JP6937497B2

JP6937497B2 - Ｘ線回折装置及びアタッチメント装置

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Publication number: JP6937497B2
Application number: JP2018108555A
Authority: JP
Inventors: 湯川　宏; 宏湯川; 智士大竹
Original assignee: Rigaku Corp; Tokai National Higher Education and Research System NUC
Current assignee: Rigaku Corp; Tokai National Higher Education and Research System NUC
Priority date: 2018-06-06
Filing date: 2018-06-06
Publication date: 2021-09-22
Anticipated expiration: 2038-06-06
Also published as: JP2019211370A

Description

本開示はＸ線回折装置に関し、とくに、試料により回折されたＸ線を測定するＸ線回折装置、及びそのＸ線回折装置に利用可能なアタッチメント装置に関する。

本発明者は、金属原子１個当りの格子体積膨張量と水素吸蔵量の関係は結晶構造に依存し、結晶構造が同一であれば材料の種類によらず同一であることを見いだし、この発見に基づいて、水素吸蔵材料の水素吸蔵量を測定する水素吸蔵量測定方法及び水素吸蔵量測定装置を発明した（特許文献１参照）。

特許文献１に開示した水素吸蔵量測定方法及び水素吸蔵量測定装置では、水素もしくは水素を含む混合ガス雰囲気中、所定温度、所定圧力下での水素吸蔵材料のＸ線回折により、水素吸蔵材料の格子体積の変化量を測定し、水素吸蔵材料の結晶構造に対応する既知の格子体積膨張量と水素吸蔵量との関係を用いて、測定した格子体積の変化量から水素吸蔵材料の水素吸蔵量を算出する。

特開２０１６−２２３９２１号公報

本発明者らは、様々な条件下で水素吸蔵材料などの試料のＸ線回折を測定することができれば、より幅広い応用が期待できると考えて、Ｘ線回折装置を改良するための実験を重ね、本開示の技術に想到した。

本開示は、このような課題に鑑みてなされ、その目的は、様々な条件下で試料のＸ線回折を測定することを可能とする技術を提供することである。

上記課題を解決するために、本開示のある態様のＸ線回折装置は、試料を内部に設置するための試料室と、試料室の内部の圧力を制御する圧力制御部と、試料を加熱する加熱部と、試料にＸ線を照射したときに、試料により回折されたＸ線を検出する検出器と、を備える。圧力制御部は、試料室の内部の圧力を、大気圧よりも高い所定の圧力に制御可能であり、加熱部は、試料又は試料を載置するステージに赤外線を照射することにより試料を加熱する。

本開示の別の態様は、アタッチメント装置である。この装置は、Ｘ線回折装置の試料を内部に設置するための試料室に接続されるアタッチメント装置であって、試料室の内部の圧力を制御する圧力制御部と、試料を加熱する加熱部と、を備える。圧力制御部は、試料室の内部の圧力を、大気圧よりも高い所定の圧力に制御可能であり、加熱部は、試料又は試料を載置するステージに赤外線を照射することにより試料を加熱する。

本開示によれば、様々な条件下で試料のＸ線回折を測定することを可能とする技術を提供することができる。

実施の形態に係る分析装置の構成を模式的に示す図である。実施の形態に係るアタッチメント装置が接続されたＸ線回折装置の外観を示す図である。実施の形態に係るアタッチメント装置に備えられた加熱部の断面を概略的に示す図である。実施の形態に係るＸ線回折装置の試料室及びアタッチメント装置の断面を示す図である。実施の形態に係るＸ線回折装置の試料室及びアタッチメント装置の断面を示す図である。実施の形態に係るＸ線回折装置の試料室及びアタッチメント装置の断面を示す図である。実施の形態に係るＸ線回折装置の試料室の構成を示す図である。

本開示の実施の形態として、減圧又は高圧下で試料を加熱しながら試料のＸ線回折を測定することが可能なＸ線回折装置について説明する。

図１は、実施の形態に係る分析装置の構成を模式的に示す。分析装置は、試料３にＸ線を照射して、試料３により回折されたＸ線を測定するＸ線回折装置１と、Ｘ線回折装置１により測定されたＸ線回折データを解析する解析装置２とを備える。Ｘ線回折装置１には、Ｘ線回折装置１の測定条件を変更したり、Ｘ線回折装置１に様々な機能を付与したりするためのアタッチメント装置を着脱可能に接続することができる。本実施の形態においては、主に、高温減圧下又は高温高圧下におけるＸ線回折データの測定を可能とするアタッチメント装置をＸ線回折装置１に接続する例について説明するが、本図ではアタッチメント装置を省略している。アタッチメント装置については、図２以降を参照して詳述する。

Ｘ線回折装置１は、試料３にＸ線を照射するＸ線源１０と、試料３により回折され散乱されたＸ線を検出する二次元検出器１１と、測定対象の試料３を内部に設置するための試料室１２と、試料室１２にガスを供給する供給管１３と、試料室１２内のガスを排気する排気管１４と、試料３を載置するステージ１５とを備える。

試料室１２にはＸ線を透過する窓が設けられており、その窓を介して、Ｘ線源１０から試料室１２内の試料３にＸ線を照射し、試料３により回折され散乱されたＸ線を二次元検出器１１により検出する。Ｘ線源１０を試料３に対して回転させることで、Ｘ線の入射方向を変更可能となっている。また、Ｘ線源１０の回転に伴い、二次元検出器１１も連動して回転し、入射角θに対する回折角２θを測定する。

二次元検出器１１は、縦横に広がりを有する二次元平面又は曲面状のＸ線検出器であり、試料３により回折されたＸ線の二次元的な回折像を検出することができる。これにより、板状又は薄膜状に形成された試料３の異方性なども測定することができる。二次元検出器１１により検出されたＸ線回折データは、解析装置２に伝達され、解析装置２により解析される。

供給管１３にはガスボンベが連結されており、ガスボンベ内のガスが供給管１３を介して試料室１２内に供給される。試料ガス中の水素濃度を検出する目的で分析装置を利用する場合には、水素濃度を検出する対象となる試料ガスが供給管１３を介して試料室１２内に供給される。試料ガスは、水素、窒素、酸素、アルゴンなど、任意の物質の気体を含む混合ガスであってもよい。金属又は合金と水素との反応の平衡特性を表すＰＣＴ特性曲線を測定する目的で分析装置を利用する場合には、純水素又は所定の分圧の水素を含む混合ガスが供給管１３を介して試料室１２内に供給される。

排気管１４は、試料室１２内の気体を排出するための配管である。真空又は低圧条件下で測定を行う場合は、真空ポンプが連結された配管から、真空ポンプにより試料室１２内のガスを排気する。高圧条件下で測定を行う場合は、配管に設けられたバルブを開度を制御することにより、試料室１２内のガスを排気する。

試料室１２内のガスの流量及び圧力は、図示しない流量・圧力コントローラにより所定の流量及び圧力に自動制御される。本実施の形態のアタッチメント装置は、概ね、０．１気圧から１０気圧までの圧力範囲でのＸ線回折測定を可能とするが、０．１気圧よりも低い圧力条件下で測定可能に構成されてもよいし、１０気圧よりも高い圧力条件下で測定可能に構成されてもよい。

このようなＸ線回折装置１により高温高圧下で混合ガス雰囲気中の試料３のＸ線回折データを測定する場合、試料室１２内に設けられたヒータにより試料３を加熱する方式では、ヒータを構成する金属の耐熱温度が限界となるし、ヒータを構成する金属と雰囲気ガス中の水素や酸素などが意図しない化学反応を起こして測定条件に影響を及ぼす可能性がある。したがって、本実施の形態においては、赤外線を試料３又はステージ１５に照射することにより試料３又はステージ１５を直接加熱する。これにより、試料３又はステージ１５のみを局所的に加熱することができる。

赤外線を試料３又はステージ１５に照射するために、赤外線を透過する材質により構成された窓などを試料室１２に設ける場合、試料室１２内を高圧にしたときに、窓に大きな応力がかかって窓が損傷したり、窓の周囲から試料室１２内のガスが漏出したりしないように構成する必要があるが、本実施の形態においては、窓ではなく、赤外線を試料３に導光するための導光部を設け、導光部を介して試料３又はステージ１５に赤外線を照射する。これにより、高温高圧下で試料のＸ線回折を測定するためのＸ線回折装置の安全性を高めることができる。また、雰囲気ガスを加熱し、雰囲気ガスを介して間接的に試料３を加熱する方式よりも、熱効率を高め、より迅速に試料を加熱することができるとともに、測定条件をより厳密に制御することができる。また、試料室１２内の気体をフローさせる場合であっても、試料を効率良く加熱することができる。

以下、高温減圧下又は高温高圧下における試料のＸ線回折の測定を可能とするためのアタッチメント装置について、図２以降を参照して説明する。図２以降では、Ｘ線源１０や二次元検出器１１などの構成を省略し、主に、試料室１２及びアタッチメント装置を図示する。また、図を見やすくするために、構成の一部を適宜省略して図示する。

図２は、実施の形態に係るアタッチメント装置が接続されたＸ線回折装置の外観を示す。アタッチメント装置２０は、試料室１２に脱着可能に接続され、Ｘ線回折装置１による測定条件を調整するための構成を備える。具体的には、アタッチメント装置２０は、主に、試料室１２内のガスの圧力及び流量を制御するための構成と、試料室１２内に設置された試料３を加熱するための構成と、試料室１２内に設置された試料３の位置を調整するための構成とを備える。

アタッチメント装置２０は、試料室１２に脱着自在に構成されているので、試料室１２に試料３を設置する際には、アタッチメント装置２０を試料室１２から外して退避させることができる。試料室１２に試料３を設置すると、退避していたアタッチメント装置２０を試料室１２に接続し、Ｘ線回折測定を実行する。アタッチメント装置２０を着脱自在に構成することにより、試料３の脱着や交換のための作業を容易にすることができる。また、アタッチメント装置２０を用途に応じて交換することができる。

昇降機構２９は、アタッチメント装置２０全体を上下に移動させる。昇降機構２９は、アタッチメント装置２０を昇降させるためのモータなどの駆動機構と、駆動機構を制御してアタッチメント装置２０の垂直方向の位置を調整する制御部とを備える。制御部は、二次元検出器１１により検出されたＸ線回折データに基づいて、試料３を適切な位置に移動させるための駆動機構の駆動量を決定し、決定した駆動量で駆動機構を駆動することによりアタッチメント装置２０を昇降させる。これにより、試料３の温度の変化や、試料３とガスとの反応などにより、試料３の位置や形状などが変化する場合であっても、昇降機構２９により自動的に試料３の位置を調整することができるので、測定精度を向上させることができる。とくに、水素吸蔵材料は、水素を吸蔵すると格子定数が変化してＸ線の回折条件が変化するので、高精度なＸ線回折データを測定するためには、垂直方向の位置調整が重要である。別の例では、アタッチメント装置２０全体ではなく、試料室１２、ステージ１５、又は試料３を上下に移動させる機構が設けられてもよい。

ガス入口バルブ２１は、試料室１２内に導入するガスの流量を制御するために開閉される。ガス入口バルブ２１が設けられた配管は、供給管１３に接続される。ガス入口バルブ２１が設けられた配管は、更に、過剰に供給されたガスを試料室１２内に導入せずに外部へ逃がすための配管２２にも接続される。配管２２には、逃がし弁２３が設けられる。ガス出口バルブ２５は、試料室１２内から排出するガスの流量を制御するために開閉される。ガス出口バルブ２５が設けられた配管は、排気管１４に接続される。ガス入口バルブ２１及びガス出口バルブ２５は、ニードルバルブ、アングルバルブ、グローブバルブ、ボールバルブなどであってもよい。

ガス入口バルブ２１及びガス出口バルブ２５は、図示しない圧力・流量コントローラにより開閉が自動的に制御される。圧力・流量コントローラは、供給管１３に接続された三方継手２４により分岐された配管に設置された流量センサにより検知されたガスの流量と、試料室１２内の圧力を検知する圧力センサにより検知された圧力とに基づいて、ガス入口バルブ２１及びガス出口バルブ２５の開度をフィードバック制御する。これにより、試料室１２内のガスを所定の流量で流しつつ、試料室１２内の圧力を所定の圧力に維持することができるので、測定条件を厳密に制御し、高精度な測定を実現することができる。水素吸蔵材料を試料３として使用し、試料ガス中の水素濃度を測定する場合など、試料室１２に導入される気体が試料３と反応する場合、試料３との反応により試料室１２内の気体の組成が変化するが、所定の流量で気体をフローさせることにより、試料室１２内の気体を継続的に入れ替えることができるので、試料室１２内の気体の組成をほぼ一定に保つことができる。これにより、測定精度を向上させることができる。

真空引きバルブ２７は、真空ポンプに接続された真空引き配管２６から試料室１２内の気体を排気するために開閉される。真空引きバルブ２７は、減圧又は真空下で測定を行う場合や、試料室１２内のガスをパージする際に開かれる。真空引きバルブ２７は、手動で開閉されてもよいし、図示しないコントローラにより自動的に開閉されてもよい。

熱電対コネクタ２８は、試料室１２内のステージ１５及び試料３に一端が接触された２対の熱電対の他端を接続する。２対の熱電対によりステージ１５及び試料３の温度が検知される。図示しない温度コントローラは、検知されたステージ１５及び試料３の温度に基づいて、試料３の温度が所定の温度に維持されるよう、加熱部４０を制御する。

加熱部４０は、赤外線を発生し、発生した赤外線を集光して試料３まで導光する構成を含む。

図３は、実施の形態に係るアタッチメント装置に備えられた加熱部の断面を概略的に示す。加熱部４０は、赤外線を発生する赤外線発生部の一例である赤外線ランプ４１と、赤外線ランプ４１により発生された赤外線を試料３まで導光する導光部の一例である石英ロッド４３と、赤外線ランプ４１により発生された赤外線を集光して石英ロッド４３に導入する集光部の一例である楕円体反射ミラー４２とを備える。赤外線ランプ４１、楕円体反射ミラー４２、及び石英ロッド４３は、楕円体反射ミラー４２の２つの焦点のうち一方の位置に赤外線ランプ４１が、他方の位置に石英ロッド４３の導光口が、それぞれ位置するように設置される。したがって、回転楕円体の一方の焦点に位置する赤外線ランプ４１により発生された赤外線は、楕円体反射ミラー４２により反射されて回転楕円体の他方の焦点に集光され、石英ロッド４３の内部に導入される。石英ロッド４３の内部に導入された赤外線は、石英ロッド４３の内部を通ってステージ１５の下方へ導光され、ステージ１５又は試料３に照射される。これにより、赤外線ランプ４１により発生された赤外線を直接ステージ１５又は試料３に照射してステージ１５又は試料３を加熱することができるので、熱効率を高め、迅速に試料３を加熱することができるとともに、試料３の温度をより精密に制御することができる。また、他の測定条件に与える影響を最小限に抑えることができ、測定の精度を向上させることができる。これらの構成については、既知の任意の技術を利用可能である。

本実施の形態では、試料室１２内の圧力を概ね０．１気圧から１０気圧程度まで変化させることが可能であるが、試料室１２内の圧力を大気圧よりも高い圧力にすると、石英ロッド４３に下向き、すなわち試料室１２から押し出される方向の圧力がかかる。しかも、減圧条件下においては、せいぜい１気圧の差圧がかかるだけであるが、高圧条件下においては、最大で１０気圧以上の差圧が石英ロッド４３にかかることになる。したがって、本実施の形態では、石英ロッド４３の位置が測定中にずれないようにするために、石英ロッド４３の位置を固定するための固定部４４を設ける。固定部４４は、石英ロッド４３の位置を固定することが可能な任意の機構であってもよいが、本図の例では、石英ロッド４３を、外径が他の部分よりも大きい太径部を有するように構成するとともに、石英ロッド４３を内挿する固定部４４の開口の内径が石英ロッド４３の太径部の外径よりも小さくなるように構成する。これにより、石英ロッド４３に下向きの大きな圧力がかかったとしても、石英ロッド４３の太径部が固定部４４の開口に引っかかって、それ以上、下方向に移動しないようにすることができる。このように、石英ロッド４３自身の形状により、石英ロッド４３を下向きに移動させないように物理的に固定することができるので、高圧にも耐えうる安全性の高いＸ線回折装置を提供することができる。また、広い範囲の圧力下において試料のＸ線回折を測定可能なＸ線回折装置を提供することができる。固定部４４は、石英ロッド４３を固定部４４に係止、掛止、係合、掛合、継合、又は嵌合することが可能な任意の形状又は機構を含んでもよい。

図４は、実施の形態に係るＸ線回折装置の試料室及びアタッチメント装置の断面を示す。本図は、円筒形の試料室１２の軸を含む垂直な面で切断した断面を示す。試料室１２には、試料３を載置するためのステージ１５が設けられており、ステージ１５の直下に、ステージ１５の下方に赤外線を導光するための石英ロッド４３が配置される。ステージ１５の上方には、試料３により回折されたＸ線以外のＸ線が直接二次元検出器１１に入射して検出されないように、Ｘ線を遮蔽する遮蔽部１７が設けられる。従来の一般的なＸ線回折装置では、Ｘ線検出器として一次元の検出器が設けられており、試料室には、試料３を通らずに直接検出器に入射するＸ線を遮蔽するためのナイフエッジが設けられていたが、本実施の形態では、Ｘ線検出器として二次元検出器１１を使用するので、より広い範囲を遮蔽する必要がある。例えば、Ｘ線を試料室１２内に入射させるために設けられたベリリウム窓により回折又は散乱されたＸ線が、ナイフエッジにより遮蔽されていない空間を通過して二次元検出器１１により検出される場合があることが、本発明者らの実験により分かった。したがって、本実施の形態のＸ線回折装置１では、本図に示すように、試料３の上面よりも上方のＸ線を通過させるべき所定の間隔の光路のみを残して、それよりも上方の全ての領域を通過するＸ線を遮蔽する遮蔽部１７を設ける。これにより、試料３を通らずに直接二次元検出器１１に入射するＸ線を最小限に抑え、測定精度を向上させることができる。

図５は、実施の形態に係るＸ線回折装置の試料室及びアタッチメント装置の断面を示す。本図は、円筒形の試料室１２の軸を含む水平な面で切断した断面を示す。試料３を載置するためのステージ１５は、試料ホルダ３２と、試料押さえ３３とを備える。試料ホルダ３２は、台状に形成された黒色石英であり、石英ロッド４３の照射口から照射された赤外線を効率良く吸収して迅速に加熱される。試料３は、試料ホルダ３２の上に直接載置され、試料押さえ３３により押止されて固定されるので、試料ホルダ３２の熱が直接試料３に伝達され、効率良く迅速に加熱される。２対の熱電対１６のうち、１対は試料ホルダ３２に、１対は試料３に接触され、試料ホルダ３２と試料３の双方の温度が検知される。図示しない温度コントローラは、試料ホルダ３２又は試料３の温度に基づいて、赤外線ランプ４１により発生される赤外線の強度を制御することにより、試料３の温度を制御する。試料ホルダ３２は、下記の条件の全て又は一部を満たす材料を含んで形成されるのが好ましい。（１）雰囲気ガスや試料との反応性が小さい、（２）赤外線を効率よく吸収する、（３）耐熱性がある、（４）熱膨張が小さい、（５）熱伝導性が良い、（６）比熱が小さい。このような材料としては、黒色石英以外にも、例えば、黒色アルミナ、グラファイト、Ｎｉ基超合金、ステンレス、タングステン、ニッケルなどがある。

ステージ１５は、水平面内で移動可能に設けられてもよい。例えば、ステージ１５の下方に、ステージ１５を移動させるための台と、台を摺動させるためのレールとを設け、図示しない制御部により台を自動的に移動させてもよい。これにより、板状又は薄膜状に形成された試料３を水平方向に移動させながらＸ線回折を測定することができ、試料３の二次元的なＸ線回折データを解析することができる。試料３又はステージ１５を水平方向に移動可能に構成する場合には、光学系に影響を与えることなく試料３を水平方向に移動させることができる。別の例では、試料室１２又はアタッチメント装置２０を水平方向に移動させる機構が設けられてもよい。

図６は、実施の形態に係るＸ線回折装置の試料室及びアタッチメント装置の断面を示す。本図は、円筒形の試料室１２の軸に垂直な面で切断した断面を示す。試料室１２は、Ｘ線を試料室１２内に入射させるためのベリリウム窓１８と、ベリリウム窓１８の外枠を構成する窓押さえ１９と、試料室１２内を加温して所定の温度に保つための恒温ジャケット３０と、試料室１２内の外壁を冷却するための冷却ジャケット３１とを備える。恒温ジャケット３０には、所定の温度に加温された恒温水の流路が設けられており、恒温水により恒温ジャケット３０を加熱し、試料室１２の内部を加熱する。冷却ジャケット３１には、冷却水の流路が設けられており、冷却水により冷却ジャケット３１を冷却する。これにより、試料室１２の内部を所定の温度に加熱して、試料室１２内部の測定条件を制御しつつ、試料室１２の外壁を冷却して、試料室１２の周辺の構成に試料室１２内部の温度による影響を与えないようにすることができるので、測定精度を向上させることができる。

図７は、実施の形態に係るＸ線回折装置の試料室の構成を示す。図７（ａ）は、試料室１２の外壁の最も外側に設けられた冷却ジャケット３１を外した状態を模式的に示し、図７（ｂ）は、冷却ジャケット３１の内側に設けられた恒温ジャケット３０を更に外した状態を模式的に示す。このように、本実施の形態のＸ線回折装置１の試料室１２の外壁は、少なくとも２層の構造を有する。

測定中に試料３を視認するための可視化部が試料室１２に設けられてもよい。可視化部は、例えば、試料室１２の外壁に設けられた覗き窓であってもよいし、試料室１２の内部に挿入されたファイバースコープ又はマイクロスコープなどであってもよい。また、試料３を視認する際に試料３を照明するための照明部が設けられてもよい。照明部は、可視光を照射するＬＥＤなどであってもよい。

また、可視光以外の光、例えば、紫外光又は赤外光を照射する照射部が設けられてもよいし、任意の波長のパルスレーザー光を照射する照射部が設けられてもよい。これにより、試料３に光刺激を与えたときの試料３のＸ線回折の変化を測定することができる。さらに、ラマン分光法、ＦＴＩＲ（フーリエ変換赤外分光法）、ＴＤＳ（テラヘルツ時間領域分光法）などの分光測定と、Ｘ線回折測定とを組み合わせた複合測定を行うこともできる。

上述したように、試料３を水平方向に移動可能な構成を設ける場合には、試料３を水平方向に移動させながら、Ｘ線回折測定と、分光測定とを行うことにより、試料３の二次元的な情報を得ることができる。

試料室１２の内部において、Ｘ線が通過しない空間を充填する充填部材が設けられてもよい。充填部材は、Ｘ線回折装置１の測定条件として設定されうる範囲の温度及び圧力に耐えうる材料で、かつ、試料室１２の内部に導入されうる気体に対して不活性な材料により構成され、Ｘ線が通過しない空間の一部又は全部を充填するように設けられる。これにより、試料が飛散したり落下したりすることを防止することができるとともに、試料室１２内の清掃を容易にすることができる。また、試料室１２内の空間の容積を減少させることができるので、試料ガスや雰囲気ガスの必要量を低減させることができ、ＰＣＴ測定においては測定感度を向上させることができる。

以上、実施例をもとに本開示を説明した。この実施例は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本開示の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

実施の形態においては、主に、水素を含む混合ガス中で水素吸蔵金属又は水素吸蔵合金の板状又は薄膜状の試料のＸ線回折を測定し、試料ガス中の水素濃度を検出したり、金属又は合金のＰＣＴ特性を測定したりする例について説明したが、本実施の形態のＸ線回折装置１は、様々な測定条件下において、様々な種類のガス雰囲気中で、様々な試料のＸ線回折を測定するために利用可能である。

例えば、触媒の反応過程をin-situで分析するために、高温高圧などの様々な条件下において触媒のＸ線回折を測定することができる。また、様々な反応性ガス、例えば、水素、酸素、空気、水蒸気中における試料の構造をＸ線回折測定により分析することができる。例えば、様々な反応性ガス中における金属の腐食状態などをＸ線回折測定により分析することができる。

本開示の一態様の概要は、次の通りである。本開示のある態様のＸ線回折装置は、試料を内部に設置するための試料室と、試料室の内部の圧力を制御する圧力制御部と、試料を加熱する加熱部と、試料にＸ線を照射したときに、試料により回折されたＸ線を検出する検出器と、を備える。圧力制御部は、試料室の内部の圧力を、大気圧よりも高い所定の圧力に制御可能であり、加熱部は、試料又は試料を載置するステージに赤外線を照射することにより試料を加熱する。

この態様によると、高圧条件下においても安全に試料を加熱することが可能なＸ線回折装置を提供することができる。また、熱効率を高め、より迅速に試料を加熱することができるとともに、測定条件をより厳密に制御することができる。

加熱部は、赤外線を発生する赤外線発生部と、赤外線発生部により発生された赤外線を試料又はステージまで導光する導光部と、赤外線発生部により発生された赤外線を集光して導光部に導入する集光部と、を備えてもよい。圧力制御部により試料室の内部が大気圧よりも高い圧力に制御されたときに、導光部が試料室の内部の圧力により押し出されて位置がずれないように固定するための固定部を更に備えてもよい。この態様によると、熱効率を高め、より迅速に試料を加熱することができるとともに、測定条件をより厳密に制御することができる。

導光部は、外径が他の部分よりも大きい太径部を有してもよい。固定部は、導光部の太径部の外径よりも内径が小さい開口を含んでもよい。この態様によると、高圧条件下においても安全に試料を加熱することが可能なＸ線回折装置を提供することができる。

試料室に導入される気体の流量を制御する流量制御部を更に備えてもよい。この態様によると、所定の流量で気体を流して試料室内の気体を入れ替えつつ、試料のＸ線回折を測定することができるので、測定精度を向上させることができる。

圧力制御部及び流量制御部は、所定の流量で気体を試料室に導入しつつ、試料室の内部の圧力を所定の圧力に制御してもよい。この態様によると、試料室の内部の圧力を所定の圧力に維持しつつ、所定の流量で気体を流して試料室内の気体を入れ替えながら試料のＸ線回折を測定することができるので、測定精度を向上させることができる。

試料の垂直方向の位置を調整する垂直位置調整部を更に備えてもよい。この態様によると、測定中に試料が変形する場合であっても、適切に位置を調整してＸ線回折を測定することができるので、測定精度を向上させることができる。

試料の水平方向の位置を調整する水平位置調整部を更に備えてもよい。この態様によると、試料の二次元的なＸ線回折データを得ることができる。

試料室の外壁は、試料室の内部を加温するための加温部と、試料室の外壁を冷却するための冷却部の少なくとも２層の構造を有してもよい。この態様によると、試料室の内部を所定の温度に保ちつつ、試料室の外部に及ぼす影響を最小限に抑えることができるので、測定精度を向上させることができる。

試料は、試料ホルダに固定されてもよい。この態様によると、熱効率を高め、迅速に試料を加熱することができる。

試料ホルダに載置された試料を押止する試料押さえ部を更に備えてもよい。この態様によると、板状又は薄膜状の試料を適切に固定することができるので、測定精度を向上させることができる。

試料室の内部において、試料の上面よりも上方のＸ線を通過させるべき光路よりも上方の領域を通過するＸ線を遮蔽する遮蔽部を更に備えてもよい。この態様によると、試料を通過せずに検出器に入射するＸ線を最小限に抑えることができるので、測定精度を向上させることができる。

試料室内に設置された試料を視認するための可視化部を更に備えてもよい。この態様によると、試料の状態を視認しながらＸ線回折測定を行うことができる。

試料室内に設置された試料を照明する照明部を更に備えてもよい。この態様によると、試料の状態を視認しながらＸ線回折測定を行うことができる。

試料室内のＸ線が通過しない空間を充填する充填部材を更に備えてもよい。この態様によると、試料が飛散したり落下したりすることを防止することができるとともに、試料室内の清掃を容易にすることができる。また、試料室内の空間の容積を減少させることができるので、試料ガスや雰囲気ガスの必要量を低減させることができる。

本発明の別の態様は、アタッチメント装置である。この装置は、Ｘ線回折装置の試料を内部に設置するための試料室に接続されるアタッチメント装置であって、試料室の内部の圧力を制御する圧力制御部と、試料を加熱する加熱部と、を備える。圧力制御部は、試料室の内部の圧力を、大気圧よりも高い所定の圧力に制御可能であり、加熱部は、試料又は試料を載置するステージに赤外線を照射することにより試料を加熱する。

この態様によると、高圧条件下においても安全に試料を加熱することが可能なＸ線回折装置のアタッチメント装置を提供することができる。また、熱効率を高め、より迅速に試料を加熱することができるとともに、測定条件をより厳密に制御することができる。

Ｘ線回折装置の試料室に着脱可能に接続されてもよい。この態様によると、試料室に試料を設置するときにアタッチメント装置を退避させることができるので、作業を容易にすることができる。また、アタッチメント装置を用途に応じて交換することができる。

１Ｘ線回折装置、２解析装置、３試料、１０Ｘ線源、１１二次元検出器、１２試料室、１３供給管、１４排気管、１５ステージ、１６熱電対、１７遮蔽部、１８ベリリウム窓、２０アタッチメント装置、２１ガス入口バルブ、２２配管、２３逃がし弁、２４三方継手、２５ガス出口バルブ、２６配管、２７真空引きバルブ、２８熱電対コネクタ、２９昇降機構、３０恒温ジャケット、３１冷却ジャケット、３２試料ホルダ、４０加熱部、４１赤外線ランプ、４２楕円体反射ミラー、４３石英ロッド、４４固定部。

Claims

試料を内部に設置するための試料室と、
前記試料室の内部の圧力を制御する圧力制御部と、
前記試料室に導入される気体の流量を制御する流量制御部と、
前記試料室内に導入するガスの流量を制御するために開閉されるガス入口バルブと、
前記試料室内から排出するガスの流量を制御するために開閉されるガス出口バルブと、
前記試料室内に導入するガスの流量を検知する流量センサと、
前記試料室内の内部の圧力を検知する圧力センサと、
前記試料を加熱する加熱部と、
前記試料にＸ線を照射したときに、前記試料により回折されたＸ線を検出する検出器と、
を備え、
前記圧力制御部は、前記試料室の内部の圧力を、大気圧よりも高い所定の圧力に制御可能であり、
前記圧力制御部及び前記流量制御部は、前記流量センサにより検知されたガスの流量と、前記圧力センサにより検知された圧力とに基づいて、前記ガス入口バルブ及び前記ガス出口バルブの開度をフィードバック制御することにより、所定の流量で気体を前記試料室に導入しつつ、前記試料室の内部の圧力を所定の圧力に制御し、
前記加熱部は、前記試料又は前記試料を載置するステージに赤外線を照射することにより前記試料を加熱する
ことを特徴とするＸ線回折装置。
前記加熱部は、
赤外線を発生する赤外線発生部と、
前記赤外線発生部により発生された赤外線を前記試料又は前記ステージまで導光する導光部と、
前記赤外線発生部により発生された赤外線を集光して前記導光部に導入する集光部と、
を備え、
前記圧力制御部により前記試料室の内部が大気圧よりも高い圧力に制御されたときに、前記導光部が前記試料室の内部の圧力により押し出されて位置がずれないように固定するための固定部を更に備える
ことを特徴とする請求項１に記載のＸ線回折装置。
前記導光部は、外径が他の部分よりも大きい太径部を有し、
前記固定部は、前記導光部の前記太径部の外径よりも内径が小さい開口を含む
ことを特徴とする請求項２に記載のＸ線回折装置。
前記試料の垂直方向の位置を調整する垂直位置調整部を更に備えることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のＸ線回折装置。
前記試料の水平方向の位置を調整する水平位置調整部を更に備えることを特徴とする請求項１から４いずれかに記載のＸ線回折装置。
前記試料室の外壁は、前記試料室の内部を加温するための加温部と、前記試料室の外壁を冷却するための冷却部の少なくとも２層の構造を有することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のＸ線回折装置。
前記試料は、試料ホルダに固定されることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のＸ線回折装置。
前記試料ホルダに載置された前記試料を押止する試料押さえ部を更に備えることを特徴とする請求項７に記載のＸ線回折装置。
前記試料室の内部において、前記試料の上面よりも上方のＸ線を通過させるべき光路よりも上方の領域を通過するＸ線を遮蔽する遮蔽部を更に備えることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載のＸ線回折装置。
前記試料室内に設置された前記試料を視認するための可視化部を更に備えることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載のＸ線回折装置。
前記試料室内に設置された前記試料を照明する照明部を更に備えることを特徴とする請求項１０に記載のＸ線回折装置。
前記試料室内の前記Ｘ線が通過しない空間を充填する充填部材を更に備えることを特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載のＸ線回折装置。
試料を内部に設置するための試料室と、
前記試料室の内部の圧力を制御する圧力制御部と、
前記試料を加熱する加熱部と、
前記試料にＸ線を照射したときに、前記試料により回折されたＸ線を検出する検出器と、
前記試料室内の前記Ｘ線が通過しない空間を充填する充填部材と、
を備え、
前記圧力制御部は、前記試料室の内部の圧力を、大気圧よりも高い所定の圧力に制御可能であり、
前記加熱部は、前記試料又は前記試料を載置するステージに赤外線を照射することにより前記試料を加熱する
ことを特徴とするＸ線回折装置。
Ｘ線回折装置の試料を内部に設置するための試料室に接続されるアタッチメント装置であって、
前記試料室の内部の圧力を制御する圧力制御部と、
前記試料室に導入される気体の流量を制御する流量制御部と、
前記試料室内に導入するガスの流量を制御するために開閉されるガス入口バルブと、
前記試料室内から排出するガスの流量を制御するために開閉されるガス出口バルブと、
前記試料室内に導入するガスの流量を検知する流量センサと、
前記試料室内の内部の圧力を検知する圧力センサと、
前記試料を加熱する加熱部と、
を備え、
前記圧力制御部は、前記試料室の内部の圧力を、大気圧よりも高い所定の圧力に制御可能であり、
前記圧力制御部及び前記流量制御部は、前記流量センサにより検知されたガスの流量と、前記圧力センサにより検知された圧力とに基づいて、前記ガス入口バルブ及び前記ガス出口バルブの開度をフィードバック制御することにより、所定の流量で気体を前記試料室に導入しつつ、前記試料室の内部の圧力を所定の圧力に制御し、
前記加熱部は、前記試料又は前記試料を載置するステージに赤外線を照射することにより前記試料を加熱する
ことを特徴とするアタッチメント装置。
前記Ｘ線回折装置の試料室に着脱可能に接続されることを特徴とする請求項１４に記載のアタッチメント装置。