JP4424786B2 - 光学素子の支持方法および装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ダイヤモンドモノクロメータなどの光学装置において、光学素子であるダイヤモンド結晶を安定して支持するための光学素子の支持方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
たとえば位置調整機構（ゴニオメータ）を備えたダイヤモンドモノクロメータは、ＥＳＲＦのトロイカと呼ばれるマルチステーションビームラインにおいて開発されたもので、ダイヤモンド結晶に高輝度Ｘ線を照射し、その格子面を利用して回折Ｘ線を得るものである。
【０００３】
従来のダイヤモンドモノクロメータでは、コの字型の銅製冷却支持基台の凹部に、Ｉｎ−Ｇａ低温はんだを介してダイヤモンド結晶板の両辺がマウントされていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来構成では、Ｉｎ−Ｇａ低温はんだの融点がおよそ５０℃であり、ダイヤモンド結晶板に高輝度Ｘ線が照射された場合、ダイヤモンド結晶体が加熱されて低温はんだが溶け、その表面張力によりダイヤモンド結晶板が保持されるため、熱衝撃による変動によりダイヤモンド結晶の格子面の位置が不安定になるという問題があった。
【０００５】
本発明は上記問題点を解決して、照射されるＸ線の熱衝撃により格子面が不安定になることなくダイヤモンド結晶板を安定して支持でき、熱変形を抑制できる光学素子の支持方法および装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１記載の光学素子の支持方法は、Ｘ線による２２０℃未満の熱負荷で使用される光学素子の支持装置で、Ｘ線が照射されるダイヤモンド結晶板の端面を素子固定台を介して銅製の基台上に取り付けるに際し、前記素子固定台をダイヤモンドにより形成し、前記ダイヤモンド結晶板の端面と素子固定台との接合面にそれぞれ銀ろうをろう付けした後、これら銀ろうの表面にそれぞれＮｉ薄膜をコーティングし、これらＮｉ薄膜を、Ｓｎ−Ａｇ系はんだによりはんだ付けし、これら銀ろうとＮｉ薄膜とＳｎ−Ａｇ系はんだからなり前記Ｘ線による熱負荷で溶融しない第１の接合材料により前記ダイヤモンド結晶板と前記素子固定台とを接合し、前記素子固定台の前記基台への接合面に銀ろうをろう付けした後、その表面にＮｉ薄膜をコーティングし、このＮｉ薄膜と前記基台とをＳｎ−Ａｇ系のはんだによりはんだ付けし、これら銀ろうとＮｉ薄膜とＳｎ−Ａｇ系はんだからなり前記Ｘ線による熱負荷で溶融しない第２の接合材料により素子固定台と基台とを接合するものである。
【０００７】
また請求項３記載の光学素子の支持装置は、Ｘ線が照射されるダイヤモンド結晶板の端面が、ダイヤモンドにより形成された素子固定台を介して銅製の基台上に取り付けられ、Ｘ線による２２０℃未満の熱負荷で使用される光学素子の支持装置であって、ダイヤモンド結晶板と素子固定台とを接合する第１の接合材料は、ダイヤモンド結晶板の端面および素子固定台の接合面にそれぞれろう付けされた銀ろうと、これら銀ろうの表面にそれぞれコーティングされたＮｉ薄膜と、これらＮｉ薄膜を接合するＳｎ−Ａｇ系はんだからなり前記Ｘ線による熱負荷で溶融しない材料で構成され、素子固定台と基台とを接合する第２の接合材料は、素子固定台の基台への接合面にろう付けされた銀ろうと、この銀ろうの表面にコーティングされたＮｉ薄膜と、これらＮｉ薄膜と基台とを接合するＳｎ−Ａｇ系はんだからなり前記Ｘ線による熱負荷で溶融しない材料で構成されたものである。
【０００８】
上記各構成によれば、ダイヤモンド結晶板と素子固定台の接合部の第１の接合材料、および素子固定台と基台の接合部の第２の接合材料が、それぞれ２２０℃未満の熱負荷により溶融することがないので、熱衝撃によりダイヤモンド結晶板の結晶の固定が不安定になることがない。またダイヤモンド結晶板をその端面を介してダイヤモンド製の素子固定台に取り付けるので、熱膨張率および熱伝導率を極めて近似させて接合時の変形およびＸ線照射による熱負荷時の変形を最小限に抑制することができ、結晶表面において回折可能な使用範囲を拡大することができる。またＸ線により負荷されるダイヤモンド結晶板の熱を素子固定台から基台に良好に伝えることができるので、効果的に放熱することができる。さらにダイヤモンド結晶同士を、銀ろうによるろう付けとＮｉコーティングによりはんだ付けすることができて、ダイヤモンド結晶板と素子固定台、素子固定台と基台とを良好に接合することができる。
【００１３】
また請求項５記載の光学素子の支持装置は、請求項３または４記載の構成において、素子固定台におけるダイヤモンド結晶板への接合面と、基台への接合面とが互いに平行に形成されたものである。
上記構成によれば、熱負荷による素子固定台の熱膨張により生じる変形量を均等化することができ、ダイヤモンド結晶板に与える影響を少なくすることができる。
【００１４】
さらに請求項６記載の光学素子の支持装置は、請求項３乃至５のいずれかに記載の構成において、ダイヤモンド結晶板と素子固定台、素子固定台と基台の各接合部の接合面に微細な凹凸を形成したものである。
上記構成によれば、ろうおよびはんだによる結晶板と固定台、固定台と基台の接合強度を高めることができる。
【００１５】
また請求項７記載の光学素子の支持装置は、請求項３乃至６のいずれかに記載の構成において、ダイヤモンド結晶板を挟んで基台と対向基台とが配置され、ダイヤモンド結晶板の前記対向基台側の端面が、Ｘ線による５０℃以上の熱負荷で溶融して表面張力により接触状態を保ち熱伝導が可能な熱伝達物質を介して前記対向基台に接触されたものである。
【００１６】
上記構成によれば、ダイヤモンド結晶板の他方の端面が熱伝達物質により対向基台に接触されるので、２つの基台にそれぞれ効率良く熱伝導して放熱することができる。またこの熱伝達物質が熱負荷時に溶融するように構成されるので、対向基台の接合部にダイヤモンド結晶板が拘束されることが無く、熱変形が吸収されるので、この接触部によりダイヤモンド結晶板に熱歪みが生じることもない。
【００１７】
【発明の実施の形態】
ここで、本発明に係る光学素子の支持装置の実施の形態を図１および図２に基づいて説明する。
図１において、１はダイヤモンドモノクロメータに設けられて位置調整機構により傾斜回転姿勢および上下左右位置の調整可能な高熱伝導率の銅製基台で、この基台１には、冷却機構を構成する冷却水流送用の冷却チャンネル２がＸ線の照射方向に直交する方向に形成されている。この基台１上には素子固定台３が接合部５Ｂを介して接合されており、また熱膨張率が極めて低く熱伝導率が高いダイヤモンド単結晶からなるダイヤモンド結晶板４が接合部５Ａを介して固定されている。このダイヤモンド結晶板４は、たとえば８ｍｍ角の正方形で、厚みが０．５ｍｍに形成され、その下辺の端面が素子固定台３に接合されて熱ひずみを緩和するように構成されている。Ａはダイヤモンド結晶板４の中心位置（Ｘ＝０，Ｙ＝０）にＸ線が照射される照射範囲を示す。
【００１８】
この素子固定台３には、ダイヤモンド結晶板４と同一のダイヤモンド単結晶か、それに近似するダイヤモンド多結晶製のものが使用される。なお、ダイヤモンド結晶でも含まれる不純物や結晶方向により、熱膨張率と熱伝導率が若干相違することがあるが、熱膨張係数を同一または近似させることで、ダイヤモンド結晶板４の結晶に歪みが生じるのを防止している。
【００１９】
またこの素子固定台３は、ダイヤモンド結晶板４の断面積（平面断面積）に比較して十分に大きい断面積（平面断面積）、たとえば横幅８ｍｍ×奥行き３ｍｍ×高さ２ｍｍの角柱に形成されて、Ｘ線の照射時のダイヤモンド結晶板４の熱勾配を低下させるとともに、基台１への接合面積を増大することにより、ダイヤモンド結晶板４から基台１への熱伝導を向上させることができる。またダイヤモンド結晶板４の接合面（上面）と基台１への接合面は互いに平行に形成され、熱膨張によるダイヤモンド結晶板４の歪みが均等化されている。
【００２０】
このダイヤモンド結晶板４と素子固定台３との接合部５Ａ、および素子固定台３と基台１の接合部５Ｂでは、図２に示すように、たとえばこの実施の形態におけるＸ線の熱負荷が２２０℃に達しないため、この熱負荷で溶融しないＳｎ−Ａｇ系はんだ（融点２２０℃）６が第１，第２の接合材料の主材料として選択される。
【００２１】
ところで、これら接合部５Ａ，５ＢにおいてＳｎ−Ａｇ系はんだ６では、ダイヤモンド材料の直接接合は不可能なため、ダイヤモンド結晶板４と素子固定台３の各接合面には、銀ろう（Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ）７がろう付けされ、さらにその表面にＮｉ薄膜８がコーティングされ、このＮｉ薄膜８を介してＳｎ−Ａｇ系はんだ６によりはんだ付けされる。したがって、これら銀ろう７とＮｉ薄膜８とＳｎ−Ａｇ系はんだ６により、熱負荷で溶融しない第１の接合材料および第２の接合材料が構成される。もちろんダイヤモンド結晶板４と素子固定台３と基台１の材質やＸ線の熱負荷により、第１の接合材料および第２の接合材料が変更される。もちろん、これら接合材料として高熱伝導率で低熱膨張率である方が好ましいのはいうまでもない。
【００２２】
なお、これら接合部５Ａ，５Ｂ一方の接合面に、図６（ａ）（ｂ）に示すように、数μｍまたは数１０μｍオーダーで整然とした凹凸部９を形成することにより、銀ろう７およびＳｎ−Ａｇ系はんだ６の濡れ性を向上させて凹凸部９に入り込ませ、凹凸部９の先端部とダイヤモンド結晶板４とを当接させた状態で接合して、接合強度を向上させることができる。なお、この微細な凹凸部９は、図６（ａ）（ｂ）に示すような山形状や、図７に示すような凹凸形であってもよい。また２つの接合面の両方に凹凸部９を形成することもできる。
【００２３】
つぎに基台１に素子固定台３を介してはんだ接合されたダイヤモンド結晶板４に、Ｘ線の照射による熱負荷を与えた場合の熱変形をモデル化したものを図３に示す。これにより、接合部５Ａ側の熱変形が大きいが、大部分の歪みでも数１０ｎｍ以下であり、Ｘ線が照射されるＹ座標（高さ方向）＝０の中心部では、熱歪みが極めて小さい。また図４（ａ）はダイヤモンド結晶板４の変形前、（ｂ）は熱変形後のＸ（幅方向）−Ｙ（高さ方向）の変形を定性的に表わしたものである。さらに図５はダイヤモンド結晶板４の表面の変形を２ｎｍの等高線で表わしたものである。このように熱変形を解析したものによれば、接合部５Ａ側では変形程度が幾分大きくなるが、Ｘ線照射範囲ＡのＹ＝０付近では変形量が極めて少ない。なお、詳述しないが、Ｙ＝０で格子面でラウエ反射を想定した場合のスロープ誤差も、８ｋｅＶで回折強度曲線のＦＷＨＭの約１／１０であり、問題はない。
【００２４】
上記実施の形態によれば、Ｘ線の熱負荷により溶融しない接合材料によりダイヤモンド結晶板４と素子固定台３と基台１とが接合されているので、結晶が不安定になることなく安定して支持することができる。またダイヤモンド結晶板４を下辺の端面を介してダイヤモンド単結晶性の素子固定台３に取り付けることで熱変形と歪みを最小限に抑制できるとともに、ダイヤモンド結晶板４の回折に適した有効面積を向上させることができる。さらに断面積の大きい素子固定台３から基台１に熱伝導できるので、良好に放熱することができる。また素子固定台４を結晶板と同一材質のダイヤモンド単結晶により構成したので、熱膨張率および熱伝導率を等しくして接合時の変形および熱負荷時の変形を効果的に抑制することができる。またＳｎ−Ａｇ系はんだにより接合する接合部５Ａ，５Ｂにおいて、ダイヤモンド単結晶からなるの接合面を、銀ろう７によるろう付けとＮｉ薄膜８のコーティングしたので、はんだ付けにより良好に接合することができる。
【００２５】
またダイヤモンド結晶板４の断面積に対して、前記素子固定台３の断面積を十分に大きく形成したので、Ｘ線照射時の熱勾配を低下させることができ、またこのダイヤモンド結晶板４の下辺の端面の面積に対して、素子固定台３の基台１への接合面積が十分に大きく設定されているので、熱伝達を向上させることができる。さらに、素子固定台３のダイヤモンド結晶板４への接合面と、基台１への接合面とが互いに平行に形成したので、素子固定台３の熱膨張により生じる変形量を均一化することができ、ダイヤモンド結晶板４に与える影響を少なくすることができる。
【００２６】
さらにまた、ダイヤモンド結晶板４と素子固定台３、素子固定台３と基台１の各接合部の一方または両方の接合面に微細な凹凸部９を形成することにより、銀ろうおよびはんだの濡れ性を向上させて接合強度を高めることができる。
図８は光学素子の支持装置の他の実施の形態を示し、先の実施の形態ではダイヤモンド結晶板４の一辺（下辺）側にのみ基台１が配置されて熱伝導が可能であったのに対して、この実施の形態では対称位置の二辺（上辺および下辺）側に熱伝達（放熱）できる基台１および対向基台１１を配置したものである。すなわち、基台１のダイヤモンド結晶板４の対称位置には冷却チャンネル１２が形成された対向基台１１が配置されている。そして、基台１側の接合部５Ａ，５Ｂは先の実施の形態と同様であるが、ダイヤモンド結晶板４の上辺側の端面と対向基台１１との接触部５Ｃは、Ｘ線照射による熱負荷により、約５０℃前後以上となると溶融してその表面張力によりダイヤモンド結晶板４と対向基台１１とを接触状態に保ち熱伝導が可能な熱伝達物質、たとえばＩｎ−Ｇａなどの低温はんだや銀ペースト（Ａｇ）、液状Ｇａなどが使用される。
【００２７】
この実施の形態によれば、ダイヤモンド結晶板４の基台１側と対称の端面が接合部５Ｃを介して対向基台１１に接合されるので、２つの基台１，１１に効率良く放熱することができる。またこの接合部５Ｃの接合材料が熱負荷時に溶融するように構成されるので、対向基台１１の接触部５Ｃにダイヤモンド結晶板４が拘束されることが無く熱変形が吸収され、ダイヤモンド結晶板４に熱歪みが生じることもない。
【００２８】
【発明の効果】
以上に述べたごとく請求項１および３記載の発明によれば、接合部の両接合材料が熱負荷により溶融することがないので、熱衝撃によりダイヤモンド結晶板の結晶の固定が不安定になることがない。またダイヤモンド結晶板をその端面を介して近似する熱膨張率の素子固定台に取り付けるので、熱による変形、歪みを最小限に抑制することができ、結晶表面において回折可能な使用範囲を拡大することができる。またＸ線により負荷されるダイヤモンド結晶板の熱を素子固定台から基台に良好に伝えることができるので、効果的に放熱することができる。
【００２９】
また請求項２および４記載の発明によれば、素子固定台をダイヤモンド結晶製とすることにより、熱膨張率および熱伝導率を極めて近似させて接合時の変形およびＸ線照射による熱負荷時の変形を効果的に抑制することができる。またダイヤモンド結晶同士を、銀ろうによるろう付けとＮｉコーティングによりはんだ付けすることができて、ダイヤモンド結晶板と素子固定台、素子固定台と基台とを良好に接合することができる。
【００３０】
また請求項５記載の発明によれば、素子固定台の断面積が大きく形成されることで、Ｘ線照射時の熱勾配を低下させることができ、また素子固定台の基台への接合面積が大きいために熱伝達を向上させることができ、ダイヤモンド結晶板を効果的に冷却することができる。
【００３１】
さらに請求項６記載の発明によれば、熱負荷による素子固定台の熱膨張により生じる変形量を均等化することができ、ダイヤモンド結晶板に与える影響を少なくすることができる。
【００３２】
さらに請求項７記載の発明によれば、ろうおよびはんだによる結晶板と固定台、固定台と基台の接合強度を高めることができる。
【００３３】
また請求項８記載の発明によれば、ダイヤモンド結晶板の他方の端面が熱伝達物質により対向基台に接触されるので、２つの基台にそれぞれ効率良く熱伝導して放熱することができる。またこの熱伝達物質が熱負荷時に溶融するように構成されるので、対向基台の接合部にダイヤモンド結晶板が拘束されることが無く、熱変形が吸収されるので、この接触部によりダイヤモンド結晶板に熱歪みが生じることもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光学素子の支持装置の実施の形態を示す全体斜視図である。
【図２】同支持装置の接合部を説明する分解斜視図である。
【図３】同支持装置のダイヤモンド結晶板をモデル化したもので、接合後に熱負荷をかけた場合の表面の変形を示す解析図である。
【図４】（ａ）（ｂ）はそれぞれダイヤモンド結晶板をモデル化して結晶表面のＸ−Ｙ方向の変形を表わす解析図で、（ａ）は変形前、（ｂ）は接合後に熱負荷をかけた場合である。
【図５】同ダイヤモンド結晶板をモデル化して接合後に熱負荷をかけた場合の結晶表面の変形を等高線で表わした解析図である。
【図６】（ａ）（ｂ）はそれぞれ同支持装置の接合部の変形例を示し、（ａ）は分解図、（ｂ）は部分拡大断面図である。
【図７】同支持装置の接合部の他の変形例を示す部分拡大断面図である。
【図８】本発明に係る光学素子の支持装置の他の実施の形態を示す正面断面図である。
【符号の説明】
Ａ Ｘ線照射範囲
１ 基台
２ 冷却チャンネル（冷却手段）
３ 素子固定台
４ ダイヤモンド結晶板
５Ａ，５Ｂ 接合部
５Ｃ 接触部
６ はんだ
７ 銀ろう
８ Ｎｉ膜
９ 凹凸部
１１ 対向基台
１２ 冷却チャンネル

Claims (7)

1. Ｘ線による２２０℃未満の熱負荷で使用される光学素子の支持装置で、Ｘ線が照射されるダイヤモンド結晶板の端面を素子固定台を介して銅製の基台上に取り付けるに際し、
   前記素子固定台をダイヤモンドにより形成し、
   前記ダイヤモンド結晶板の端面と素子固定台との接合面にそれぞれ銀ろうをろう付けした後、これら銀ろうの表面にそれぞれＮｉ薄膜をコーティングし、これらＮｉ薄膜を、Ｓｎ−Ａｇ系はんだによりはんだ付けし、これら銀ろうとＮｉ薄膜とＳｎ−Ａｇ系はんだからなり前記Ｘ線による熱負荷で溶融しない第１の接合材料により前記ダイヤモンド結晶板と前記素子固定台とを接合し、
   前記素子固定台の前記基台への接合面に銀ろうをろう付けした後、その表面にＮｉ薄膜をコーティングし、このＮｉ薄膜と前記基台とをＳｎ−Ａｇ系のはんだによりはんだ付けし、これら銀ろうとＮｉ薄膜とＳｎ−Ａｇ系はんだからなり前記Ｘ線による熱負荷で溶融しない第２の接合材料により素子固定台と基台とを接合する
   ことを特徴とする光学素子の支持方法。
2. 第１の接合材料および第２の接合材料のＳｎ−Ａｇ系はんだの融点が２２０℃である
   ことを特徴とする請求項１記載の光学素子の支持方法。
3. Ｘ線が照射されるダイヤモンド結晶板の端面が、ダイヤモンドにより形成された素子固定台を介して銅製の基台上に取り付けられ、Ｘ線による２２０℃未満の熱負荷で使用される光学素子の支持装置であって、
   ダイヤモンド結晶板と素子固定台とを接合する第１の接合材料は、ダイヤモンド結晶板の端面および素子固定台の接合面にそれぞれろう付けされた銀ろうと、これら銀ろうの表面にそれぞれコーティングされたＮｉ薄膜と、これらＮｉ薄膜を接合するＳｎ−Ａｇ系はんだからなり前記Ｘ線による熱負荷で溶融しない材料で構成され、
   素子固定台と基台とを接合する第２の接合材料は、素子固定台の基台への接合面にろう付けされた銀ろうと、この銀ろうの表面にコーティングされたＮｉ薄膜と、これらＮｉ薄膜と基台とを接合するＳｎ−Ａｇ系はんだからなり前記Ｘ線による熱負荷で溶融しない材料で構成された
   ことを特徴とする光学素子の支持装置。
4. 第１の接合材料および第２の接合材料のＳｎ−Ａｇ系はんだの融点が２２０℃である
   ことを特徴とする請求項３記載の光学素子の支持装置。
5. 素子固定台におけるダイヤモンド結晶板への接合面と、基台への接合面とが互いに平行に形成された
   ことを特徴とする請求項３または４記載の光学素子の支持装置。
6. ダイヤモンド結晶板と素子固定台の接合部の一方の接合面と、素子固定台と基台の接合部の一方の接合面に、微細な凹凸を形成した
   ことを特徴とする請求項３乃至５のいずれかに記載の光学素子の支持装置。
7. ダイヤモンド結晶板を挟んで基台と対向基台とが配置され、
   ダイヤモンド結晶板の前記対向基台側の端面が、Ｘ線による５０℃以上の熱負荷で溶融して表面張力により接触状態を保ち熱伝導が可能な熱伝達物質を介して前記対向基台に接触された
   ことを特徴とする請求項３乃至６のいずれかに記載の光学素子の支持装置。

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