶の各々で散乱された放射線を検出する検出器と、
を有し、
前記アナライザ結晶の各々は、外部の試料で散乱され前記真空チャンバに入射した散乱放射線の中から、特定の波長と散乱角を選択して散乱する。
In a first aspect of the invention, a crystal array detector is
A vacuum chamber,
A plurality of analyzer crystals disposed along the optical axis in the vacuum chamber and each held at a different angle to the optical axis;
A detector for detecting the radiation scattered by each of the analyzer crystals;
Have
Each of the analyzer crystals scatters by selecting a specific wavelength and a scattering angle from scattered radiation scattered by an external sample and incident on the vacuum chamber.

この構成により、散乱ベクトルqが小さい領域で大きな構造の解析が可能になる。   This configuration enables analysis of a large structure in a region where the scattering vector q is small.

発明の第2の側面では、結晶アレイ検出器を用いた小角散乱測定装置は、
試料を保持する試料ホルダと、前記試料で散乱された散乱放射線を検出する小角散乱検出器とを有する装置本体と、
前記装置本体の後段に配置される結晶アレイ検出器と、
を有し、
前記小角散乱検出器は、前記装置本体に入射する入射放射線の光軸上に開口を有し、
前記結晶アレイ検出器は、前記散乱放射線のうち、前記開口を通過して前記結晶アレイ検出器に入射した超小角の散乱放射線を検出する。
In a second aspect of the invention, a small angle scatterometer using a crystal array detector is:
An apparatus body comprising a sample holder for holding a sample, and a small angle scatter detector for detecting scattered radiation scattered by the sample;
A crystal array detector disposed downstream of the device body;
Have
The small angle scatter detector has an aperture on the optical axis of incident radiation incident on the device body,
The crystal array detector detects ultra-small-angle scattered radiation that has passed through the opening and has entered the crystal array detector among the scattered radiation.

この構成により、測定可能な対象物の大きさの範囲を拡張することができる。   This configuration can expand the range of measurable object sizes.

上記の構成により、広範囲の大きさにわたって物質の測定と解析が可能になる。   The above configuration enables measurement and analysis of substances over a wide range of sizes.

実施形態の小角散乱測定装置の上面模式図である。It is an upper surface schematic diagram of the small angle scattering measurement device of an embodiment. 装置本体の模式的な斜視図である。FIG. 2 is a schematic perspective view of an apparatus main body. 小角散乱検出器の模式図である。It is a schematic diagram of a small angle scattering detector. 飛行時間法を説明する概念図である。It is a conceptual diagram explaining a time-of-flight method. 飛行時間法を説明する概念図である。It is a conceptual diagram explaining a time-of-flight method. 実施形態の結晶アレイ検出器の概略上面図である。It is a schematic top view of the crystal array detector of an embodiment. 結晶アレイ検出器による超小角散乱検出の原理を説明する図である。It is a figure explaining the principle of ultra-small angle scattering detection by a crystal array detector. 結晶アレイ検出器による中性子カウント数を示す図である。It is a figure which shows the neutron count number by a crystal | crystallization array detector. 小角散乱検出器での測定結果を示す図である。It is a figure which shows the measurement result in a small angle scattering detector. 結晶アレイ検出器を配置したことによる解析範囲(散乱ベクトル範囲)の拡張を示す図である。It is a figure which shows the expansion of the analysis range (scattering vector range) by having arrange | positioned the crystal array detector.

図1は、実施形態の小角散乱測定装置1の上面から見た構成模式図である。小角散乱測定装置1は、中性子などの粒子放射線を用いた小角散乱測定装置であってもよいし、X線等の高輝度な電磁放射線を用いた小角散乱測定装置であってもよい。以下の例では、中性子小角散乱を例にとって説明する。   FIG. 1 is a schematic view of the configuration of the small-angle scattering measurement device 1 according to the embodiment as viewed from the top. The small-angle scattering measurement apparatus 1 may be a small-angle scattering measurement apparatus using particle radiation such as neutrons, or may be a small-angle scattering measurement apparatus using high-intensity electromagnetic radiation such as X-rays. In the following example, small-angle neutron scattering is taken as an example.

小角散乱測定装置1は、装置本体10と、中性子線の入射側からみて装置本体10の後方に配置される結晶アレイ検出器20を有する。装置本体10の入射側に、入射中性子束を平行に絞り込むコリメータ5が配置されていてもよい。   The small angle scattering measurement device 1 has a device body 10 and a crystal array detector 20 disposed behind the device body 10 as viewed from the neutron beam incident side. A collimator 5 that narrows the incident neutron flux in parallel may be disposed on the incident side of the apparatus main body 10.

装置本体10は、一例として、後方散乱を検出する後方散乱検出バンク13、光軸と直交する面内方向の散乱を検出する90°検出バンク14、前方散乱を検出する低角検出バンク15、及び小角散乱を検出する小角散乱検出器11を有する。90°検出バンク14の試料散乱槽19の内部に試料ホルダ12が配置され、試料30を保持する。   The device body 10 includes, as an example, a backscattering detection bank 13 for detecting backscattering, a 90 ° detection bank 14 for detecting scattering in an in-plane direction orthogonal to the optical axis, a low angle detection bank 15 for detecting forward scattering, It has a small angle scattering detector 11 which detects small angle scattering. The sample holder 12 is disposed inside the sample scattering tank 19 of the 90 ° detection bank 14 and holds the sample 30.

実施形態の特徴として、装置本体10の後端面に、開口111を有する小角散乱検出器11が配置され、小角散乱検出器11のさらに後方に、結晶アレイ検出器20が配置されている。結晶アレイ検出器20は、真空状態を保った状態で小角散乱検出器11の開口111に接続されている。   As a feature of the embodiment, the small angle scattering detector 11 having the opening 111 is disposed at the rear end face of the device body 10, and the crystal array detector 20 is disposed further to the rear of the small angle scattering detector 11. The crystal array detector 20 is connected to the opening 111 of the small angle scattering detector 11 while maintaining a vacuum state.

開口111は、開口の中心が光軸とほぼ一致するように、小角散乱検出器11の中央部に形成され、小角散乱検出器11で検出されない超小角の散乱中性子を通過させる。小角散乱検出器11は、開口111以外の領域で小角散乱を検出する。小角散乱とは、一般的に散乱角(2θ)が5°〜6°以下の散乱をいう。開口111は、小角散乱検出器11の不感帯に対応する位置に設けられており、その径はたとえば100mmである。   The aperture 111 is formed at the center of the small angle scattering detector 11 so that the center of the aperture substantially coincides with the optical axis, and passes ultra-small angle scattered neutrons not detected by the small angle scattering detector 11. The small angle scattering detector 11 detects small angle scattering in a region other than the aperture 111. Small-angle scattering generally means scattering with a scattering angle (2θ) of 5 ° to 6 ° or less. The opening 111 is provided at a position corresponding to the dead zone of the small angle scattering detector 11, and its diameter is, for example, 100 mm.

小角散乱検出器11の開口111を通過するのは、非常に小さい散乱角で試料30から散乱された中性子か、または散乱(または回折)をせずに試料30を透過した中性子線である。ここでは、2θ方向への非常に小さい角度での散乱を便宜上、「超小角散乱」と称する。   Passing through the aperture 111 of the small angle scattering detector 11 is neutron scattered from the sample 30 at a very small scattering angle or neutron beam transmitted through the sample 30 without scattering (or diffraction). Here, scattering at a very small angle in the 2θ direction is referred to as “ultra-small-angle scattering” for convenience.

装置本体10の後方に結晶アレイ検出器20を配置することで、小角散乱検出器11で検出されなかった超小角散乱中性子を検出して、小角散乱測定のデータ点の範囲を超小角領域へ拡張する。計測範囲の拡張の方向は、散乱ベクトルqの大きさの下限が拡がる方向であり、解析可能な空間周期dを大きくする方向である。小角散乱検出器11と、後段の結晶アレイ検出器20の具体的な構成と検出原理については、後述する。   By arranging the crystal array detector 20 behind the device body 10, the ultra-small angle scattered neutrons not detected by the small angle scattering detector 11 are detected, and the range of data points of the small angle scattering measurement is extended to the ultra small angle region Do. The direction of extension of the measurement range is the direction in which the lower limit of the magnitude of the scattering vector q extends, and is the direction in which the spatial period d that can be analyzed is increased. Specific configurations and detection principles of the small angle scattering detector 11 and the crystal array detector 20 at the subsequent stage will be described later.

測定動作では、中性子発生ターゲット2から出力された中性子束は、中性子導管3によって小角散乱測定装置1の方向へ導かれ、コリメータ5でコリメートされて装置本体10に入射する。中性子源としては、放射性同位体を利用するもの、原子炉を用いるもの、加速器を利用するものなど、任意の中性子源を用いることができる。ここでは一例として、シンクロトロンで加速された陽子を、水銀(Hg)の中性子発生ターゲット2に衝突させて、核破砕反応により中性子を生成する。   In the measurement operation, the neutron flux output from the neutron generation target 2 is guided by the neutron conduit 3 in the direction of the small angle scattering measurement device 1, collimated by the collimator 5, and is incident on the device main body 10. As a neutron source, any neutron source can be used, such as one using radioactive isotopes, one using a nuclear reactor, and one using an accelerator. Here, as an example, protons accelerated by a synchrotron collide with a neutron generation target 2 of mercury (Hg) to generate neutrons by a spallation reaction.

コリメータ5は、たとえば、中性子に対して不透過な層(たとえばシリコンウエハ上に塗布した酸化ガドリニウム)と透過層(たとえばシリコンウエハや空気層)を交互に配置した多層コリメータであり、中性子束の断面形状を整形して、平行なビームを生成する。一例として、角柱、円柱等の不透明材をビーム軸に沿って、井桁型、六角形型等に組み合わせることで、所望の開口を持った多層コリメータを形成することができる。   The collimator 5 is, for example, a multilayer collimator in which layers impervious to neutrons (for example, gadolinium oxide coated on a silicon wafer) and permeable layers (for example, a silicon wafer or an air layer) are alternately arranged. Shape the shape to produce parallel beams. As an example, a multi-layered collimator having a desired opening can be formed by combining opaque materials such as prisms, cylinders, etc. along the beam axis in a well-gage type, a hexagonal type, or the like.

コリメートされた中性子束は、装置本体10内で試料ホルダ12に保持された試料30に入射する。試料30は、試料面に対する入射中性子線の角度θが非常に浅い角度となるように保持されている。入射中性子は、ブラッグの回折条件を満たす場合は、散乱角2θで多様な方向に散乱される。実際には、原子の配置によって決まる方向への回折が支配的であるが、全方向への散乱を検出することで、検出精度を高める。ブラッグ条件を満たさない場合は、中性子は散乱されずにそのまま試料30を透過する。   The collimated neutron flux is incident on the sample 30 held by the sample holder 12 in the apparatus main body 10. The sample 30 is held such that the angle θ of the incident neutron beam with respect to the sample surface is a very shallow angle. Incident neutrons are scattered in various directions at a scattering angle 2θ if they satisfy Bragg's diffraction conditions. In practice, diffraction in a direction determined by the arrangement of atoms is dominant, but detecting scattering in all directions improves detection accuracy. If the Bragg condition is not satisfied, the neutrons will not be scattered but will pass through the sample 30 as they are.

コリメータ5は、小角散乱検出器11の開口111の中心に照準を合わせており、超小角で散乱した散乱中性子が、開口111を通って後段の結晶アレイ検出器20に入射するように小角散乱測定装置1は設計されている。装置本体10で後方散乱、直交散乱、前方散乱、及び小角散乱を含む全散乱が検出される。装置本体10の不感帯を通過した超小角散乱中性子は、後段の結晶アレイ検出器20で検出される。結晶アレイ検出器20をそのまま透過した中性子は、ビームダンパ7で吸収される。   The collimator 5 is aimed at the center of the opening 111 of the small angle scattering detector 11, and the small angle scattering measurement is performed so that the scattered neutrons scattered at an extremely small angle are incident on the subsequent crystal array detector 20 through the opening 111. The device 1 is designed. The device body 10 detects total scattering including backscattering, orthogonal scattering, forward scattering, and small angle scattering. The ultra-small angle scattered neutrons that have passed through the dead zone of the device body 10 are detected by the crystal array detector 20 at the subsequent stage. The neutrons transmitted through the crystal array detector 20 as they are are absorbed by the beam damper 7.

装置本体10と結晶アレイ検出器20は、プロセッサ50に接続されており、装置本体10での検出結果と、結晶アレイ検出器20での検出結果が、それぞれプロセッサ50に供給される。プロセッサ50は検出結果を解析して、試料30の内部構造、内部分布等を解析する。   The device body 10 and the crystal array detector 20 are connected to the processor 50, and the detection result of the device body 10 and the detection result of the crystal array detector 20 are respectively supplied to the processor 50. The processor 50 analyzes the detection result and analyzes the internal structure, internal distribution, and the like of the sample 30.

図2は、装置本体10の概略斜視図である。線源から見て、装置本体10の後方に結晶アレイ検出器20が配置されている。装置本体10の後方散乱検出バンク13は、中性子束の入射側に後方散乱検出器16を有する。90°検出バンク14は、その周囲に直交散乱検出器17を有する。低角検出バンク15は、90°検出バンク14の後方に位置し、側面に沿って低角散乱検出器18を有する。低角散乱検出器18は、試料30から前方に散乱された中性子を検出する。   FIG. 2 is a schematic perspective view of the apparatus main body 10. The crystal array detector 20 is disposed behind the device body 10 as viewed from the radiation source. The backscattering detection bank 13 of the device body 10 has a backscattering detector 16 on the entrance side of the neutron flux. The 90 ° detection bank 14 has orthogonal scatter detectors 17 around it. The low angle detection bank 15 is located behind the 90 ° detection bank 14 and has a low angle scatter detector 18 along the side. The low angle scattering detector 18 detects neutrons scattered forward from the sample 30.

小角散乱検出器11は、装置本体10の後端面で小角散乱された中性子を検出する。小角散乱検出器11で検出されない超小角の散乱中性子は、開口111から後方の結晶アレイ検出器20に入射する。   The small angle scattering detector 11 detects neutrons scattered at small angles at the rear end face of the device body 10. Very small angle scattered neutrons not detected by the small angle scattering detector 11 enter the crystal array detector 20 rearward from the opening 111.

後方散乱検出器16、直交散乱検出器17、低角散乱検出器18、及び小角散乱検出器11の出力は、それぞれプロセッサ50に接続されている。プロセッサ50は、後方散乱検出器16、直交散乱検出器17、低角散乱検出器18、及び小角散乱検出器11からのデータを、個別に解析することも、統合して解析することもできる。   The outputs of the backscattering detector 16, the orthogonal scattering detector 17, the low angle scattering detector 18 and the small angle scattering detector 11 are each connected to a processor 50. Processor 50 may analyze the data from backscatter detector 16, orthogonal scatter detector 17, low angle scatter detector 18, and small angle scatter detector 11 separately or collectively.

装置本体10の各バンクで後方散乱、直交散乱、及び前方散乱を検出することで、散乱ベクトルqが5nm-1(0.5Å-1)以上の測定範囲がカバーされる。以下で説明するように、小角散乱検出器11を設けることで、散乱ベクトルqが7×10-2nm-1〜5nm-1(0.007Å-1〜0.5Å-1)の範囲をカバーすることができる。さらに、超小角の散乱を検出する結晶アレイ検出器20はq≦7×10-2nm-1の範囲をカバーすることができる。散乱角の小さいところほど、大きな空間構造を反映している。また、入射中性子の波長が長いほど、大きな空間構造を測定できる。 By detecting backscattering, orthogonal scattering, and forward scattering in each bank of the device body 10, a measurement range of a scattering vector q of 5 nm −1 (0.5 Å −1 ) or more is covered. As described below, by providing the small angle scattering detector 11, the scattering vector q covers the range of 7 × 10 -2 nm -1 to 5 nm -1 (0.007 Å -1 to 0.5 Å -1 ). can do. Furthermore, the crystal array detector 20 that detects ultra-small angle scattering can cover the range of q ≦ 7 × 10 −2 nm −1 . The smaller the scattering angle, the larger the spatial structure. Also, the longer the wavelength of incident neutrons, the larger the spatial structure can be measured.

散乱ベクトルqは、
q=(4π/λ)sinθ (1)
で表される。λは中性子の波長、θは散乱角の1/2である。散乱角(2θ)は、入射線の透過方向と散乱方向が成す角度である。加速型の中性子束の場合、白色中性子であり、多様な波長の中性子が含まれている。
The scattering vector q is
q = (4π / λ) sin θ (1)
Is represented by λ is the wavelength of neutrons, and θ is half the scattering angle. The scattering angle (2θ) is an angle formed by the transmission direction of the incident ray and the scattering direction. In the case of accelerated neutron flux, it is a white neutron and contains neutrons of various wavelengths.

ブラッグの回折条件は、
2d*sinθ=λ (2)
で表され、試料30の空間周期dの構造が、2θ方向の散乱に寄与するときの条件を表わしている。
Bragg's diffraction condition is
2d * sin θ = λ (2)
And represents the condition under which the structure of the spatial period d of the sample 30 contributes to scattering in the 2θ direction.

式(1)と式(2)から、
q=2π/d (3)
が導かれる。qが大きくなるほど、空間周期dは小さくなり、微細な構造を解析することができる。
From equations (1) and (2),
q = 2π / d (3)
Led. As q increases, the spatial period d decreases, and a fine structure can be analyzed.

散乱ベクトルqの大きさを小さくすることで、より大きな空間サイズ、たとえばミクロンオーダーの大きさの構造体を解析することができる。式(1)から、θが小さいほど、すなわち2θが小さいほど散乱ベクトルqは小さくなる。   By reducing the size of the scattering vector q, it is possible to analyze a structure having a larger space size, for example, a size on the order of microns. From equation (1), the scattering vector q becomes smaller as θ is smaller, that is, as 2θ is smaller.

図1の構成では、装置本体10の後端の小角散乱検出器11で小角散乱を検出し、小角散乱検出器11の後段の結晶アレイ検出器20で、超小角散乱を検出する。これにより、同じ装置で同じ中性子プローブを用いて、広いqの範囲で測定及び解析が可能になる。   In the configuration of FIG. 1, small angle scattering is detected by the small angle scattering detector 11 at the rear end of the device main body 10, and ultra small angle scattering is detected by the crystal array detector 20 at the rear stage of the small angle scattering detector 11. This enables measurement and analysis in a wide q range using the same neutron probe in the same device.

図3は、小角散乱検出器11の模式図である。小角散乱検出器11は、多数の棒状の中性子検出器112を多層に組み合わせて形成されている。図3の例では、棒状の中性子検出器112は三層に組み立てられ、中央に開口111を露出している。一層目は、長軸が装置の垂直断面の横方向に延びる中性子検出器112aで形成されている。二層目は、長軸が装置の垂直断面の縦方向に延びる中性子検出器112bで形成されている。三層目は、長軸が装置の垂直断面の横方向に延びる中性子検出器112cで形成されている。開口111を除いて、隙間なく中性子検出器112a〜112cを並べることで、小角散乱された中性子を効率良く検出する。   FIG. 3 is a schematic view of the small angle scattering detector 11. The small angle scattering detector 11 is formed by combining a large number of rod-like neutron detectors 112 in a multilayer. In the example of FIG. 3, the rod-like neutron detector 112 is assembled in three layers and exposes the opening 111 at the center. The first layer is formed of a neutron detector 112a whose major axis extends transverse to the vertical cross section of the device. The second layer is formed of a neutron detector 112b whose major axis extends in the longitudinal direction of the vertical cross section of the device. The third layer is formed of a neutron detector 112c whose major axis extends laterally in the vertical cross section of the device. By arranging the neutron detectors 112a to 112c without gaps except for the opening 111, neutrons scattered in small angles are efficiently detected.

中性子検出器112の内部には、中性子と相互作用(核反応)するガスが封入されている。ここでは、3Heガスを封入したHe検出器を用いるが、これに限定されず、リチウム(Li)、ボロン(B)を中性子検出物質として含む検出器を用いてもよい。中性子検出器112の中心に電極が通っており、電極と容器内壁の間に電圧が印加されている。3Heガスを用いる場合は、中性子と3Heの衝突で生じる荷電粒子(プロトン)により電離された電子が電界により電極に惹きつけられて、電流が流れる。 Inside the neutron detector 112 is enclosed a gas that interacts (nuclear reaction) with neutrons. Here, a He detector in which 3 He gas is sealed is used, but not limited to this, a detector including lithium (Li) and boron (B) as a neutron detection substance may be used. An electrode passes through the center of the neutron detector 112, and a voltage is applied between the electrode and the inner wall of the vessel. When 3 He gas is used, electrons ionized by charged particles (protons) generated by collision of neutrons and 3 He are attracted to the electrode by the electric field, and current flows.

小角散乱検出器11の出力はプロセッサ50に接続されており、飛行時間法により散乱強度が計測される。中性子の波長λ(すなわちエネルギー)は、中性子の飛行時間、すなわち中性子の出力時刻と検出時刻の時間差から算出される。   The output of the small angle scattering detector 11 is connected to the processor 50, and the scattering intensity is measured by the time of flight method. The wavelength λ (ie, energy) of the neutron is calculated from the time of flight of the neutron, ie, the time difference between the output time of the neutron and the detection time.

棒状の中性子検出器112にはそれぞれ識別番号が与えられており、検出位置が特定される。さらに、中性子検出器112の電極の両端の出力差から、その中性子検出器112での一次元方向の検出位置が特定される。試料30の位置から小角散乱検出器11までの距離はあらかじめわかっており、検出位置により散乱角(2θ)が特定される。波長λと角度θがわかれば、式(1)から散乱ベクトルqが算出され、測定された散乱強度を、散乱ベクトルqの関数としてプロットすることができる。   The rod-like neutron detectors 112 are each assigned an identification number, and the detection position is specified. Further, from the power difference between both ends of the electrode of the neutron detector 112, the detection position in the one-dimensional direction in the neutron detector 112 is specified. The distance from the position of the sample 30 to the small angle scattering detector 11 is known in advance, and the scattering angle (2θ) is specified by the detection position. Knowing the wavelength λ and the angle θ, the scattering vector q can be calculated from equation (1) and the measured scattering intensity can be plotted as a function of the scattering vector q.

図4と図5は、飛行時間法による中性子測定の概念図である。イオン源から陽子を加速して、たとえば25Hz(1/40ms)で中性子発生ターゲット2に衝突させる。衝突により、中性子発生ターゲット2からパルス中性子が出力される。このパルス中性子は、図4に示すように、連続したエネルギー分布(速度分布)を持ったパルスである。   4 and 5 are conceptual diagrams of neutron measurement by the time of flight method. The protons are accelerated from the ion source and collide with the neutron generation target 2 at, for example, 25 Hz (1/40 ms). Due to the collision, pulsed neutrons are output from the neutron generation target 2. The pulsed neutrons are pulses having a continuous energy distribution (velocity distribution) as shown in FIG.

線源(中性子発生ターゲット2)から試料30までの距離をL1、試料30から小角散乱検出器11の各中性子検出器112までの距離をL2とする。中性子発生ターゲット2での中性子発生タイミングと検出タイミングがわかれば、中性子の飛行時間がわかる。距離L1とL2はあらかじめ設計により設定されている。飛行時間と飛行距離から、検出された中性子の速度、すなわちエネルギーがわかる。   The distance from the radiation source (neutron generation target 2) to the sample 30 is L1, and the distance from the sample 30 to each neutron detector 112 of the small angle scattering detector 11 is L2. If the neutron generation timing and detection timing at the neutron generation target 2 are known, the flight time of the neutron can be known. The distances L1 and L2 are set in advance by design. From the time of flight and flight distance, we can know the velocity of the detected neutron, that is, the energy.

なお、試料30で散乱された中性子のうち、超小角で散乱された散乱中性子は、小角散乱検出器11の開口111を通過し、後述する原理により結晶アレイ検出器20で検出される。   Among the neutrons scattered by the sample 30, scattered neutrons scattered at an ultra-small angle pass through the opening 111 of the small-angle scattering detector 11, and are detected by the crystal array detector 20 according to the principle described later.

図5を参照すると、たとえば25Hzで線源からパルス中性子束が出力される。中性子束に含まれる中性子のエネルギー(波長)によって、中性子検出器112に到着する中性子の時間が異なる。高エネルギー(短波長)の中性子は、先に中性子検出器112に到着し、低エネルギー(長波長)の中性子は、遅れて中性子検出器112に到着する。図5において、中性子の出力パルスから検出位置へ延びる斜めの線分の傾斜が、中性子の速度を示している。パルス発生時刻と検出時間をモニタすることで、検出された中性子のエネルギー、すなわち波長を知ることができる。   Referring to FIG. 5, a pulsed neutron flux is output from the source at, for example, 25 Hz. The time of neutrons arriving at the neutron detector 112 differs depending on the energy (wavelength) of the neutrons contained in the neutron flux. The high energy (short wavelength) neutrons first arrive at the neutron detector 112, and the low energy (long wavelength) neutrons arrive at the neutron detector 112 later. In FIG. 5, the slope of the oblique line segment extending from the output pulse of the neutron to the detection position indicates the velocity of the neutron. By monitoring the pulse generation time and detection time, it is possible to know the energy of the detected neutron, that is, the wavelength.

図5では、1回のパルスごとに中性子の検出時間を計測するシングルフレームモードで測定を行っているが、中性子のエネルギー分布の幅が大きいときは、パルス間隔よりも検出時間の遅延のほうが大きくなり得る。その場合は、ひとつおきにパルス中性子をマスキングして、ダブルフレームモードで動作させてもよい。   In FIG. 5, the measurement is performed in a single frame mode in which the detection time of neutrons is measured for each pulse, but when the width of the energy distribution of neutrons is large, the delay of detection time is larger than the pulse interval It can be. In that case, every other pulse neutron may be masked to operate in the double frame mode.

図6は、実施形態の結晶アレイ検出器20の上面図である。小角散乱検出器11の開口111を通過した中性子は、結晶アレイ検出器20に入射する。結晶アレイ検出器20は真空チャンバ25を有し、真空チャンバ25内で、光軸に沿って複数の結晶が配列されている。結晶は、たとえば長方形、正方形等に加工されたシリコン結晶板である。この例では、10枚のシリコン結晶21−1〜21−10(以下、適宜「シリコン結晶21」と総称する)が光軸に沿って配置されている。シリコン結晶のサイズは、たとえば100mm×50mm×0.5mmである。シリコン結晶21−1〜21−10の各々は、ゴニオメータ等の駆動手段に接続されたホルダに保持されており、プロセッサ50によってその角度が個別に調整可能である。   FIG. 6 is a top view of the crystal array detector 20 of the embodiment. Neutrons that have passed through the opening 111 of the small angle scattering detector 11 enter the crystal array detector 20. The crystal array detector 20 has a vacuum chamber 25 in which a plurality of crystals are arranged along the optical axis. The crystal is, for example, a silicon crystal plate processed into a rectangle, a square or the like. In this example, ten silicon crystals 21-1 to 21-10 (hereinafter collectively referred to as "silicon crystals 21" as appropriate) are disposed along the optical axis. The size of the silicon crystal is, for example, 100 mm × 50 mm × 0.5 mm. Each of the silicon crystals 21-1 to 21-10 is held by a holder connected to a driving means such as a goniometer, and the angle thereof can be adjusted individually by the processor 50.

結晶アレイ検出器20の内側の側壁には、シリコン結晶21−1〜21−10の配列と平行に検出器22が配置されている。シリコン結晶21−1〜21−10の入射面は、光軸に対してそれぞれ異なる角度で傾斜している。シリコン結晶21−1〜21−10の各々で散乱された中性子は、検出器22で検出される。   On the inner side wall of the crystal array detector 20, a detector 22 is disposed in parallel with the array of silicon crystals 21-1 to 21-10. The incident planes of the silicon crystals 21-1 to 21-10 are inclined at different angles with respect to the optical axis. The neutrons scattered by each of the silicon crystals 21-1 to 21-10 are detected by the detector 22.

検出器22は、たとえば内径が12.5mm、有感長が600mmの棒状のHe検出器である。検出器22の有感長はシリコン結晶21−1〜21−10の配列長よりも長く、検出器22において、一次元方向に中性子の検出位置を特定することができる。結晶アレイ検出器20の内面は、検出器22を除いて、ゴム等の中性子吸収材で覆われている。   The detector 22 is, for example, a rod-like He detector having an inner diameter of 12.5 mm and a sensing length of 600 mm. The sensing length of the detector 22 is longer than the arrangement length of the silicon crystals 21-1 to 21-10, and the detector 22 can specify the detection position of neutrons in a one-dimensional direction. The inner surface of the crystal array detector 20 is covered with a neutron absorbing material such as rubber except for the detector 22.

中性子は電荷を持たないため、物質への透過性に優れる。シリコンの完全結晶では、中性子はほぼ100%の透過率で透過する。ただし、中性子がシリコンを通過する際に、結晶面の状態(格子面間隔と格子面に対する中性子線の入射角度θ)と、中性子線の波長λがブラッグの回折条件(2d*sinθ=λ)を満たす場合は、中性子線の一部が2θの方向に回折(散乱)する。   Since neutrons have no charge, they have excellent permeability to substances. In a perfect crystal of silicon, neutrons transmit with almost 100% transmission. However, when neutrons pass through silicon, the state of the crystal plane (lattice plane spacing and incident angle θ of the neutron beam with respect to the lattice plane), and the wavelength λ of the neutron beam satisfy Bragg's diffraction condition (2d * sin θ = λ) In the case of filling, part of the neutron beam is diffracted (scattered) in the direction of 2θ.

シリコン結晶21に入射するのは、試料30で散乱された中性子である。シリコン結晶21は、試料30で散乱された中性子のうち、特定のエネルギーのものだけを選別するアナライザとして機能する。   The neutrons incident on the silicon crystal 21 are neutrons scattered by the sample 30. The silicon crystal 21 functions as an analyzer that selects only neutrons of specific energy among neutrons scattered by the sample 30.

シリコンの(111)面の格子面間隔は、ブラッグの回折条件の空間周期dに対応し、約0.31nmである。入射角度θは、光軸に対するシリコン結晶21の入射面の角度で決まる。結晶アレイ検出器20に入射した超小角の散乱中性子のうち、2d*sinθ=λを満たす波長(エネルギー)の中性子は、シリコン結晶21で散乱されて検出器22で検出される。ブラッグの条件を満たさない(オフブラッグ条件の)中性子は、シリコン結晶21をそのまま透過する。   The lattice spacing of the (111) plane of silicon corresponds to the space period d of Bragg's diffraction condition and is about 0.31 nm. The incident angle θ is determined by the angle of the incident surface of the silicon crystal 21 with respect to the optical axis. Among the ultrasmall-angle scattered neutrons incident on the crystal array detector 20, neutrons of a wavelength (energy) satisfying 2d * sin θ = λ are scattered by the silicon crystal 21 and detected by the detector 22. Neutrons that do not satisfy the Bragg's condition (off Bragg's condition) pass through the silicon crystal 21 as they are.

複数のシリコン結晶21−1〜21−10を光軸に沿って異なる角度で直列に並べて結晶アレイを構成することで、試料30により超小角で散乱された中性子のうち、異なる回折条件を満たす中性子を順次検出することができる。   By arranging a plurality of silicon crystals 21-1 to 21-10 in series at different angles along the optical axis to configure a crystal array, neutrons that satisfy different diffraction conditions among neutrons scattered at an ultra-small angle by the sample 30 Can be detected sequentially.

異なる回折条件とは、上述のように、波長λと散乱角2θの2つのパラメータの組み合わせであり、多種多様な組み合わせがある。異なる角度で直列に配置された結晶アレイによって、異なる波長の散乱中性子が順次、検出器22で検出される。   The different diffraction conditions are, as described above, a combination of two parameters of the wavelength λ and the scattering angle 2θ, and there are various combinations. By means of a crystal array arranged in series at different angles, scattered neutrons of different wavelengths are detected in sequence by the detector 22.

検出器22の出力はプロセッサ50に接続されており、小角散乱検出器11と同様に散乱強度(カウント数)が計測され、飛行時間法で中性子の波長λが特定される。検出器22での検出位置から散乱角2θがわかるので、散乱ベクトルqが求められる。   The output of the detector 22 is connected to the processor 50, and the scattering intensity (count number) is measured similarly to the small angle scattering detector 11, and the wavelength λ of the neutron is specified by the time of flight method. Since the scattering angle 2θ is known from the detection position at the detector 22, the scattering vector q is obtained.

図7は、結晶アレイ検出器20による超小角散乱検出の原理を説明する図である。図7では図示の便宜上、5枚のシリコン結晶21−1〜21−5を用いて説明する。シリコン結晶21−1〜21−5の入射面は、中性子線の光軸に対してそれぞれ異なる角度θ、θ、θ、θ、θで保持されている。 FIG. 7 is a diagram for explaining the principle of ultra-small angle scattering detection by the crystal array detector 20. As shown in FIG. In FIG. 7, for convenience of illustration, description will be made using five silicon crystals 21-1 to 21-5. The incident planes of the silicon crystals 21-1 to 21-5 are held at different angles θ 1 , θ 2 , θ 3 , θ 4 , and θ 5 with respect to the optical axis of the neutron beam.

各シリコン結晶21−iで散乱される中性子の散乱ベクトルqは、
=(4π/λ)sinθ (4)
で表される。
The scattering vector q i of neutrons scattered by each silicon crystal 21- i is
q i = (4π / λ i ) sin θ i (4)
Is represented by

シリコン結晶21−3に着目すると、光軸に対してθ=49.95°の角度で保持されており、格子面間隔(空間周期d)は0.31nmである。式(2)は正確には、
2d*sinθ=nλ (2A)
と記載される。ここで、n=1,1/2,1/3,1/4,…であり、高調波の成分を表わす。
Focusing on the silicon crystal 21-3, it is held at an angle of θ 3 = 49.95 ° with respect to the optical axis, and the lattice spacing (space period d) is 0.31 nm. Formula (2) is exactly
2d * sin θ = nλ (2A)
It is described as Here, n = 1, 1/2, 1/3, 1/4,..., Which represent harmonic components.

シリコン結晶21−3で散乱され検出器22で検出される中性子の波長λは、n=1のとき、0.5nmと見積られる。散乱ベクトルqは、算出された波長λと中性子の入射角θから、q=(4π/λ)sinθで求められる。 The wavelength λ 3 of the neutrons scattered by the silicon crystal 21-3 and detected by the detector 22 is estimated to be 0.5 nm when n = 1. Scattering vector q 3 from the calculated wavelength lambda 3 and neutrons incident angle theta 3, obtained by the q 3 = (4π / λ 3 ) sinθ 3.

検出器22の中心を通る電極(ワイヤ)の有感長を1に規格化すると、電極の両端で検出される電荷の比Q1/Q2は、x/(1−x)である。シリコン結晶21−3で散乱された中性子の検出位置x3は、Q1/(Q1+Q2)で求められ、どのシリコン結晶21で散乱されたのかを特定できる。角度θと波長λが分かれば、散乱強度を散乱ベクトルqの関数としてプロットすることができる。 When the sensitive length of the electrode (wire) passing the center of the detector 22 is normalized to 1, the ratio Q1 / Q2 of the charges detected at both ends of the electrode is x 3 / (1−x 3 ). The detection position x3 of the neutrons scattered by the silicon crystal 21-3 is determined by Q1 / (Q1 + Q2), and it can be specified by which silicon crystal 21 the scattering is performed. Once the angle θ and the wavelength λ are known, the scattering intensity can be plotted as a function of the scattering vector q i .

検出位置xの特定は、電極両端の電荷の比に替えて、電極両端での電気信号発生の時間差を用いてもよい。あるいは、各シリコン結晶21の直前に、複数の縦方向のスリットを有するカドミウム(Cd)製のスリット板を配置して、中性子の軌道を特定することで検出位置を決定してもよい。   The detection position x may be specified by using a time difference of electric signal generation at both ends of the electrode instead of the ratio of charges at both ends of the electrode. Alternatively, a slit plate made of cadmium (Cd) having a plurality of longitudinal slits may be disposed immediately before each silicon crystal 21 and the detection position may be determined by specifying the trajectory of neutrons.

図8は、シリコン結晶21−3で散乱された中性子の計測結果を示す。横軸は飛行時間(マイクロ秒)であり、中性子の波長に比例する。縦軸は、中性子のカウント数である。中央の最も大きなピークが、基本波のカウント数である。第2高調波(λ/2)は消滅して、現れていない。飛行時間が短い方(横軸の左側)に向かって、第3高調波(λ/3)、第4高調波(λ/4)、第5高調波(λ/5)が検出されている。光軸に対して所定の角度に傾けられたひとつのシリコン結晶21で、対応する波長の基本波とその高調波を取り出すことができる。基本波は、大きな構造の解析に寄与する。高調波成分は、小さな構造の解析精度の向上に寄与する。 FIG. 8 shows the measurement results of neutrons scattered by the silicon crystal 21-3. The horizontal axis is time of flight (microseconds), which is proportional to the wavelength of neutrons. The vertical axis is the count number of neutrons. The largest peak in the center is the fundamental count. The second harmonic (lambda 3/2) is disappeared, it does not appear. Write flight time is shorter towards the (left abscissa), third harmonic (lambda 3/3), fourth harmonic (lambda 3/4), the fifth harmonic (lambda 3/5) is detected ing. The fundamental wave of the corresponding wavelength and its harmonics can be extracted by one silicon crystal 21 tilted at a predetermined angle with respect to the optical axis. The fundamental wave contributes to the analysis of large structures. The harmonic components contribute to the improvement of the analysis accuracy of the small structure.

図9は、装置本体10の小角散乱検出器11による検出結果を示す。試料30として、高分子(ブロックポリマー)を用いている。横軸は散乱ベクトルq(Å-1)、縦軸は散乱強度S(q)である。散乱ベクトルqが0.007Å-1〜0.5Å-1(7×10-2nm-1〜5nm-1)の範囲で、散乱スペクトルが得られている。これは波長λが1Å(0.1nm)から10Å(1nm)の範囲に相当する。 FIG. 9 shows the result of detection by the small angle scattering detector 11 of the device main body 10. As the sample 30, a polymer (block polymer) is used. The horizontal axis is the scattering vector q (Å −1 ), and the vertical axis is the scattering intensity S (q). Scattering spectra are obtained when the scattering vector q is in the range of 0.007 Å −1 to 0.5 Å −1 (7 × 10 −2 nm −1 to 5 nm −1 ). This corresponds to the wavelength λ ranging from 1 Å (0.1 nm) to 10 Å (1 nm).

散乱体の形状(球)を表わすq-4の依存性は、0.05Å-1~0.2Å-1の領域に現れている。0.05Å-1よりも低いq側のいくつかのピークは試料の内部構造の周期性を表わしている。小角散乱検出器11を配置することで、大きさ(空間周期d)が数100nmの物質の形状と内部構造を解析できる。 The dependence of q -4 representing the shape (sphere) of the scatterer appears in the region of 0.05 Å -1 to 0.2 Å -1 . Several peaks on the q side lower than 0.05 Å -1 represent the periodicity of the internal structure of the sample. By arranging the small-angle scattering detector 11, it is possible to analyze the shape and internal structure of a substance having a size (space period d) of several hundred nm.

図10は、結晶アレイ検出器20を追加したことによる解析範囲の拡張効果を示す図である。図10の破線で示されている散乱カーブが、結晶アレイ検出器20による検出結果を示す。プロセッサ50にて、波長λと角度θで決まる散乱ベクトルqごとに散乱強度(中性子のカウント数)を記録することで、破線の散乱カーブが得られる。   FIG. 10 is a diagram showing the effect of extending the analysis range by adding the crystal array detector 20. As shown in FIG. The scattering curve shown by the broken line in FIG. 10 shows the detection result by the crystal array detector 20. By recording the scattering intensity (count number of neutrons) in the processor 50 for each scattering vector q determined by the wavelength λ and the angle θ, the scattering curve of the broken line is obtained.

結晶アレイ検出器20を組み合わせることで、超小角散乱による中性子が検出され、散乱ベクトルqの下限は、q≦0.0001Å-1(q≦1×10-3nm-1)に拡張される。qの大きさの最も小さい側でのなだらかなカーブは、粒子の重心周りの大きさ(回転半径)に関する情報を表わす。小角散乱検出器11と結晶アレイ検出器20を併用することで、同じ中性子プローブ(パルス中性子)を用いて、比較的大きな構造体の形状、大きさ、内部構成を解析することができる。 By combining the crystal array detector 20, neutrons from ultra-small angle scattering are detected, and the lower limit of the scattering vector q is expanded to q ≦ 0.0001 Å −1 (q ≦ 1 × 10 −3 nm −1 ). The gentle curve on the smallest side of the magnitude of q represents information about the size (turning radius) around the center of gravity of the particle. By using the small angle scattering detector 11 and the crystal array detector 20 in combination, the shape, size, and internal configuration of a relatively large structure can be analyzed using the same neutron probe (pulsed neutron).

小角散乱は、一般には生体分子の構造(たんぱく質中の水素分子の位置)や、無機の結晶構造などの微細な構造の解析に適している。実施形態の小角散乱測定装置1を用いることで、測定と解析の範囲が拡張され、より大きな空間構造の物資の解析に併用することができる。   Small angle scattering is generally suitable for the analysis of fine structures such as the structure of biomolecules (the position of hydrogen molecules in proteins) and inorganic crystal structures. By using the small-angle scattering measurement device 1 according to the embodiment, the range of measurement and analysis can be expanded, and can be used in combination with analysis of a material with a larger space structure.

たとえば、タイヤ等のゴム製品には、機械的強度の付与、紫外線による劣化防止等の目的で、カーボンブラック等の粒子が充填されている。不透明な厚いゴム製品では、電子線や長波長のレーザ光線が透過しないが、小角散乱測定装置1の中性子プローブ(パルス中性子)を用いて、ミクロンオーダーの径を有するカーボンブラック粒子の分布状態を解析することができる。   For example, rubber products such as tires are filled with particles such as carbon black for the purpose of imparting mechanical strength and preventing deterioration due to ultraviolet light. In opaque thick rubber products, electron beam and long wavelength laser beam are not transmitted, but using the neutron probe (pulsed neutron) of the small angle scattering measurement device 1, the distribution state of carbon black particles having a diameter on the micron order is analyzed can do.

以上、特定の実施例に基づいて説明してきたが、本発明は上述した例に限定されない。たとえば、結晶アレイ検出器20を真空接続管で着脱可能にして、必要に応じて装置本体10に接続してもよい。結晶アレイ検出器20は、小角散乱検出器が配置される測定チャンバの一部に不感帯を有してビームダンパが設けられる任意の散乱測定装置に適用することができる。   Although the foregoing has been described based on the specific embodiment, the present invention is not limited to the above-described example. For example, the crystal array detector 20 may be detachably connected by a vacuum connection tube, and may be connected to the device body 10 as needed. The crystal array detector 20 can be applied to any scatterometry device that has a dead zone in the part of the measurement chamber in which the small angle scatter detector is arranged and in which a beam damper is provided.

結晶アレイ検出器20は、中性子散乱測定の用途に限定されず、高輝度なX線(放射光)と超薄膜な結晶を組み合わせて、X線小角散乱測定と併用する可能である。試料30によって超小角で散乱されたX線を、その波長(エネルギー)ごとに各アナライザ結晶(たとえばシリコン結晶21)で選択して検出器22で検出してもよい。この場合、検出器22に封入されるガスとして、アルゴン(Ar)ガスやメタンガスを用いてもよいし、液体検出器、半導体検出器などを用いてもよい。   The crystal array detector 20 is not limited to the application of neutron scattering measurement, and can be used in combination with small-angle X-ray scattering measurement by combining high-intensity X-rays (radiation light) and an ultrathin film crystal. The X-rays scattered at a very small angle by the sample 30 may be selected by each analyzer crystal (for example, silicon crystal 21) for each wavelength (energy) and detected by the detector 22. In this case, argon (Ar) gas or methane gas may be used as the gas sealed in the detector 22, or a liquid detector, a semiconductor detector, or the like may be used.

結晶アレイ検出器20でアナライザとして用いられる結晶は、Si結晶に限定されず、欠陥の少ない高純度のゲルマニウム(Ge)結晶板を用いてもよい。アレイを構成する結晶板の数と配置間隔は、検出器の有感長、波長分離の細かさ等によって適宜設計される。   Crystals used as an analyzer in the crystal array detector 20 are not limited to Si crystals, and high purity germanium (Ge) crystal plates with few defects may be used. The number and arrangement intervals of crystal plates constituting the array are appropriately designed according to the sensitive length of the detector, the fineness of wavelength separation, and the like.

実施形態の小角散乱測定装置1を用いることで、広いq範囲をカバーし、ナノレベルから数ミクロンにわたって構造体の測定と解析が可能になる。   By using the small-angle scattering measurement device 1 of the embodiment, it is possible to cover a wide q range and to measure and analyze a structure from nano level to several microns.

1 小角散乱測定装置
2 中性子発生ターゲット
5 コリメータ
7 ビームダンパ
10 装置本体
19 試料散乱槽
11 小角散乱検出器(第1検出器)
111 開口
112 中性子検出器
12 試料ホルダ
20 結晶アレイ検出器(第2検出器)
21、21−1〜21−10 シリコン結晶(アナライザ結晶)
22 検出器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 small angle scattering measurement apparatus 2 neutron generation target 5 collimator 7 beam damper 10 apparatus main body 19 sample scattering tank 11 small angle scattering detector (first detector)
111 Aperture 112 Neutron Detector 12 Sample Holder 20 Crystal Array Detector (Second Detector)
21, 21-1 to 21-10 Silicon crystal (analyzer crystal)
22 Detector

Claims (10)

真空チャンバと、
前記真空チャンバ内で光軸に沿って配置され、それぞれが前記光軸に対して異なる角度で保持される複数のアナライザ結晶と、
前記アナライザ結晶の各々で散乱された放射線を検出する検出器と、
を有し、
前記アナライザ結晶の各々は、外部の試料で散乱され前記真空チャンバに入射した散乱放射線の中から、特定の波長と散乱角を選択して散乱することを特徴とする結晶アレイ検出器。
A vacuum chamber,
A plurality of analyzer crystals disposed along the optical axis in the vacuum chamber and each held at a different angle to the optical axis;
A detector for detecting the radiation scattered by each of the analyzer crystals;
Have
A crystal array detector characterized in that each of the analyzer crystals scatters by selecting a specific wavelength and a scattering angle from scattered radiation scattered by an external sample and incident on the vacuum chamber.
前記アナライザ結晶の格子面間隔をd、i番目のアナライザ結晶の前記角度をθとすると、
n×λ=2d*sinθ
を満たす波長λの前記放射線が前記アナライザ結晶で散乱され、nは1/k(kは自然数)であることを特徴とする請求項1に記載の結晶アレイ検出器。
Assuming that the lattice spacing of the analyzer crystal is d, and the angle of the ith analyzer crystal is θ i ,
n × λ i = 2d * sin θ i
The crystal array detector according to claim 1, wherein the radiation of the wavelength λ i satisfying the following condition is scattered by the analyzer crystal, and n is 1 / k (k is a natural number).
前記アナライザ結晶の各々は、前記角度が個別に制御されるように前記真空チャンバ内で保持されていることを特徴とする請求項1または2に記載の結晶アレイ検出器。   The crystal array detector according to claim 1 or 2, wherein each of the analyzer crystals is held in the vacuum chamber such that the angles are individually controlled. 前記検出器は、前記アナライザ結晶の配列長よりも長い有感長を有する棒状の検出器であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の結晶アレイ検出器。   The crystal array detector according to any one of claims 1 to 3, wherein the detector is a rod-like detector having a sensing length longer than the arrangement length of the analyzer crystal. 試料を保持する試料ホルダと、前記試料で散乱された散乱放射線を検出する小角散乱検出器とを有する装置本体と、
前記装置本体の後段に配置される結晶アレイ検出器と、
を有し、
前記小角散乱検出器は、前記装置本体に入射する入射放射線の光軸上に開口を有し、
前記結晶アレイ検出器は、前記散乱放射線のうち、前記開口を通過して前記結晶アレイ検出器に入射した超小角の散乱放射線を検出することを特徴とする小角散乱測定装置。
An apparatus body comprising a sample holder for holding a sample, and a small angle scatter detector for detecting scattered radiation scattered by the sample;
A crystal array detector disposed downstream of the device body;
Have
The small angle scatter detector has an aperture on the optical axis of incident radiation incident on the device body,
The small-angle scattering measurement apparatus, wherein the crystal array detector detects, among the scattered radiations, scattered radiation of an ultra-small angle which has passed through the opening and entered the crystal array detector.
前記結晶アレイ検出器は、前記光軸に沿って配置される複数のアナライザ結晶を有し、前記複数のアナライザ結晶の入射面は、前記光軸に対してそれぞれ異なる角度で保持されていることを特徴とする請求項5に記載の小角散乱測定装置。   The crystal array detector has a plurality of analyzer crystals disposed along the optical axis, and incident planes of the plurality of analyzer crystals are held at different angles with respect to the optical axis. The small angle scattering measurement device according to claim 5, characterized in that: 前記結晶アレイ検出器は、前記複数のアナライザ結晶の各々で散乱された前記超小角の散乱放射線を検出する検出器を有することを特徴とする請求項6に記載の小角散乱測定装置。   The small-angle scattering measurement apparatus according to claim 6, wherein the crystal array detector comprises a detector that detects the ultra-small-angle scattered radiation scattered by each of the plurality of analyzer crystals. 前記小角散乱検出器は、第1の方向に長軸を有する複数の棒状検出器で形成される第1検出層と、前記第1の方向と直交する第2の方向に長軸を有する複数の棒状検出器で形成される第2検出層とを少なくとも有し、前記開口は、前記第1検出層と前記第2検出層を貫通していることを特徴とする請求項5〜7のいずれか1項に記載の小角散乱測定装置。   The small-angle scattering detector includes a first detection layer formed of a plurality of rod-shaped detectors having a major axis in a first direction, and a plurality of major axes in a second direction orthogonal to the first direction. The method according to any one of claims 5 to 7, further comprising: at least a second detection layer formed of a rod-like detector, wherein the opening penetrates the first detection layer and the second detection layer. The small angle scattering measurement device according to item 1. 前記装置本体の入射側に配置されるコリメータ、
をさらに有し、
前記コリメータは、前記開口に照準を合わせていることを特徴とする請求項5〜8のいずれか1項に記載の小角散乱測定装置。
A collimator disposed on the incident side of the device body,
And have
The small-angle scattering measurement device according to any one of claims 5 to 8, wherein the collimator aims at the opening.
試料に放射線を照射し、
前記試料で小角散乱された散乱放射線を、開口を有する第1検出器で検出し、
前記散乱放射線のうち、前記開口を通過した超小角の散乱放射線を、複数の結晶が光軸に沿って配列された第2検出器で検出する、
ことを特徴とする小角散乱測定方法。
Irradiate the sample,
Scattered radiation small-angle scattered from the sample is detected by a first detector having an aperture,
Among the scattered radiation, a very small angle of scattered radiation which has passed through the aperture is detected by a second detector in which a plurality of crystals are arranged along an optical axis,
Small angle scattering measurement method characterized by
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