(57)【要約】【課題】長期的に安定して、発熱による分光性能の低下が抑制される分光器を提供する。【解決手段】分光器は、照射されたＸ線を分光する分光結晶（１０）と、分光結晶の、Ｘ線照射領域（１５）を除いた領域の少なくとも一部に形成された熱伝導部材（１１）と、を有している。熱伝導部材（１１）は、熱伝導部材（１１）の熱伝導率が分光結晶（１０）の熱伝導率よりも大きくなるように、カーボンナノファイバとカーボンナノチューブの少なくとも一方を含有した無機材料からなる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
照射されたＸ線を分光する分光結晶と、
前記分光結晶の、Ｘ線照射領域を除いた領域の少なくとも一部に形成された熱伝導部材と、を有し、
前記熱伝導部材は、前記熱伝導部材の熱伝導率が前記分光結晶の熱伝導率よりも大きくなるように、カーボンナノファイバとカーボンナノチューブの少なくとも一方を含有した無機材料からなる、分光器。
【請求項２】
前記熱伝導部材に接して設けられ、前記熱伝導部材を介して前記分光結晶を冷却する冷却手段をさらに有する、請求項１に記載の分光器。
【請求項３】
前記無機材料は、使用時の温度で液状である金属または合金からなる、請求項１または２に記載の分光器。
【請求項４】
前記無機材料は、使用時の温度で柔軟性を有する金属または合金からなる、請求項１または２に記載の分光器。
【請求項５】
前記無機材料は、前記熱伝導部材を前記分光結晶に付着させる、無機系の粉末材料からなる接合剤をさらに含んでいる、請求項１から４のいずれか１項に記載の分光器。
【請求項６】
前記熱伝導部材は、前記分光結晶の、Ｘ線照射領域を除いた領域全体に形成されている、請求項１から５のいずれか１項に記載の分光器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｘ線分光に用いられる分光結晶を備えた分光器に関する。
【背景技術】
【０００２】
放射光Ｘ線を利用した実験などで用いられる分光器の多くは、単結晶（分光結晶）による回折現象（ブラッグ回折）を利用して、広い波長帯を含むＸ線から単色化されたＸ線（特定の波長のＸ線）を取り出す。実用化されている分光結晶としては、シリコン単結晶やダイヤモンド単結晶などがある。
【０００３】
分光結晶は、通常、真空に維持されたチャンバー中で用いられる。これは、空気あるいはその他の雰囲気によるＸ線の散乱および吸収を防ぎ、かつ空気あるいはその他の雰囲気により分光結晶表面に生じる化合物層や異種皮膜の増大を抑制するためである。
【０００４】
高輝度および高強度のＸ線が分光結晶に照射されると、分光結晶に生じる熱負荷が大きくなるという問題がある。特に、Ｘ線は分光結晶の表面に局所的に照射されるため、分光結晶の温度分布が不均一になりやすい。分光結晶の温度分布が不均一になると、分光結晶に結晶歪が生じ、分光されたＸ線の強度が低下したり単色性が低下したりする。これにより、分光器の分光性能は低下する。
【０００５】
ダイヤモンド単結晶よりも熱伝導率が低いシリコン単結晶では、熱負荷の問題を解消することが特に必要になる。そこで、シリコン単結晶からなる分光結晶は、一般に、水や液体窒素によって直接的あるいは間接的に冷却される（特許文献１参照。）。
【０００６】
以下、従来例として、シリコン単結晶を冷却する冷却機構を有する分光器について説明する。従来の分光器としては、シリコン単結晶からなる分光結晶と、冷却水によって冷却される銅ブロックと、を有するものがある。シリコン単結晶は、熱伝導層を介して銅ブロックに固定されており、これによりシリコン単結晶が冷却される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−１６８９９６号
【特許文献２】特開平６−１６４１７４号
【特許文献３】特開２００２−９２１３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述したように、分光結晶の冷却は、分光器の性能の優劣を決定する大きな一要因となっている。上記従来例において、シリコン単結晶の冷却性を向上し、温度分布を均一にするためには、シリコン単結晶から銅ブロックまでの熱伝達率を向上させることが考えられる。そのため、熱伝導層は、シリコン単結晶と銅ブロックとの密着性（接触面積）を高めることができ、かつ熱伝導率の高い材質であることが好ましい。
【０００９】
そのような材質から成る放熱シートとして、窒化アルミニウムの粉末をフィラーとして分散させた熱可塑性樹脂（特許文献２参照。）や、カーボンナノチューブおよびカーボンマイクロコイルが配合されたエラストマ（特許文献３参照。）が挙げられる。
【００１０】
しかしながら、特許文献２および特許文献３に開示された放熱シートがＸ線分光器に適用される場合、以下に示すいくつかの問題が生じる。
【００１１】
熱可塑性樹脂やエラストマのような放熱シートは、シリコン単結晶のような分光結晶と比べて熱膨張率が大きい。そのため、熱膨張した放熱シートからの外力により、分光結晶中に結晶歪が生じる。この結果、分光結晶の分光性能が低下するという課題がある。
【００１２】
放熱シートとして熱可塑性樹脂が用いられる場合、熱可塑性樹脂は、熱硬化により分光結晶に付着される。このとき、熱硬化の前の熱可塑性樹脂の体積と、熱硬化の後の熱可塑性樹脂の体積との差が大きいため、熱可塑性樹脂は、シリコン単結晶に大きな結晶歪を生じさせる。
【００１３】
さらに、エラストマや熱可塑性樹脂などの高分子系材料が真空中で使用された場合、一般に、これらの高分子材料はガスの発生源となることが多い。Ｘ線分光中にガスが発生すると、分光結晶の劣化や、ガスによるＸ線の散乱および吸収によって、分光器の分光性能が低下する。また、熱可塑性樹脂やエラストマなどの高分子系材料は、Ｘ線によって劣化するため、長期的に安定して使用することができないという課題もある。
【００１４】
本発明の目的は上記背景技術の課題に鑑み、長期的に安定して、発熱による分光性能の低下が抑制される分光器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題の少なくとも１つを解決するため本発明の分光器は、照射されたＸ線を分光する分光結晶と、分光結晶の、Ｘ線照射領域を除いた領域の少なくとも一部に形成された熱伝導部材と、を有している。熱伝導部材は、熱伝導部材の熱伝導率が分光結晶の熱伝導率よりも大きくなるように、カーボンナノファイバとカーボンナノチューブの少なくとも一方を含有した無機材料からなる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、長期的に安定して、発熱による分光性能の低下が抑制される分光器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１の実施形態における分光器を説明するための概略断面図である。
【図２】本発明の第２の実施形態における分光器を説明するための概略断面図である。
【図３】本発明の第３の実施形態における分光器を説明するための概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００１９】
図１を参照して、本発明の第１の実施形態における分光器について説明する。分光器は、照射されたＸ線を分光するための分光結晶１０を備えている。分光結晶１０の、Ｘ線照射領域１５を除く領域には、熱伝導部材１１が形成されている。
【００２０】
分光結晶１０は、シリコン単結晶またはゲルマニウム単結晶からなることが好ましい。ただし、より大きな完全結晶が容易に製造可能であることから、シリコン単結晶が用いられることがより好ましい。
【００２１】
熱伝導部材１１は、カーボンナノファイバとカーボンナノチューブの少なくとも一方を含有する無機材料からなる。無機材料は、有機材料と比べると、放射線に対する耐性が高く、真空状態で使用されてもガスの発生量が少ない。そのため、Ｘ線の散乱および吸収が低減され、かつ分光結晶１０の劣化が抑制されるため、分光器の分光性能の低下が抑制される。
【００２２】
カーボンナノファイバあるいはカーボンナノチューブの熱伝導率は２０００〜６０００Ｗ／ｍＫであり、シリコン単結晶の熱伝導率（１４８Ｗ／ｍＫ）およびゲルマニウム単結晶の熱伝導率（５９．９Ｗ／ｍＫ）よりもはるかに大きい。したがって、様々な無機材料にカーボンナノファイバあるいはカーボンナノチューブを含有させることで、熱伝導部材１１の熱伝導率を分光結晶１０の熱伝導率よりも大きくすることができる。
【００２３】
熱伝導部材１１の熱伝導率が分光結晶１０の熱伝導率よりも高いと、分光結晶１０の、Ｘ線照射領域１５で発生した熱は速やかに拡散する。その結果、分光結晶１０の温度分布が均一になるため、分光結晶１０の分光性能の低下が抑制される。
【００２４】
熱伝導部材１１に用いられる無機材料が、分光結晶１０の熱膨張率と大きく異なる熱膨張率を有し、かつ硬い材質から成る場合、熱膨張の差により、分光結晶１０と熱伝導部材１１との間の接触面積が低下する。これにより、分光結晶１０から熱伝導部材１１への熱伝達率が低下し、分光結晶１０の温度分布を均一にする効果は低下する。あるいは、熱膨張した熱伝導部材１１が分光結晶１０に外力を与え、分光結晶１０に結晶歪が生じて、分光結晶１０の分光性能が低下することもある。
【００２５】
したがって、分光結晶１０と熱伝達部材１１との間の接触性を向上させるため、熱伝導部材１１に用いられる無機材料として、使用時の温度（室温、つまり５℃〜４０℃程度）付近で柔軟性を有する、箔状のインジウムまたはガリンスタンを用いることが好ましい。インジウムの熱伝導率は８１．６Ｗ／ｍＫ、ガリンスタンの熱伝導率は１６．５Ｗ／ｍＫであり、シリコン単結晶の熱伝導率に比べると低い。しかしながら、本実施形態では、インジウムおよびガリンスタンに、カーボンナノファイバとカーボンナノチューブの少なくとも一方を分散させることで、熱伝達部材１１の熱伝導率を分光結晶１０の熱伝導率よりも高くすることができる。
【００２６】
また、熱伝導部材１１に用いられる無機材料として、カーボンナノファイバあるいはカーボンナノチューブの少なくとも一方を含有した、インジウム−ガリウム合金やガリンスタンのような、使用時の温度で液状の金属が用いられても良い。この場合、分光器は、液状の金属を保持するための容器を有していてもよい。
【００２７】
さらに、熱伝導部材１１には、放射線に耐性を有する無機系の粉末材料からなる接合剤が混合されていることが好ましい。接合剤の軟化点まで昇温することで、熱伝導部材１１は分光結晶１０の表面に安定的に付着される。このような無機系の粉末材料としては、たとえばガラスの粉末が挙げられる。
【００２８】
熱伝導部材１１は、分光結晶１０の、Ｘ線照射領域１５を除く領域全体に形成されることが好ましい。なお、Ｘ線分光の性能低下を防ぐため、分光結晶１０の、Ｘ線照射領域１５には導電性部材１１は形成されない。
【００２９】
分光結晶１０の温度分布が十分に均一化されるのであれば、熱伝導部材１１は、分光結晶１０の、Ｘ線照射領域１５を除く領域全体に形成される必要は無く、Ｘ線照射領域１５を除く領域の少なくとも一部に形成されていれば良い。
【００３０】
熱伝導部材１１から分光結晶１０に与える外力を小さくするため、熱伝導部材１１は、いくつかの開口部を有していてもよい。また、熱伝導部材１１が不織布状のカーボンナノファイバあるいはカーボンナノチューブで構成されることによっても、熱伝導部材１１から分光結晶１０に与えられる外力は小さくなる。
【００３１】
次に、図２を参照して、本発明の第２の実施形態における分光器について説明する。第２の実施形態における分光器は、分光結晶１０と、分光結晶１０を冷却するための冷却手段２２と、を有する。冷却手段２２は、冷却水が流れる流路２３が形成された銅ブロックである。
【００３２】
分光結晶１０は、熱伝導部材１１を介して冷却手段２２に固定されている。熱伝導部材１１としては、第１の実施形態で説明した材料と同様の材料を用いることができる。
【００３３】
本実施形態では、分光結晶１０および熱伝導部材１１が積極的に冷却されるため、Ｘ線照射領域１５で発生した熱が拡散する効果が向上し、その結果、分光結晶１０の温度分布を均一する効果が向上する。
【００３４】
熱伝導部材１１に用いられる無機材料として、使用時の温度付近で柔軟性を有するもの、または使用時の温度で液状の金属を用いることで、分光結晶１０と熱伝導部材１１との間、および熱伝導部材１１と冷却手段２２との間の接触面積を向上させることができる。これにより、分光結晶１０から熱伝達部材１１を通って冷却手段２２に至るまでの熱伝達率を向上させることができる。
【００３５】
熱伝導部材１１を構成する無機材料がたとえばガラスの粉末からなる接合剤を含んでいても良い。この場合、熱伝導部材１１は、分光結晶１０と冷却手段２２とを接合する機能を有する。
【００３６】
また、分光結晶１０は、熱伝導部材１１と接触する一面に凹凸形状が形成されており、銅ブロックは、熱伝導部材１１と接触する一面に分光結晶１０の凹凸形状に対応する凹凸形状が形成されていても良い。これにより、分光結晶１０と熱伝導部材１１との間、および冷却手段２２と熱伝導部材１１との間の接触面積が増大し、分光結晶１０から冷却手段２２までの熱伝達率が向上する。
【００３７】
次に、図３を参照して、本発明の第３の実施形態における分光器について説明する。第３の実施形態における分光器は、分光結晶１０と、分光結晶１０を冷却する冷却手段３２と、を有している。
【００３８】
冷却手段３２は、冷却水が流れる流路３３が形成された銅ブロックであり、分光結晶１０を保持するホルダを兼ねている。第１の実施形態と同様に、分光結晶１０の表面には、熱伝導部材１１が形成されている。銅ブロックは、この熱伝導部材１１の少なくとも一部を保持している。
【００３９】
熱伝導部材１１としては、第１の実施形態で説明した材料と同様の材料を用いることができる。第１の実施形態で説明したように、本発明では、熱伝導部材１１の熱伝導率を向上させることができるため、冷却手段３２としての銅ブロックは、熱伝導部材１１の全面と接触していなくても良い。この場合であっても、分光結晶１０の温度分布を均一にし、分光結晶を十分に冷却する効果が得られる。
【００４０】
上記実施形態において、冷却手段２２，３２は水冷式の銅ブロックであったが、冷却手段は、分光結晶１０を積極的に冷却する手段であればどのようなものであっても良い。たとえば、冷却手段は、空冷式のものであっても良い。
【００４１】
図１〜図３では、１つの分光結晶のみが示されているが、分光器は、複数の分光結晶を備えていても良い。この場合、Ｘ線源から放射されたＸ線は、１つの分光結晶により回折された後、別の分光結晶によりさらに回折される。これにより、分光器の分光性能を向上させることができる。
【００４２】
以上、本発明の望ましい実施形態について提示し、詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、要旨を逸脱しない限り、さまざまな変更及び修正が可能であることを理解されたい。
【符号の説明】
【００４３】
１０    分光結晶
１１    熱伝導部材
１５    Ｘ線照射領域
２２，３２    冷却手段
２３，３３    流路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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