高分解能検出器とSPring-8の外観（SPring-8提供）

極微量の組成や構造を明らかに―― SPring-8の活用による成果 ――■ さまざまな材料の微細構造を明らかに■ 物質中の極微量元素の分析■ 化石燃料中の微量物質評価に適用● ひとこと 材料科学研究所 機能・機構発現領域 主任研究員 山本 融

さまざまな材料の微細構造を明らかに
電力中央研究所では、材料の組成や構造を詳細に解明し、新たな革新材料や、評価技術の開発をめざしております。この研究を進めるために必要となる微細な構造解析や、超微量物質の分析のため、SPring-8（Super Photon ring 8GeVの略）を用いています。
SPring-8は、財団法人高輝度光科学研究センター（兵庫県）が運営する施設です。ここでは、電子をリング状の加速器で加速して、光子（＝「放射光」という強い光）を発生させることができます。そして、従来のX線発生装置の1億倍の明るさという、世界最高レベルのこの光を利用すれば、物質の種類や構造、性質を詳しく知ることができます。
当研究所は、このSPring-8の利用メンバーとして、産業用専用ビームライン施設を用いた研究を実施しています。

■ 燃料電池の電極材料の分析■ パワー半導体材料の欠陥評価

SPring-8の強力なX線を利用したX線吸収端微当研究所では、将来、パワー半導体の材料と細構造（XAFS）分析は、物質にX線を照射し、して幅広い利用が期待されるシリコンカーバイ

発生する固有のXAFSスペクトルから、元素のド（SiC）についても、SPring-8の高輝度X線を周りの構造を解析するものであり、幅広い研究用いて、トポグラフィと呼ばれる特殊な方法で分野において、物質の化学形態を解明する手法

結晶を撮影し、詳細な分析を行っています。

として期待されています。

この方法では、SiC結晶中に含まれる結晶欠陥XAFS分析には試料を透過したX線強度を計測を、非破壊、広範囲、高分解能で、かつ短時間する透過法と、X線の吸収の過程で発生する蛍に分析することが可能です。これらの測定結果

光X線を計測する蛍光法があります。

を材料合成技術にフィードバックし、欠陥を減当研究所では、これまでに透過法XAFS分析少させて、SiC結晶の高品位化を図ることにより、技術を利用して、次世代の燃料電池として期待パワー半導体素子の高性能化に大きく役立ててされる固体酸化物型燃料電池（SOFC）の電極材います。

料のひとつである、ランタンマンガナイトを、1000℃の高温ガス中の環境下で観測し、原子間距離の特性や結晶構造の変化から、高温域で安定した電極材料であることを証明しました。
La
らせん状欠陥（らせん転位）
200μm

中空状欠陥（マイクロパイプ）

MnO

図
図

ランタンマンガナイトの結晶構造

Ｘ線トポグラフィにより可視化されたSiC結晶の欠陥構造

物質中の極微量元素の分析■ 極微量の物質を調べる■ さらなる高精度化へ向けて

透過法XAFS分析では、103〜104mg/kg程度の当研究所と産業界専用ビームラインの参画各濃度まで分析が可能ですが、環境物質や生体試社は共同で、蛍光X線分析法による超微量物質料のように、さらに低濃度の物質を分析するにの検出能力を飛躍的に向上させる「高分解能検は、微量な元素や物質表面付近から発生する蛍出器」を開発しました。

光Ｘ線を利用した蛍光法XAFS分析が有効です。

これにより、エネルギー分解能の向上と、測また、この方法は、粉砕や希釈などの操作が困定の妨げになる散乱X線によるバックグランド難なものにも適用できる利点があります。

（微量な物質からの蛍光X線とは無関係に観測さ当研究所における蛍光法XAFS分析では、半れるX線）の低減やS/N比のさらなる改善を図り

導体検出器へのXAFSスペクトルの取り込み角ました。また、元素中の最内殻電子の励起が可度などを最適化することで、ノイズとなる散乱能な金属元素のうち、チタンからセリウムまでX線を低減し、従来より１桁以上、S/N比の改善のほとんどの元素に対して、1mg/kg以下の分析に成功しました。

下限濃度を達成することができました。

これにより、チタンより重いほとんどの金属

これは元素分析能力としては世界でも最高水元素で、10mg/kg程度の濃度まで分析が可能に準のものとなっています。

X線検出器
（SC）

-Se-Kαスリット-Ge-Kβ-Ga-Kα-Zn-Kα-Ge-Kβ

スリット

X線 蛍光X線
試料
新たに開発した
高分解能検出器

高分解能検出器による測定結果

101
9

図

結晶分光器

-Ga-Kβ

102-Hg-Lα

従来法である
半導体検出器-Zn-Kβ

試料

-W-Lβ

蛍光X線

10-Cu-KβX線

半導体検出器による測定結果

3-Ni-Kβ-W-Lα

半導体
検出器
（SSD）

蛍光X線の強度（cps）

104-As-Kα, Pb-Lαなりました。

10
エネルギー（keV）

11

新たに開発した高分解能検出器と、従来法である半導体検出器の性能比較（結晶分光器、スリットを備えた高分解能検出器の開発により、混合物中の微量物質のXAFS分析に必要なエネルギー分解能とS/N比を飛躍的に改善した。
）

化石燃料中の微量物質評価に適用■ 石炭や燃焼灰の化学形態の解明■ これからの展開

これまで、石炭や燃焼灰のように、多様な化

当研究所のSPring-8用いたXAFS分析では、多合物が複雑に混在するものにおいて、極めて微様な化合物が複雑に混在する物質系に対して、量に含まれる金属元素の化学形態を特定するこ透過法ならびに蛍光法XAFS分析が適用可能なとは、ほとんど不可能と考えられていました。

濃度範囲を明らかにするとともに、混合物中のしかし、石炭などの化石燃料では、プラント内部での挙動を把握する上で、化学形態の特定微量物質の化学形態の特定が可能な分析技術を開発することができました。

はとても重要になります。そこで当研究所では、今後、石炭や燃焼灰での成果を、実際の発電石炭やフライアッシュの標準試料を例に、所内での微量物質挙動評価に用いる他、機能性XAFS分析の適用範囲の検証を試みました。

材料の開発など、当研究所が進めるナノテクノ

この結果、これらの物質においても、透過法ロジー先端科学技術の研究領域への展開を図っ

XAFS分析および高分解能検出器を利用した蛍ていきます。また、産業界の幅広い分野におい光法XAFS分析が精度良く適用できることがわて利用を進めていきます。

かりました。さらに、標準物質のXAFSスペクトルと照合することで、この濃度レベルでの化● ひとこと学形態の特定と混合比率の定量化が可能になりSPring-8の放射光によました。

り、これまで解明が困難

X線吸収端エネルギー（keV）
105keV 10keV

650keVC

新たに 開 発した
蛍光X線検出器の適用により蛍光Fe
X A F S 分 析が 可能 になった 範 囲含有濃度（mg/kg）

105
10410210

する詳細な情報が得られ透過法XAFS分
析により分析可能になった範囲るようになりました。
特に、経験や試行錯誤

B

103

蛍光法XAFS分
析により分析可能になった
範囲

Cr As

1

Se

102030（Ti）

405060（Ge）

707090

原子番号N（Ce）

図山本

融によることが多かった材料の評価において、極めて有効な分析技術であり、機能性材料の開発に役立

今後、さらにSPring-8を活用することで、

Hg

適用外0

材料科学研究所
機能・機構発現領域主任研究員てています。

100
10-1

であった各種の物質に関

100keVA

材料研究における諸課題を解決し、産業分野での開発や評価を通じて、広く社会に役立てていきたいと考えています。

各種XAFS分析法による測定可能範囲■ 既刊「電中研ニュース」ご案内
No.401 解明すすむ微量放射線の影響
No.400 瞬低対策用の解析ツールを開発

No.399 CRIEPIのうごき 2004.7夏No.398 米国での停電の影響

2004年９月30日発行〒100-8126（財）電力中央研究所 広報グループ
東京都千代田区大手町1-6-1（大手町ビル7階） TEL.（03）3201-6601 FAX.（03）3287-2863
http : //criepi. denken. or. jp/ E-mail : www-pc-ml@criepi. denken. or. jp

この冊子は大豆油インキで印刷しています

古紙配合率100％の再生紙を使用しています