JPH08233997A

JPH08233997A - 放射ｘ線用モノクロメータ

Info

Publication number: JPH08233997A
Application number: JP7038553A
Authority: JP
Inventors: Shinya Hashimoto; 真也橋本
Original assignee: Japan Atomic Energy Research Institute
Current assignee: Japan Atomic Energy Agency
Priority date: 1995-02-27
Filing date: 1995-02-27
Publication date: 1996-09-13
Also published as: US5615245A

Abstract

(57)【要約】【目的】高い冷却効率を有し、調整が容易で、出射Ｘ
線束を高精度で且つ安定して得ることができ、使用が容
易で、経済的であり、メンテナンスが容易な放射Ｘ線用
モノクロメータを提供することを目的とする。【構成】放射Ｘ線用モノクロメータは、凹Ｖ字型溝１
１を有する第１入射面１２と、該Ｖ字型溝１１に沿って
該第１入射面１２の裏側に冷却材を流通させる冷却手段
３０と、を備える第１結晶１０、及びＶ字型凸部２１を
有する第２入射面２２を備える第２結晶２０からなる。
第１入射面１２に入射した平行Ｘ線束は、第１入射面１
２上で半楕円形状にのびて、第２入射面２２に平行に反
射し、再度初期の平行Ｘ線束と同じ大きさの出射Ｘ線束
として出射し、利用光となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】高輝度シンクロトロン放射光施設
において、アンジュレータを光源としたＸ線ビームライ
ンに据え付ける分光器に関する。特に、Ｘ線構造解析、
材料評価用の装置の一部として使用される放射Ｘ線用モ
ノクロメータに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のモノクロメータは、図１に示すよ
うに、平板結晶の片面を反射面として、他方の片面を冷
却面とする。該反射面は加熱され、該冷却面は水あるい
は液体金属などの冷却材で冷却されている。該冷却面に
フィン等の加工を施して、冷却効率を上げているタイプ
のモノクロメータもある。しかしながら、これらの平板
型モノクロメータでは、反射面に与えられる熱による応
力変形が生じ、結晶面が熱変形を引き起こし、出射Ｘ線
が散乱してしまうという問題がある。

【０００３】図２には、一般的なモノクロメータ結晶の
熱変形を示す。図２（ａ）に示すように、平板結晶の片
面全体に入射Ｘ線が照射されて一様に加熱され、他方の
片面が冷却されると、原子面が傾斜せずに、格子定数の
みが一様に膨張し、下方に向かうに従って膨張が小さく
なる均一膨張が引き起こされる。この場合には、加熱さ
れた片面を凸面とする弓なり変形（図２（ｃ））が生じ
る。また、照射領域が局部的な場合には、照射された部
分のみがコブ状に盛り上がる（図２（ｂ））。これらの
平板結晶の熱変形によって、平行入射Ｘ線束を照射した
場合に、出射Ｘ線束はＥ’及びＥ''まで広がって、つま
り非平行に反射されることになり、Ｘ線の分光性能（エ
ネルギー分解能及び強度）を著しく劣化させる。

【０００４】特に、挿入光源主体の高輝度放射光施設の
ビームライン設計に際して、上記結晶の熱変形が最も深
刻な問題となっている。従来から、さまざまな工夫が施
されてはいるが、ほとんどが冷却能力の物理的向上を目
的としており、実用的な仕様のモノクロメータは得られ
ていない。むしろ、冷却能力の向上に主眼を置き過ぎて
いるため、精度が低く不安定であり、使用に際して困難
を伴い、コストが高くなり、メンテナンスが複雑となる
等の問題がある。

【０００５】図３には、米国ＡＰＳ(Advanced Photon S
ource, U.S.A、エネルギー７．０GeV、特性光子エネル
ギー１９．０KeV、ビームライン３４本＋α、周長１１
０４m)用に開発された傾斜型モノクロメータ(Inclined
Crystal Monochoromator)を示す。入射Ｘ線と格子面と
のなす角度は、結晶モノクロメータの性質上絶対変える
ことはできないが、結晶表面は任意の角度を有すること
ができる。図３に示すように、シリコン単結晶の（１
１１）格子面（分光に関する結晶面）を水平に置き、結
晶面から９０度近くまで傾けて表面を切り出し、該傾斜
面にＸ線を入射すると、その影は長くのびて、単位面積
当たりの熱流束が小さくなるので発生熱を小さくするこ
とができる。これは、発生熱を小さくするためには、影
を長くのばさなければならず、大きな結晶が必要となる
ということを意味する。結晶の入射Ｘ線に対する傾斜角
度を変えて、ビームの垂直断面積に対する結晶表面上で
の照射面積の割合を測定した結果を図４に示すが、この
結果から傾斜角度が大きくなるにつれて、該割合が大き
くなることがわかる。つまり、結晶の入射Ｘ線束に対す
る傾斜角度を大きくするほど、入射Ｘ線の結晶表面上で
の影の面積が拡張し、単位面積当たりの熱流速が減少す
ることがわかる。一方、この幾何学では、熱変形の方向
は、ほとんど結晶格子面内にあって、回折に関する格子
面に大きな歪みを引き起こさないなどの利点がある。し
かしながら、これらの利点にもかかわらず、該傾斜型モ
ノクロメータでは、発生熱を小さくするためには、大
きな結晶を用いなければならない、調整が難しい（調
整誤差が大きく増幅される）、入射ビームの位置揺ら
ぎが出射ビームの位置を不安定にする、等の欠点が指摘
されており、実用上の困難性が課題として残されてい
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】したがって、本発明
は、結晶の熱変形を最小とし、且つ従来の装置における
上記困難性を克服して、実用上の問題点を解決すること
ができる放射Ｘ線用モノクロメータを提供することを目
的とする。

【０００７】具体的には、小さい結晶を用いて、冷却能
力を高めて結晶の熱変形を最小に抑えると共に、調整が
容易で、入射Ｘ線束の位置揺らぎを抑え、高い精度で安
定した出射Ｘ線束すなわち利用光を得ることができ、使
用が容易で、経済的であり、且つメンテナンスが容易な
放射Ｘ線用モノクロメータを提供することを目的とす
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】以下、本発明を説明する
にあたり、Ｘ線源から第１結晶に入射するＸ線を入射Ｘ
線（又は入射ビーム）と、該第１結晶により反射されて
第２結晶に入射するＸ線をあはんしゃＸ線（又は反射ビ
ーム）と、該第２結晶から出射するＸ線（単色Ｘ線）を
出射Ｘ線（又は出射ビーム）と、それぞれ称することに
する。

【０００９】本発明の放射Ｘ線用モノクロメータは、凹
Ｖ字型溝の形状を有する入射面と、該Ｖ字型溝に沿って
該入射面の裏側に冷却材を流通させる冷却手段と、を備
える第１結晶、及び該凹Ｖ字型溝に符合する凸Ｖ字型の
形状のＶ字型凸部を有する第２結晶からなることを特徴
とする。

【００１０】入射Ｘ線束は、前記第１結晶の凹Ｖ字型溝
の底部、つまり最も鋭角になっている部分に最も多く入
射し、該部分に発熱中心（最も強く加熱される部分、強
加熱領域ともいう）が形成される。第１結晶において
は、該Ｖ字型溝の傾斜面は、該発熱中心の周囲を取り囲
むので、この周囲の結晶の体積によって熱変形による格
子歪みを抑制することができる。

【００１１】前記第２結晶のＶ字型凸部には、第１結晶
の凹Ｖ字溝に入射した放射Ｘ線束が反射した反射Ｘ線が
入射する。該反射Ｘ線は、第２結晶上で再び入射Ｘ線束
と同サイズにまとめられて、該第２結晶から出射Ｘ線束
として出射する。該出射Ｘ線束は、利用光として、Ｘ線
構造解析、材料評価等に用いられる単色Ｘ線束となる。
したがって、精度よく出射Ｘ線束を得るためには、前記
第１結晶と第２結晶とをわずかな誤差範囲内でセッティ
ングすることが好ましい。具体的には、第１結晶の凹Ｖ
字型溝の底部と第２結晶のＶ字型凸部との中心線が一致
することが最も好ましいが、両者のずれは０．０１mm以
下の誤差範囲であってもよい。

【００１２】前記冷却手段は、該Ｖ字型溝に沿って入射
面の裏側に設けられ、第１結晶内部の熱拡散を助長す
る。好ましくは、該冷却手段は、前記発熱中心の真下を
起点として、該Ｖ字型溝に沿って入射面の裏側に設けら
れることが好ましい。さらに、前記第１結晶底部から該
強加熱領域に向けて方向づけられ、該領域（発熱中心）
の真下を起点として対向する両方向に分離し、前記Ｖ字
型溝に沿って入射面の裏側に、冷却材を流通させる輸送
管の形状であることがより好ましい。

【００１３】前記輸送管の材質としては、耐熱性及び耐
圧性等を考慮し、さらに冷却材として冷却効率の高い水
及び／又は液体ガリウム等の液体金属を用いることがで
きるように、ステンレスあるいはテフロン（デュポン社
登録商標）等を好ましく用いることができる。

【００１４】

【作用】上述の構成による作用は以下のとおりである。

【００１５】Ｖ字型溝の傾斜面にＸ線が入射すること
により、入射表面上でのＸ線の影をのばすことができる
ので、熱流束を小さくすることができる。

【００１６】一枚の傾斜面を有する従来の傾斜型モノ
クロメータとは異なり、Ｖ字を形成する２枚の傾斜面を
有するので、長手方向の大きさを小さくすることができ
る（従来の傾斜型モノクロメータと比較すれば、半分の
大きさでよい）。

【００１７】Ｖ字型溝の底部での熱流束が最も大き
く、発熱中心を形成するが、該発熱中心で発生した熱
は、Ｖ字型溝の周囲の傾斜面及び溝下方の結晶内部に向
かって放射状に拡散するので、結晶内部での熱拡散を助
長することができる。

【００１８】該発熱中心を結晶が取り囲む構造であ
り、発生した熱応力を互いに打ち消し合うので、熱によ
る結晶の歪み（熱変形）を抑制することができる。

【００１９】冷却手段をＶ字型溝に沿って入射面の裏
側に設けることにより、入射Ｘ線に起因して発生する熱
を効率良く冷却することができる。

【００２０】冷却手段をステンレスあるいはテフロン
からなる輸送管形状とする場合には、冷却材として水及
び／又は液体ガリウム等の液体金属をそのままの構造で
用いることができる。

【００２１】与えられた応力を打ち消し合うＶ字型溝
の形状とすることで、局部的な結晶変形を引き起こしや
すいジェット水流を冷却手段として用いることができ
る。

【００２２】

【実施例】以下、添付図面に基づいて本発明を詳細に説
明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

【００２３】本発明による放射Ｘ線モノクロメータの一
実施例を図５に示す。該モノクロメータは、凹Ｖ字型溝
１１を有する第１入射面１２を備える第１結晶１０と、
Ｖ字型凸部２１を有する第２入射面２２を備える第２結
晶２０とからなる。該第１結晶１０は、図６に示すよう
に、該凹Ｖ字型溝１１に沿って第１入射面１２の裏側に
冷却材３１を流通させるための輸送管３０（冷却手段）
を内部に含む。該輸送管３０は、第１結晶１０の底部か
ら凹Ｖ字型溝１１の底部（強加熱領域）１３に向かって
延び、該強加熱領域１３の真下でＶ字型溝の第１入射面
である傾斜面１２にほぼ沿うように両方向に別れて延
び、第１結晶１０の側壁に至り、冷却材３１を外部に排
出する。前記輸送管３０には、耐熱性及び耐圧性のある
ステンレスあるいはテフロンを用い、冷却材３１として
水あるいは冷却効率の良い液体ガリウムを用い、ジェッ
ト水流の形態で冷却材３１を強加熱領域１３に与える。

【００２４】図７には、本発明の放射Ｘ線用モノクロメ
ータに、放射Ｘ線束が入射した場合の第１結晶１０の熱
による格子歪みの概要を示す。ここで、水平線４０は格
子面を示し、Ｘ線束が入射する前の初期格子面は点線で
表され、熱変形を受けた後の格子面は実線で表されてい
る。図７から明らかなように、強加熱領域１３に近い部
分の傾斜面１２は、凹Ｖ字型溝１１の内方に向かって膨
張している（４２で示す部分）が、格子面自体の変形は
わずかである。すなわち、格子面は、凹Ｖ字型溝１１の
底部１３からの仮想延長線を中心として両側がわずかに
盛り上がるように変形しているが、初期格子面から大き
くずれてはいない。また強加熱領域１３では、凹Ｖ字型
溝１１の傾斜面１２が収束しているので、熱による応力
は互いに打ち消し合って減衰し、熱歪みが抑制されてい
る。該強加熱領域１３下方の結晶内部に向かう変形を受
ける領域４４は、第１結晶１１の底部及び側面まで到達
せず、結晶内部で終端している。したがって、熱変形の
影響は、強加熱領域１３の周辺に集中し、結晶全体への
影響を最小とすることができる。このように、本発明の
放射Ｘ線用モノクロメータにおいてみられる格子面への
熱変形の影響は非常に小さいので、従来の平板型モノク
ロメータでみられるような大きな格子面の弓なり変形を
引き起こすことがない。

【００２５】さて、第１結晶１０に入射して第２結晶か
ら出射する平行Ｘ線束の進行経路を図８に示す。ここ
で、放射された平行Ｘ線束は、第１結晶１０の凹Ｖ字型
溝１１（Ｖ字傾斜面間の角度２α）を有する第１入射面
１２に入射する。該第１入射面１２は、入射Ｘ線束Ａ₀
Ｂ₀Ｃ₀（短径２Ｓ_v、長径２Ｓ_h）に対して角度θで傾斜
しているので、入射表面上のＸ線の影Ａ₁Ｂ₁Ｃ₁は半円
楕円形（短径２Ｓ_v／ｓｉｎθ、長径Ｓｈ／｛ｔａｎα
ｓｉｎθ｝）にのびる。次いで、該第１入射面１２上に
て広がったＸ線は反射されて、第２結晶２０のＶ字型凸
部２１（Ｖ字傾斜面間の角度２α）を有する第２入射面
２２に入射する。該凹Ｖ字型溝１１と該Ｖ字型凸部２１
とは、互いに符合する形状を有し、符合する一に配され
ているので、第１入射面１２及び第２入射面２２は間隔
Ｄで平行に配置されることになる。よって、第１入射面
１２からの反射Ｘ線束は、第２入射面２２に平行に入射
され、同じサイズのＸ線の半円楕円形の影Ａ₂Ｂ₂Ｃ₂を
第２入射面２２上に与える。また、第１入射面１２と第
２入射面２２の平行配置により、該第２入射面２２に入
射したＸ線束は、第１入射面１２へのブラッグ角θと同
じ大きさの角度θで出射される。こうして、最初の平行
Ｘ線束と同じサイズ及び平行性を有する出射Ｘ線束Ａ₃
Ｂ₃Ｃ₃（短径２Ｓ_v、長径２Ｓ_h）が得られる。この場合
の入射Ｘ線束の断面は図９より、また出射Ｘ線束の断面
は図１０より読み取れる。ここで図９は、アンジュレー
タからの第１ビームのパワー分布を示した分布図であ
り、第１結晶に入射する入射Ｘ線束を表す。図１０は、
モノクロメータからの出射ビームのパワー分布を示す分
布図であり、第２結晶からの出射Ｘ線束を表す。これら
の図面から、両者の断面は非常によく一致していること
がわかり、出射Ｘ線束は入射Ｘ線束を精度よく再現して
いることがわかる。該出射Ｘ線束が、Ｘ線構造解析、材
料評価用等として利用される利用光となるので、高精度
のＸ線の分光性能が得られることがわかる。

【００２６】ここで、放射Ｘ線束と精度良く全く同じサ
イズ及び平行性を有する利用光を得るためには、前記第
１結晶１０の凹Ｖ字型溝１１の底部１３の中心線と、第
２結晶２０のＶ字型凸部２１の先端部分２３の中心線
と、が一致するように配置することが好ましい。仮に、
第１結晶１０及び第２結晶２０を間隔ｂだけずらして配
置した場合には、図１１に示すように、第１結晶１０か
らの反射Ｘ線は、第２結晶２０の第２入射面２２に平行
には入射しないので、得られる出射Ｘ線は、最初の平行
Ｘ線束とは異なる非平行Ｘ線束となり、出射Ｘ線束の断
面の形状は、図１２に示すように２ｂｃｏｓθ／ｔａｎ
αのずれを有する段違いの断面となる。一例として、入
射Ｘ線束と入射面との間の角度θ（ブラッグ角）を１５
度、Ｖ溝の角度２αを６０度、第１結晶と第２結晶との
ずれｂを０．１mmとした場合の出射Ｘ線束の強度分布つ
まり単色光の強度分布を調べると、図１３に示すように
段違いの断面となることがわかる。第１結晶と第２化粧
とのずれｂを０．１mmとして、ブラッグ角θ及びＶ字型
溝の角度２αを変えて、出射ビームの断面に生じるずれ
をプロットしたグラフを図１４に示す。この図より、θ
及び２αが９０度に近づくほど、出射ビームの断面に生
じるずれは小さくなることがわかる。つまり、良好な精
度で入射Ｘ線束にほぼ等しい出射Ｘ線束を得るために、
Ｖ字型溝の角度を９０度に近づけることによっても、第
１結晶と第２結晶とのずれを補償することができること
がわかる。

【００２７】

【発明の効果】本発明の放射Ｘ線用モノクロメータによ
れば、入射Ｘ線の結晶表面における単位面積当たりの熱
流束を小さくすることができ、慣用の水冷却あるいは液
体ガリウム冷却型モノクロメータと同程度の冷却特性を
得ることができる。また、入射Ｘ線により与えられる熱
応力を互いに打ち消し合う構造としているので、熱変形
を抑制することができる。さらに、凹凸に組合わされた
Ｖ字型形状の２つの結晶入射面を備えているので、長手
方向の大きさを従来の傾斜型モノクロメータと比較した
場合に半分にすることができ、小型化が可能である。ま
たこの構造により、機械的変形が生じにくくなり、たと
え変形が生じても、光学的性能に影響のない方向に逃が
すことができる。また冷却手段を結晶底部から延ばし入
射面の裏側に沿って設けているので、冷却効率を上げる
ことができる。

【００２８】したがって、本発明の放射Ｘ線用モノクロ
メータは、小型で、入射Ｘ線束の位置揺らぎを抑え、調
整が容易で、出射Ｘ線束を高精度に且つ安定に得ること
ができ、使用が簡単で、経済的であり、メンテナンスが
容易である、という効果を奏する。

【００２９】以上のように、良好な冷却特性、優れた歪
み特性を有し、且つ小型で使いやすく、高精度で安定し
た出射Ｘ線束を得ることができ、さらに装置の設置、調
整、メンテナンスが容易な本発明の放射Ｘ線用モノクロ
メータは、第３世代放射光施設において用いることによ
って、その能力を十分に引き出すことができるものであ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、従来の平板型モノクロメータの冷却法
を示す原理図である。

【図２】図２は、従来の平板型モノクロメータにおいて
みられる熱変形を説明する原理図である。

【図３】図３は、米国ＡＰＳ用に開発された傾斜型モノ
クロメータの原理図である。

【図４】図４は、種々の回折角度における結晶面と入射
Ｘ線束との入射角度及び結晶表面上の照射面積／Ｘ線束
の垂直断面積の関係を示したグラフである。

【図５】図５は、本発明の放射Ｘ線用モノクロメータの
一実施例を示す斜視図である。

【図６】図６は、本発明の放射Ｘ線用モノクロメータの
冷却手段の一実施例を示す断面図である。

【図７】図７は、本発明の放射Ｘ線用モノクロメータに
おける格子歪みを示す断面図である。

【図８】図８は、第１結晶及び第２結晶が正確な位置に
配置されている場合の入射Ｘ線束の進路を示す原理図で
ある。

【図９】図９は、アンジュレータの第１ビームのパワー
分布を示す分布図である。

【図１０】図１０は、第１結晶及び第２結晶が正確な位
置に配置されている場合、図９に示す第１ビームがモノ
クロメータを通過した出射ビームのパワー分布を示す分
布図である。

【図１１】図１１は、第１結晶及び第２結晶がミスセッ
ティングされた場合の出射Ｘ線形状を計算するための原
理図である。

【図１２】図１２は、第１結晶及び第２結晶がずれｂを
有してミスセッティングされた場合、楕円状の入射Ｘ線
束から得られる出射Ｘ線束の断面の強度分布を示す分布
図である。

【図１３】図１３は、第１結晶及び第２結晶がずれｂを
有してミスセッティングされた場合、楕円状の第１ビー
ムがモノクロメータを通過した出射ビームのパワー分布
を示す分布図である。

【図１４】図１４は、第１結晶及び第２結晶がずれｂを
有してミスセッティングされた場合、出射ビームの断面
におけるずれの大きさを示すグラフである。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】凹Ｖ字型溝の形状を有する入射面と、該
Ｖ字型溝に沿って該入射面の裏側に冷却材を流通させる
冷却手段と、を備える第１結晶、及び該凹Ｖ字型溝に符
合する凸Ｖ字型の形状のＶ字型凸部を有する第２結晶か
らなることを特徴とする放射Ｘ線用モノクロメータ。
【請求項２】前記第１結晶と前記第２結晶とは、前記
凹Ｖ字型溝の底部と前記Ｖ字型凸部の先端部とが、ほぼ
同じ線上に位置するように配置されていることを特徴と
する請求項１の放射Ｘ線用モノクロメータ。
【請求項３】前記Ｖ字型溝及び前記Ｖ字型凸部のＶ字
の角度は、ほぼ９０度であることを特徴とする請求項１
の放射Ｘ線用モノクロメータ。
【請求項４】前記冷却手段は、第１結晶底部から前記
凹Ｖ字型溝の底部の真下まで延び、該底部の真下から対
向する両方向に分離し、凹Ｖ字型溝に沿って入射面の裏
側に延びていることを特徴とする請求項１〜３のいずれ
かに記載の放射Ｘ線用モノクロメータ。
【請求項５】前記冷却手段は、耐圧性及び耐熱性を備
える材料からなる管状部材を含むことを特徴とする請求
項１〜４のいずれかに記載の放射Ｘ線用モノクロメー
タ。
【請求項６】前記冷却手段は、冷却材として水及び／
又は液体金属を用いることを特徴とする請求項１〜５の
いずれかに記載の放射Ｘ線用モノクロメータ。
【請求項７】前記液体金属として、液体ガリウムを用
いることを特徴とする請求項６の放射Ｘ線用モノクロメ
ータ。
【請求項８】前記冷却手段は、ジェット水流を与える
ことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の放射
Ｘ線用モノクロメータ。