(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料温度を変化させながらＸ線回折測定を実行する装置に組み込まれる試料保持装置において、
正の熱膨張係数を有する材料で形成され、内部に試料配置部を有するとともに周囲にヒータ線が巻回された加熱炉と、
前記加熱炉を支える支柱として機能する第１支持部材と、
前記加熱炉１と第１支持部材とを接続するとともに、前記加熱炉の周囲を被覆して前記加熱炉から放射される熱を遮蔽する防熱カバーとして機能する第２支持部材とを備え、
前記第１，第２支持部材のいづれか一方を負の熱膨張係数を有する材料で形成するとともに、他方を正の熱膨張係数を有する材料で形成し、
温度変化に伴う前記加熱炉の伸縮による前記試料配置部の変位と、温度変化に伴う前記各支持部材の伸縮による前記試料配置部の変位とが、逆向きとなるように構成したことを特徴とする試料保持装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、試料温度を変化させながらＸ線回折測定を実行する装置に組み込まれる試料保持装置およびその方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
温度変化に伴う試料の物性変化をＸ線回折測定により分析する装置は従来から知られている。この種の装置としては、例えば、Ｘ線回折装置の試料装着部に試料高温装置と称する加熱装置を搭載し、試料を加熱しながらＸ線回折測定を実行するＸ線回折装置がある。また近年においては、熱重量測定装置（ＴＧ）、示差熱分析装置（ＤＴＡ）、示差走査熱量計（ＤＳＣ）などの熱分析装置とＸ線回折装置とを組み合わせ、熱分析とＸ線回折測定とを同時に行える複合同時測定装置も開発が進められている。
【０００３】
これらの装置において、試料保持部には、試料を保持するとともに加熱または冷却する機能を備えた試料保持装置が組み込まれる。なお、上記試料高温装置も、試料保持装置に含まれる。
従来のこの種の試料保持装置は、内部に試料配置部を有した加熱炉を備え、この加熱炉の底部を支柱により支持する構成となっていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
加熱炉は、試料配置部に配置された試料を周囲から加熱する。それに伴い加熱炉も加熱し、さらに加熱炉に生じた熱が支柱に伝わり支柱も加熱される。したがって、従来の試料保持装置の構造では、加熱炉の熱膨張に支柱の熱膨張が重畳され、試料配置部が大きく変位してしまう問題があった。
【０００５】
一般に、加熱炉の材料としては、機械的強度、熱伝導率、耐酸化性、加工性などの制約から、数１００℃以下の用途には、アルミ合金、銀、ニッケルなどの金属材料が用いられ、それ以上の温度まで加熱する場合はアルミナなどのセラミックスが用いられるが、これらの材料はいずれも平均熱膨張係数が８×１０−６／℃以上と大きい。
また、支柱には機械的強度が大きく熱伝導率の小さなステンレス（ＳＵＳ）等の金属材料が用いられているが、この種の金属材料も平均熱膨張係数は１６×１０−６／℃以上と大きい。
【０００６】
したがって、例えば、加熱炉が銀製で高さ２０ｍｍ、支柱がステンレス製で高さ１０ｍｍとした場合、これらの部材が室温から３００℃に昇温したとき、全体の膨張は１００μｍ以上にも及んでしまう。
【０００７】
一般に、Ｘ線回折測定による試料分析には、試料表面に対するＸ線の入射角θのずれは０．０２°以内とすることが要求される。そのために許容される試料面の移動量は、装置により異なるものの、通常は２０〜３０μｍ以内であり、上記の如く１００μｍ以上もの変位量は許容範囲をはるかに超えている。
【０００８】
ゆえに、従来は温度変化に伴い試料位置の補正を頻繁に行う必要があり、煩雑であった。
この発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、温度変化に伴う試料位置の移動を抑制することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、この発明は、試料温度を変化させながらＸ線回折測定を実行する装置に組み込まれる試料保持装置において、内部に試料配置部を有する温度調節部材と、この温度調節部材を支持する支持部材とを備え、温度変化に伴う温度調節部材の伸縮による試料配置部の変位と、温度変化に伴う支持部材の伸縮による試料配置部の変位とが、逆向きとなるように温度調節部材と支持部材とを接続したことを特徴とする。
これにより、温度変化に伴う温度調節部材の伸縮と支持部材の伸縮とが相殺し合って、試料保持部の位置の変動を抑制することができる。
【００１０】
また、この発明の試料保持装置は、支持部材が、負の熱膨張係数を有する第１支持部材と、正の熱膨張係数を有する第２支持部材とを含み、いずれか一方の支持部材により他方の支持部材と温度調節部材とを接続することを特徴とする。
【００１１】
第１支持部材に負の熱膨張係数を有する材料を用いることにより、温度変化に伴う第２支持部材の伸縮に対して、第１支持部材が逆方向に伸縮するために、支持部材の全体的な伸縮量を減少させることができる。
なお、負の熱膨張係数を有する材料とは、加熱により収縮し、冷却により膨張する材料をいい、この種の材料としては、例えばチタン酸アルミニウムやカーボン繊維により一軸方向を強化したエポキシ樹脂がある。
【００１２】
さらに、この発明の試料保持装置は、第２支持部材で、第１支持部材の上端と温度調節部材の上部を接続することを特徴とする。
【００１３】
また、この発明の試料保持方法は、試料温度を変化させながらＸ線回折測定を実行する装置に組み込まれる試料保持装置において、内部に試料配置部を有する温度調節部材を支持部材により支持するとともに、温度変化に伴う温度調節部材の伸縮による試料配置部の変位と、温度変化に伴う支持部材の伸縮による試料配置部の変位とを逆向きとしたことを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１はこの発明の実施形態に係る試料保持装置の概要を示す断面図である。
同図に示す試料保持装置は、Ｘ線回折装置（ＸＲＤ）と示差走査熱量計（ＤＳＣ）との複合同時測定装置に組み込まれるもので、加熱炉１（温度調整部材）、第１支持部材２および第２支持部材３を備えている。
【００１５】
まず、これら各構成要素の概要を説明する。
加熱炉１は、円筒状の炉体１０の周囲にヒータ線１１を巻回した構成となっており、内部に２つの試料配置部１２が形成されている。試料配置部１２は、炉体１０内部における熱の対流等を考慮してもっとも均一な加熱が行える位置に形成してある。図示のような縦型配置の炉体１０にあっては、中央よりやや上方がもっとも均一で効率的な加熱を行えるため、当該位置に試料配置部１２は形成してある。
【００１６】
加熱炉１は上端が開口しており、この上端開口部から試料の挿入配置が行われる。この上端開口部には蓋体１３が着脱自在となっている。また図示しないが、炉体１０にはＸ線の入射窓および出射窓が形成してあり、Ｘ線源から発射されたＸ線を入射窓を透して試料配置部１２の試料表面に照射するとともに、試料表面から反射してくる回折Ｘ線を出射窓を透してＸ線検出器に導く構成となっている。
なお、各試料配置部１２の底部中央には、温度測定用の熱電対１４が固着してあり、これら熱電対１４の出力線が、示差走査熱量計（ＤＳＣ）１５に接続されている。
【００１７】
第１支持部材２は、加熱炉１を支える支柱の機能を有している。また、第２支持部材３は、第１支持部材２と加熱炉１とを接続する中間接続部材の機能を有するとともに、加熱炉１の周囲を被覆して加熱炉１から放射される熱を遮蔽する防熱カバーの機能を有している。この第２支持部材３は、円筒状のカバー部３０と、このカバー部３０から延出するフランジ部３１とを有し、カバー部３０が炉体１０の周囲に配置されている。
【００１８】
炉体１０および第２支持部材３は、正の熱膨張係数を有する材料で形成してあり、第１支持部材２は負の熱膨張係数を有する材料で形成してある。
例えば、炉体１０を形成する材料としては、加熱範囲が数１００℃以下の場合は、アルミ合金、銀、ニッケルなどの金属材料が好適であり、それ以上の温度まで加熱する場合はアルミナなどのセラミックスが好適である。また、第２支持部材３を形成する材料としては、例えばステンレス（ＳＵＳ）等の金属材料が好適である。一方、第１支持部材２を形成する負の熱膨張係数を有する材料としては、例えばチタン酸アルミニウムやカーボン繊維で一軸方向を強化したエポキシ樹脂がある。
【００１９】
正の熱膨張係数を有する材料で形成された炉体１０および第２支持部材３は、加熱により膨張する。一方、負の熱膨張係数を有する材料で形成された第１支持部材２は、加熱により収縮する。
【００２０】
そして、この実施形態では、第２支持部材３のフランジ部３１を第１支持部材２の上端に固定するとともに、第２支持部材３におけるカバー部３０の上端部を炉体１０の上端部に固定してある。このような接続関係とすることにより、第１支持部材２は下方へ収縮し（図示矢印ａ）、第２支持部材３はカバー部３０におけるフランジ部３１の延出部から上端部にかけての領域が上方へ膨張する（図示矢印ｂ）。したがって、第１支持部材２の下方への収縮により、炉体１０と接続された第２支持部材３の上端部の移動量は減少する。また、炉体１０は、第２支持部材３の上端部を基点として下方に膨張する（図示矢印ｃ）。
【００２１】
これら各部材における試料配置部１２の移動に寄与する各部分の膨張量または収縮量を調節することにより、試料配置部１２の移動を抑制することができる。ここで、各部の膨張量または収縮量は、当該部分の長さＬに、加熱または冷却前の温度と加熱または冷却後の温度との温度差ΔＴ、およびその間の平均熱膨張係数αを掛け合わせた値（Ｌ×ΔＴ×α）となる。したがって、選択した材料の熱膨張係数に応じて、各部分の長さを設定するればよい。
【００２２】
図２はこの発明の実施形態に係る試料保持装置の概要を示す断面図である。なお、同図において図１と同一部分には同一符号を付してある。
図２に示す試料保持装置では、第２支持部材３の下端部に炉体１０の下端部を接続してある。この場合は、第１支持部材２の収縮と第２支持部材３の膨張とが同じ方向（下方）となり、それらの変位量が重畳される。一方、炉体１０は第２支持部材３の下端部を基点として上方に膨張する。
【００２３】
このような構成であっても、各部材における試料配置部１２の移動に寄与する各部分の膨張量または収縮量を、当該各部分の長さをもって調節することにより、試料配置部１２の移動を抑制することができる。
【００２４】
なお、この発明は上述した実施形態に限定されるものではない。
例えば、第１支持部材２は、石英ガラス等の熱膨張係数が正の極めて小さい材料で形成することもできる。また、上記実施形態では、支柱に相当する部材を第１支持部材２、中間接続部材および防熱カバーに相当する部材を第２支持部材３としたが、支柱に相当する部材を第２支持部材、中間接続部材および防熱カバーに相当する部材を第１支持部材とすることも可能である。
【００２５】
【実施例】
図１に示した構成の試料保持装置を用いて、試料配置部１２の移動量を抑制するための各部構成を検討した。
すなわち、試料の加熱範囲を室温から７００℃までとして、第２支持部材３の上端部（炉体１０との接続部）から試料配置部１２までの長さを１０ｍｍ、第１支持部材２の下端から第２支持部材３の上端部（炉体１０との接続部）までの長さを５０ｍｍ、第１支持部材２の上端部から第２支持部材３の上端部までの長さをｘとして、このｘの調整により、試料配置部１２の移動量を抑制するようにした。
【００２６】
実施例１
第１支持部材２を熱膨張係数の極めて小さな石英ガラスで形成するとともに、第２支持部材３をステンレス（ＳＵＳ３０４）で形成し、さらに炉体１０を銀で形成した。
各材料の平均熱膨張係数は、次のとおりである。
（イ）銀
２５〜３００℃：  ２０．２×１０−６／℃
２５〜５００℃：  ２１．１×１０−６／℃
２５〜７００℃：  ２２．２×１０−６／℃
（ロ）ステンレス（ＳＵＳ３０４）
２５〜３００℃：  １６．８×１０−６／℃
２５〜５００℃：  １７．９×１０−６／℃
２５〜７００℃：  １８．７×１０−６／℃
（ハ）石英ガラス
０．５０×１０−６でほぼ一定
【００２７】
以上の条件から、各加熱範囲における試料配置部１２の移動量Ｙ１，Ｙ２，Ｙ３を求めると、次式のようになる。
２５〜３００℃：  Ｙ１＝４．４９ｘ×４８．６５      …（１）
２５〜５００℃：  Ｙ２＝８．２６ｘ×８８．３３      …（２）
２５〜７００℃：  Ｙ３＝１２．２８ｘ×１３２．９５  …（３）
【００２８】
上記（１）〜（３）式に基づき、第１支持部材２の上端部から第２支持部材３の上端部までの長さｘと、試料配置部１２の移動量Ｙ１，Ｙ２，Ｙ３との関係を算出した結果を図３（ａ）に示す。併せて、図３（ａ）の結果をグラフ化して図３（ｂ）に示す。
【００２９】
この結果より、第１支持部材２の上端部から第２支持部材３の上端部までの長さｘを９〜１３ｍｍに設定すれば、試料配置部１２の移動量Ｙ１，Ｙ２，Ｙ３を、３０μｍ以下にまで抑制することができる。
【００３０】
実施例２
第１支持部材２を負の熱膨張係数を有するチタン酸アルミニウムで形成した。他の条件は、実施例１と同じとした。
なお、チタン酸アルミニウム平均熱膨張係数は、次のとおりである。
２５〜３００℃：  −１．９９×１０−６／℃
２５〜５００℃：  −１．０９×１０−６／℃
２５〜７００℃：  −０．４０×１０−６／℃
【００３１】
以上の条件から、各加熱範囲における試料配置部１２の移動量Ｙ１，Ｙ２，Ｙ３を求めると、次式のようになる。
２５〜３００℃：  Ｙ１＝５．１７ｘ×（−８２．９）      …（４）
２５〜５００℃：  Ｙ２＝９．０２ｘ×（−１２６．１）    …（５）
２５〜７００℃：  Ｙ３＝１２．８９ｘ×（−１６３．４）  …（６）
【００３２】
上記（４）〜（６）式に基づき、第１支持部材２の上端部から第２支持部材３の上端部までの長さｘと、試料配置部１２の移動量Ｙ１，Ｙ２，Ｙ３との関係を算出した結果を図４（ａ）に示す。併せて、図４（ａ）の結果をグラフ化して図４（ｂ）に示す。
【００３３】
この結果より、第１支持部材２の上端部から第２支持部材３の上端部までの長さｘを１１〜１５ｍｍに設定すれば、試料配置部１２の移動量Ｙ１，Ｙ２，Ｙ３を、３０μｍ以下にまで抑制することができる。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、温度変化に伴う温度調節部材の伸縮による試料配置部の変位と、温度変化に伴う支持部材の伸縮による試料配置部の変位とが、逆向きとなるように温度調節部材と支持部材とを接続したので、温度変化に伴う試料位置の移動を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る試料保持装置を示す断面図である。
【図２】本発明の他の実施形態に係る試料保持装置を示す断面図である。
【図３】本発明の実施例１の結果を示す図である。
【図４】本発明の実施例２の結果を示す図である。
【符号の説明】
１：加熱炉
２：第１支持部材
３：第２支持部材
１０：炉体
１２：試料配置部
【図１】
0003717342.tif 000002
【図２】
0003717342.tif 000003
【図３】
0003717342.tif 000004
【図４】
0003717342.tif 000005