JPH06258260A - Ｘ線回折装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 二次元位置検出器で検出したＸ線回折パター
ンから多結晶体試料の結晶状態のその場測定を行う。 【構成】 二次元位置検出器にデータ処理系を接続して
Ｘ線回折パターンから幅数、強度、位置のデータ要素に
分けて、そこから結晶粒径、結晶化度、結晶方位、残留
応力等の知りたい結晶情報を求め、一次元、二次元、三
次元、あるいは時間軸でマッピングする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はＸ線回折により、多結晶
体の結晶状態の、面あるいは線分布を測定する方法及
び、Ｘ線回折装置に関する。更に詳しくは、微小領域に
おける多結晶体を構成する結晶粒径、結晶化度、結晶方
位、残留応力の空間分布を観測し、その一次元あるいは
二次元、三次元分布を調べる、もしくはその時間変化を
調べるための測定方法及び、装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】結晶粒径を調べる方法としては、光学顕
微鏡や電子顕微鏡を用いて直接観察する方法や、フィル
ターの目の大きさを利用して結晶粒径をふるい分ける方
法、結晶粒径の溶けない溶媒を用いて沈降する時間差を
利用する方法がある。また、結晶粒径や結晶化度を総合
的に調べる方法としては粉末ディフラクトメータ法があ
る。これは試料の回転角θにたいして検出器を回転角２
θで相対的に同時に回転させ、２θに対する回折線の強
度変化を測定する方法である。残留応力を測定する方法
としては、粉末写真法がある。この方法は格子定数のわ
かった金属の箔か粉末を標準試料として試料表面につけ
て、写真フィルム上の標準試料と試料のデバイ環との角
度差を測り、その差から試料の格子間隔を精密測定、応
力のない場合の格子間隔との差を求め、格子間にフック
の法則が成り立つとして応力を求める。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、結晶粒
径を調べる場合において、光学顕微鏡や、電子顕微鏡を
使ったり、フィルターの目でふるう、あるいは沈降する
時間差を利用するなどでは、適切な分散剤がない場合、
二次粒子の大きさ、形となってしまうことが多いため、
得られる結晶粒径の値は信頼性の低いものである。ま
た、適切な分散剤があっても試料を破壊してしまうこと
になる。

【０００４】結晶粒径や結晶化度を調べる場合におい
て、粉末ディフラクトメータ法を用いると多結晶体であ
る試料中の全て、あるいは広範囲中の結晶粒の回折線の
たし合わせになってしまう。従って結晶構造がよく知ら
れた多結晶体試料以外の結晶粒分布の情報を分離するこ
とが困難である。またディフラクトメータの構造上、試
料回転軸に沿った結晶状態情報は分離されないので、回
転軸方向の情報は平均化されてしまう。また、検出器の
回転により位置と強度を測定するために、回折線の強度
と線幅を同時には測定できない。従って、時間変化によ
る強度と線幅の関係や他の回折線との同時観測ができな
い。また、集中法の原理を使っているが、角度移動のた
め、測定時間はある程度長くかかってしまう。

【０００５】残留応力を測定する場合において、従来の
粉末写真法では標準試料を使用しなければならない。ま
た、写真フィルムの使用により、測定工程が煩雑であ
り、測定、解析時間は長くなってしまう。応力測定には
ディフラクトメータを利用する場合もあるが、集中法を
用いているために検出器を焦点円上に置かなければなら
ないから、検出器の回転だけでなく、前後の動きが必要
である。さらにデバイ環が連続であるように、試料の回
転をする必要が出て来る場合がある。いずれの場合で
も、試料の最小数十μｍφ程度の大きさまででしか測れ
ず、従ってより微小領域での結晶状態の測定と位置の同
定は無理である。また、数十μｍφ程度の微小領域Ｘ線
回折線を測定するためには、ピンホールコリメータを用
いて行うために一点の測定時間が長く、大きな試料に対
する面分析等マッピングができない。

【０００６】

【問題点を解決するための手段】本発明は上記のような
点に鑑みてなされたもので、回折Ｘ線を二次元位置検出
器で検出し、その検出器に接続された画像処理系とホス
トコンピュータにおいて、得られた回折スポットより、
幅、強度、数、位置のデータ要素に分けて、目的とする
結晶情報を取り出すために、必要なデータを処理し、Ｃ
ＲＴ、あるいはプリンタなどの出力装置出力できるよう
にした。また微小領域のＸ線回折像を得るために、Ｘ線
集光ミラーを微小焦点型Ｘ線管と試料間に配置して、Ｘ
線管から発散してきたＸ線をＸ線集光ミラーにより試料
上に微小かつ強力に集光した。その焦点に試料が来るよ
うにし、走査試料台には、その焦点が中心となるように
一軸ゴニオメーターを決め、その上に試料走査可能な２
次元走査ステージを組み合わせた。二次元位置検出器と
しては、回折Ｘ線に高感度な蛍光体膜と一段、もしくは
多段のテーパードファイバープレート、イメージインテ
ンシファイア、ＣＣＤの組合せを使用して、そのＣＣＤ
と走査試料台のコントローラに画像処理系とホストコン
ピュータを接続し、さらに出力装置を接続した。

【０００７】

【作用】上記のような構成によれば、ＣＣＤと画像処理
系、ホストコンピュータとの接続により、迅速な画像デ
ータ解析と結晶情報の抽出ができる。Ｘ線集光ミラーに
よる試料面上の微小かつ、強力なＸ線ビームと高感度蛍
光体、イメージインテンシファイアの採用で短時間でよ
り微小な領域のＸ線回折パターンの計測ができる。テー
パードファイバープレートの使用により、広範囲なＸ線
回折パターンを同時に観測することができる。試料台コ
ントローラとホストコンピュータの接続によって、走査
試料台の精密かつ迅速な試料走査が、Ｘ線集光ミラーの
焦点からずれることなく行える。

【０００８】

【実施例】以下、本発明について実施例を概略的に示し
た図１、図２、図３を用いて詳細に説明する。図２にお
いて、微小焦点型のＸ線管１はＸ線を発生する。Ｘ線管
１の出力は１０Ｗ程度であり、Ｘ線管１は、Ｘ線照射の
焦点スポットサイズを数百μｍから１０μｍまで可変で
ある。Ｘ線管１を微小部Ｘ線回折装置から外さずに、Ｘ
線焦点スポットサイズを外部から変更することができ
る。Ｘ線管１のＸ線ターゲットには、Ｃｕ、Ｆe 、Ｗ等
を用いる。Ｃu 、Ｆe ではその特性線を用いて、Ｋβ線
をカットして単色化するようフィルターを使用する。例
えば、Ｋβ線の強度をＫα線の１／６００にして、Ｃｕ
Ｋα線を使用する場合には、Ｎｉフィルター２１μｍ厚
を用いてＣｕＫα線の透過率は０．４、ＦｅＫα線を使
用する場合には、Ｍｎフィルター１６μｍ厚を用いて、
ＦｅＫα線の透過率は０．４６となる。

【０００９】発生したＸ線は、Ｈe ガスの封入されたパ
イプ２を通過する。Ｈｅガスはパイプ２に取り付けられ
たＨｅガスボンベ３によりパイプ２内に供給される。Ｈ
e ガス中のパスによりエネルギー５ＫｅＶ以上のＸ線は
９９％以上通過する。通過したＸ線は、５軸可動なミラ
ーホルダー４中のＸ線集光ミラーの作用で試料８面上に
微小かつ強力なＸ線スポットを結ぶ。

【００１０】ここで使用されるＸ線集光ミラーは、二次
曲面で定義されるパイレックスガラス製の楕円体ミラー
であり、焦点距離は１ｍ以下である。パイレックスガラ
ス基板上に白金単層をコーティングしたもので、エネル
ギー１０ＫｅＶ程度までのＸ線を８０％以上の反射率で
反射・集光させる作用を持つ。Ｘ線の集光効率はピンホ
ールで絞ったＸ線ビームの単位面積当りの強度に比べて
３桁高い。従って、従来の微小部Ｘ線回折装置に比べて
強度は１桁程度向上しており、Ｘ線スポットサイズは１
桁小さくなっている。また、微小焦点Ｘ線管の焦点操作
により、１００μｍφから１μｍφ程度までＸ線スポッ
トを変えることが可能である。

【００１１】試料８は図３に示す試料台９上に固定され
る。試料台９は以下の構造になっている下層部の最下層
は、Ｘ線管方向（Ｘ方向）に移動能力あるＸステージ１
６であり、可動範囲は数ｃｍで１０μｍ程度の移動精度
が保たれている。そのＸステージ１６の上には、回転ス
テージ１７を取りつけるための、回転ステージ取付板３
０が固定されている。回転ステージ取付板３０には、Ｘ
ステージ１６の移動方向と平行な軸を回転軸とする回転
ステージ１７が取り付けられている。その精度は０．１
゜程度であり、１８０゜回転可能である。

【００１２】さらに回転ステージ１７の上（Ｘ方向）に
は、約６０゜程度まで移動可能なゴニオステージ１８が
載っている。コニオステージ１８は、試料８上のある１
点の位置を固定して試料８を傾けるものであり、円弧状
にスライドする。移動精度は０．１゜程度であり、Ｘ線
の回折角を読み取れるようになっている。このゴニオス
テージ１８の回転中心が試料８になるようにゴニオステ
ージ１８の上方（Ｘ方向）に２次元試料走査ステージ１
９が取り付けてある。可動範囲は最大数十ｃｍあり、数
μｍ以下の移動精度を持つ。この２次元試料走査ステー
ジ１９の使用により、ミラーホルダー４に備えられたＸ
線集光ミラーの集光点が試料８からずれることなしに、
試料８を二次元走査できる。また、試料８を光学的に観
察するための光学的観察装置５が取りつけられている。

【００１３】試料８から回折してくるＸ線をＸ線画像検
出器１０とカメラ１１で観測する。Ｘ線画像検出器１０
とカメラ１１は２次元位置検出器を構成し、Ｘ線画像検
出器１０は図示しない蛍光体、テーパードファイバープ
レート二枚、イメージインテンシファイアーで構成され
ている。カメラ１１はＣＣＤカメラである。

【００１４】回折Ｘ線に高感度な蛍光体ＰＹＧでテーパ
ードファイバープレートの検出面が覆われている。蛍光
体は数十μｍの厚さで回折Ｘ線を可視光に高効率で変換
する。テーパードファイバープレートは二段につながれ
ており、広い検出面で検出した画像を約１／９に縮小す
る。縮小された可視光の画像はイメージインテンシファ
イアーで増幅され、適切な強度の可視光画像をカメラ１
１のＣＣＤに取り込む。得られた画像データである、回
折パターンの幅、位置、数、強度から試料の結晶状態を
割り出し、試料の２次元情報をマッピングする。

【００１５】この様な装置において、微小焦点型Ｘ線管
１、二次元位置検出器１０，１１、試料台９はコントロ
ーラー１２によって制御され、画像処理系１３を通し
て、モニター１４あるいはプリンター１５に出力され
る。次に、本発明の装置の動作について図１を参照して
説明する。微小領域中の結晶状態を分析すに当たり、Ｘ
線管１のＸ線ターゲットとして特性Ｘ線ＣｕＫαを使用
した場合を説明する。

【００１６】上記に説明した装置により試料８に１μｍ
径のＸ線を照射し、二次元位置検出器にてＸ線回折パタ
ーンを検出する。微小領域からのＸ線回折パターンから
まず、二次元位置検出器に取り込まれたＸ線回折パター
ンの数と幅よりその微小領域内の平均粒径を求めること
ができる。たとえば試料に当てられるＸ線スポット径が
１μｍφ程度で検出面に１００個以上が回折スポットと
して確認できるときには平均粒径０．１μｍφから４０
０Åφ程度となる。このときは回折パターンの幅の広が
りが重要になり、Ｘ線ビームの単色性と発散角と検出面
の分解能などの計測系での広がりに、画像処理系に予め
入力されている標準試料から得られた広がりを考慮し
て、計測系の紛れを打ち消し、その線幅から平均粒径を
求める。Ｘ線回折スポットが観測されず、幅の広い回折
線が観測されれば、その線幅のみで上記の方法で平均粒
径が求められる。

【００１７】また、検出面に回折スポットが数個程度確
認できれば平均粒径０．２μφ程度となる。試料に当て
られるＸ線スポットが１０μｍφ以上であれば、検出面
にはいるＸ線回折スポットの数だけで平均結晶粒径はき
まる。入射Ｘ線スポット径が１０μφ程度であれば、平
均結晶粒径は０．２μｍφ程度から数μｍφ程度までで
あり、入射Ｘ線スポット径が１００μφ程度であれば、
平均結晶粒径は２μｍφ程度から数１０μｍφ程度まで
である。試料を走査してやることにより、微小領域の点
分析、時間分析だけでなく、線分析、面分析することが
できた。

【００１８】結晶化度の定義は、結晶性部分の質量をそ
の質量と非晶性部分の質量を足した全質量で割った値で
ある。 結晶化度＝結晶性部分の質量／（結晶性部分の質量＋非
晶性部分の質量） 従って、入射Ｘ線スポット径とその斜入射角で決まる進
入深さで定義される試料体積の重量は一定かつ１とする
ならば、入射Ｘ線スポット径中の平均結晶粒子の数の逆
数が結晶化度を表すことになる。その平均結晶粒子数を
求めるには、上記の結晶粒径を求める手順を同様に踏
む。平均結晶粒子数はＸ線回折スポットの数に比例する
ので、直接求めることができる。ただし、入射Ｘ線スポ
ット径が１μφ程度の場合に、回折パターンの広がりが
出て来る場合があるので、平均結晶粒径を求めて、その
数を求めることになる。この結晶化度は入射Ｘ線の斜入
射角を変えることにより、Ｘ線の進入深さが違い、対象
となる全質量が変わって来る。従って、局所的な試料深
さ方向の結晶化度、外環境の変化による時間変化、試料
走査による線分析、面分析ができた。

【００１９】結晶方位は、２θを一定にして、走査試料
台の回転ステージ１７と一軸ゴニオステージ１８の角度
により求めることができる。検出面のある一点でＸ線回
折スポットが最大強度となるように回転ステージ１７と
一軸ゴニオステージ１８の角度を自動走査して、Ｘ線回
折スポットの重心位置を決める。自動走査の範囲は結晶
方位の角度範囲をどこまで求めるかで決定する。角度範
囲外では方位は決定されない。重心位置より２θの計測
を行い、θを求める。その時の一軸ゴニオステージ１８
の角度との差を調べ、回転ステージ１７との回転角によ
り、入射Ｘ線スポット中の平均結晶方位を求める。従っ
て、局所的な試料８の結晶方位の外環境の変化による時
間変化が観測できる。線分析、面分析は試料走査を行う
際に、Ｘ線回折スポットの重心位置を動かさないように
一軸ゴニオステージ１８と回転ステージ１７を自動走査
することを繰り返す。線分析、面分析をした結果、結晶
の配向を測定することができた。

【００２０】残留応力はＸ線回折パターンの強度と位置
とパターン幅の変化によって求めることができる。入射
Ｘ線スポット中の均一な歪は主にＸ線回折スポット重心
位置を変える。検出器でその位置を捉え、入射Ｘ線の発
散角３ｍｒａｄ程度、一軸ゴニオステージでＸ線回折パ
ターン強度が最大に成るよう自動走査する。次にＸ線入
射方向との２θを計測する。その角度を画像処理系に予
め入力されている標準試料のＸ線回折角と比べて、歪の
ない回折角と測定角との差を求める。その差より、結晶
格子間のずれを調べ、残留応力を求める。差がプラスで
あれば格子間隔が伸びており、引っ張り応力が存在す
る。逆に差がマイナスであれば格子間隔は縮んでおり、
圧縮応力が存在する。従って残留応力として大きさと方
向が求められる。

【００２１】また、入射Ｘ線スポット中の不均一な歪は
Ｘ線回折パターンの強度の減衰とその幅の広がりによっ
て求めることができる。検出器でその位置を捉え、入射
Ｘ線の発散角３ｍｒａｄ程度、一軸ゴニオステージでＸ
線回折パターン強度が最大に成るよう自動走査する。不
均一な歪の場合、歪のない場合のＸ線回折パターンに比
べ、強度が弱く、パターンの広がりが大きくなる。従っ
て０．１μｍφ以上の平均結晶粒径の場合においては、
粒径の細かさによる回折パターンの広がりは僅かである
ため、画像処理系に予め入力されている歪みのない試料
から得られた強度と広がりとを比較して、歪みの程度を
知ることができる。この場合には残留応力に方向はな
い。従って、局所的な試料の残留応力の大きさと方向、
外環境の変化による時間変化、試料走査による線分析、
面分析ができた。

【００２２】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、写真フィ
ルムを使わないのでその場観測ができ、試料を非破壊
で、試料中の結晶粒径、結晶化度、結晶方位、残留応力
を極めて微小な領域で、同時にしかも短時間で測定で
き、それら結晶状態の時間変化、一次元、二次元あるい
は三次元分布を観測することができるようになった。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明に係わる実施例を示した概略流れ
図である。

【図２】図２は本発明に係わる実施例を示した装置全体
概略の斜視図である。

【図３】図２は本発明に係わる実施例を示した試料台の
概略斜視図である。

【符号の説明】

１ Ｘ線管 ２ パイプ ３ Ｈｅガスボンベ ４ ミラーホルダー ５ 光学的観察装置 ７ Ｘ線 ８ 試料 ９ 試料台 １０ Ｘ線画像検出器 １１ カメラ １２ コントローラー １３ 画像処理系 １４ モニター １５ プリンター １６ Ｘステージ １７ 回転ステージ １８ ゴニオステージ １９ 二次元走査ステージ ２１ Ｘ線入射方向

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｘ線を発生するＸ線管球と、前記Ｘ線を
   ヘリウムガス中にて通過させるパイプと、前記パイプを
   通過したＸ線を試料表面にて微少スポットにして照射す
   るためのＸ線集光ミラーと、前記微少スポットにて照射
   される試料をＸ線光軸方向に移動可能にするＸステージ
   と、前記Ｘステージの上に載置され前記試料を前記Ｘ線
   光軸を回転軸にして回転可能な回転ステージと、前記回
   転ステージに取り付けられ、前記試料の前記Ｘ線スポッ
   ト照射位置を一定にして傾け可能なゴニオステージと、
   前記ゴニオメータに載置され試料をＸＹ方向に移動させ
   る二次元走査ステージと、前記試料から前記Ｘ線スポッ
   ト照射により回折された回折Ｘ線を二次元的に観察する
   二次元位置検出器よりなることを特徴とするＸ線回折装
   置。