Ｘ線の基礎
ものづくり基礎講座（第59回技術セミナー）『金属の魅力をみなおそう第三弾 観察・分析編

第六回

東北大学金属材料研究所
正橋直哉
masahasi@imr.tohoku.ac.jp
2019. Jan. 30 14:05~14:35

クリエイション・コア東大阪 南館3階 技術交流室AＸ線』

身の回りのX線『金属の魅力をみなおそう 第6回 X線』
2019 Jan. 30 14:05~14:35 東北大学 正橋直哉

Ｘ線手荷物検査

Ｘ線異物検査胸部Ｘ線撮影

Ｘ線透視検査Ｘ線非破壊検査

Ｘ線天文衛星「ひとみ」

X線の発見『金属の魅力をみなおそう 第6回 X線』
2019 Jan. 30 14:05~14:35 東北大学 正橋直哉

陽極
陰極

蛍光色の光が漏れないようボール紙で包んだ陰極管内部を電子線で照射

管の外の別の蛍光紙が緑に光り、目に見えない光がボール紙を貫通した
https://logmi.jp/business/articles/82721

レントゲンは、陰極線（電子線）のあたる陽極から放射線が出ていると考え、未知を表す「X」からこの光線を「X線」と命名。
この発見により、レントゲンは1901年に第一回ノーベル物理学賞を受賞。

クルックス管の実験①低真空ガラス管内で電極を結線『金属の魅力をみなおそう 第6回 X線』
2019 Jan. 30 14:05~14:35 東北大学 正橋直哉

④二次電子は陽極に向かって飛行②高圧を印⑤電子が陽加すると残極を透過し留気体が電ガラス管内

離開始

壁に衝突

③陽イオンが陰極に衝突し大量二次電子生成⑥X線発生

X線って何？

『金属の魅力をみなおそう 第6回 X線』
2019 Jan. 30 14:05~14:35 東北大学 正橋直哉

【Ｘ線とは】
1. Ｘ線は、電波や太陽光と同じ電磁波の一種で、空気や物質の中を直進する。
2. 波長は1 pm-10 nmと短いため物質を透過するが、高密度な物質ほど透過しにくい。
3. X線は電荷をもたないが、反応で生じた電子が物質に影響を及ぼす。
4.原子と衝突すると電子を弾き飛ばし、陽イオン化する（光電効果）。
【電磁波】
波長 105 104 103 102 101 10m
超長波

長波

中波

10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 10-9 10-10 10-11 10-12 10-13
超短波

短波

セン
チ波

ミリ
波

サブ
ミ
リ
波

真可紫 空視外 紫
光線 外線
線

遠赤赤外外線
線

近赤外
線

700nm

600nm

Ｘ線

マイクロ波
電波
500nm

400nm

ガン
マ線

レントゲンとラウエ『金属の魅力をみなおそう 第6回 X線』
2019 Jan. 30 14:05~14:35 東北大学 正橋直哉

1895年、フライベルク大学の物理学教授WilhelmConrad Roentgenは「X線」を発見した。 レントゲンは、X線の波長を測定しようとしたがうまくいかなかったが、妻の手のX線画像を撮影しX線が人間の体を貫通し、密度に依存してコントラストを示すことを見つけた。 透過する光の発見によWilhelm Conrad Röntgen（1845-1923）

り、1901年に最初のノーベル物理学賞を受賞した。

1912年、ミュンヘン大学の物理学教授Max vonLaueは、助手（Walter Friedrich）と学生（PaulKnipping）に、硫酸銅のX線回折を命じた。Laueは、X線波長は結晶の原子間距離と近く、結晶が格子となってX線を回折すると予想し実証した。この業績で1914年にノーベル物理学賞を受賞した。

Max von Laue
（1879-1960）

X線の発生(1)『金属の魅力をみなおそう 第6回 X線』
2019 Jan. 30 14:05~14:35 東北大学 正橋直哉

1.

フィラメントを加熱し、電子（熱電子）を飛び出しやすくする。

2.

アノードとカソードに電位をかける（電位を管電圧、流れる電流を管電流）。

3.

両極間の電位差を利用して、放出電子がターゲットに衝突する。

4.

ターゲット（一般にタングステン）からX線が発生する。

5.

X線の吸収の小さいベリリウム窓からX線を取り出す。

X線の発生(2)1.アノードに引き寄せられた電子は、原子核に寄せられ急激に方向を変える。
2.方向を変えた電子は、エネルギーを外に出す。
3. 大部分のエネルギーは熱で、一部はX線となり、これを連続X線という。

『金属の魅力をみなおそう 第6回 X線』
2019 Jan. 30 14:05~14:35 東北大学 正橋直哉

1. 電子は原子核周りの電子に衝突する。
2.ぶつけられた電子はエネルギーをもらって外側の軌道に移動するが、不安定なので元の軌道に戻ろうとする。
3.この時X 線を放出するが、エネルギーは元素固有でこれを特性X線という。

X線のスペクトル『金属の魅力をみなおそう 第6回 X線』
2019 Jan. 30 14:05~14:35 東北大学 正橋直哉

固有X線（特性X線）

強度

強度

連続X線（白色X線）

波長波長

管電圧が高いほど、原子核と引き合いX線強度は高い。電子は原子核の任意の場所を通るので、エネルギー分布は連続スペクトルになる。原子核の最短部を通る時に力が強く最短波長が決まる。

電子で弾かれた軌道電子は一つ高準位に上がった後に、元準位に戻り、準位間エネルギーのX 線が発生。X線のエネ
ルギーEは振動数光速c/波長×プラ
ンク定数hで、(nm) (kV)X線のスペクトル『金属の魅力をみなおそう 第6回 X線』
2019 Jan. 30 14:05~14:35 東北大学 正橋直哉

50 kV

(nm) (kV)

W

35 kV

強度

強度40 kV

Mo30 kV

Cr25 kV20 kV
345678波長 / ×10-2 nm

9124/40124/35

8642124/50

10波長 / ×10-2 nm
124/25124/20124/30

最短波長：電子の持つ全運動エネ
ルギーがＸ線に変わった場合ターゲットに依存せず印加電圧のみに影響される

固有X線（特性X線）『金属の魅力をみなおそう 第6回 X線』
2019 Jan. 30 14:05~14:35 東北大学 正橋直哉

電子仕事関数 エネルギー準位

VEL2,3L2,3EL1L1EKK

1. 電子が試料に衝突すると軌道（K殻）電子がエネルギーを得、上の準位に励起する。
2. 上の準位（L殻）に励起した電子は不安定で下の準位（K殻）に戻ろうとする。
3. この準位間のエネルギーは特性X線として放出される。

走査電子顕微鏡マッピング『金属の魅力をみなおそう 第6回 X線』
2019 Jan. 30 14:05~14:35 東北大学 正橋直哉

AlCuFeNiSiZn

30m
Mn

1.

画像（二次電子像）ではよく観察できないが、組成分析の結果、実際には数十μm~100μm程度の棒状の第二相が存在する

2.

30m

棒状の第二相は、CuとNiとSiとMnが濃化し、AlとZnは少ない

放射光とは『金属の魅力をみなおそう 第6回 X線』
2019 Jan. 30 14:05~14:35 東北大学 正橋直哉

光速で直進する電子が、磁石などで向きを変えられたとき発生する電磁波を放射光と称し、進む方向の変化が大きいほど、Ｘ線などの短い波長の光を含む。

放射光

Spring-8

1.

明るい。

①

物質の種類や構造、性質が判る。

2.

細く絞れる。

②

様々な環境での物質の構造や性質、時3.

広い波長を含む。

4.

偏光している。

5.

短いパルス光の繰返。

間変化が判る。
③

化学反応や物質変化の起動力として使用できる。
Spring-8 ホームページより

X線回折とは『金属の魅力をみなおそう 第6回 X線』
2019 Jan. 30 14:05~14:35 東北大学 正橋直哉

結晶にX線を照射すると、結晶中の各原子によりX線が散乱される（散乱X線）。散乱されたX線は干渉し合い、特定方向に対して強い回折X線が生じる（ブラッグの法則と称する）。
ヘンリーブラッグ

ローレンスブラッグ①格子面からの散乱したX線が強め合うのは、散乱X線1と散乱X線2の間隔による行路差（左図の緑線）に依存。
②原子の間隔をd、入射角をθとした場合、d第1面と第2面の行路差は 2dsinθ となる。
③行路差が入射X線の波長λの整数倍の時強め合い次式が成立（ブラッグの法則）。

2d  sin   n  

X線回折プロファイル『金属の魅力をみなおそう 第6回 X線』
2019 Jan. 30 14:05~14:35 東北大学 正橋直哉

X線実験をすると上の様なプロファイルが得られ、ピーク角度（）を読み取ることで、ブラッグの法則からこの試料がどのような構造であるかを調べることができる（上の図は鉄の場合で各ピークは図中の水色の面からの回折）。

DNA構造もX線回折で解明『金属の魅力をみなおそう 第6回 X線』
2019 Jan. 30 14:05~14:35 東北大学 正橋直哉

DNA model built by Crick and Watsonin 1953, on display in theScience Museum in London.

ワトソンは、タンパク質の研究のためにケンブリッジ大学にきて、『生命』の解明には遺伝子が鍵と考えた｡
大学ではブラッグが創設した研究所で生物学を研究するクリックと同室となった。二人はDNAの話しで意気投合し、DNA構造の解明のため、X線回折実験の結果をもとに、部屋に大きな模型を組んでジグソーパズルのような謎解きを始めた｡

航空機の金属疲労『金属の魅力をみなおそう 第6回 X線』
2019 Jan. 30 14:05~14:35 東北大学 正橋直哉

1985年8月12日、羽田発伊丹行JAL123便

1954年1月10日、シンガポール発ロンドン

B747SR-46が、群馬県多野郡上野村の高行BOAC781便（コメットMk.I）がエルバ天原山の尾根に墜落した事故。

島上空 26,500 ft を巡航中、海上に落下。

圧力隔壁損壊は、隔壁接続部の金属疲労

与圧荷重はそれまでは最大差圧0.4気圧で発生した亀裂により、隔壁強度が低下だったが、コメットは高空飛行のためし飛行中の与圧に耐えられなくなった。

0.58気圧（6 ton/ m2の圧力）された。

金属に力が蓄えられた時の負荷（人間の場合のストレス）は、多量に蓄積されると破壊（病気）に繋がる。そのようになる前の検査（治療）が必要→残留歪みの測定

歪みとは何か①『金属の魅力をみなおそう 第6回 X線』
2019 Jan. 30 14:05~14:35 東北大学 正橋直哉

歪みには均一歪みと不均一歪みがあり、前者は弾性限内の応力に比例する格子面間隔の変化で、後者は結晶格子の隣接結晶との間、または同一結晶内でも場所により異なる歪み。
②

無歪

残留歪みはマクロには前者で評価する。不均一歪みは、回折線の拡がりから計算し、拡がりは下図左のピーク強度の半分の強度に相当する半価幅 （ FWHM ）と、下図右のピー
ク面積と同面積の長方形の積分幅（Breadth）で表記できる。

均一歪Breadth=I/IPIPFWHM

格子面間隔減少=格子定数減少

IPIP/2

不均一歪Peak position

Peak position

応力と均一歪み(a) 引張の場合d0’『金属の魅力をみなおそう 第6回 X線』
2019 Jan. 30 14:05~14:35 東北大学 正橋直哉

d0’> d0d1’< d1d0’’

d0d1’



(c) 圧縮の場合(b) 無歪の場合

d0’’< d0d1’’> d1d1’’

d1E
 (2)
 (2)
 cot  K
2(1  )180  (sin 2 ) (sin 2 )

K:材料と波長で決まる定数

σ :応力, E:ヤング率, :ポアソン比, θ :ブラッグ角,  :試料面法線Nと格子面法線N’の角度
N

N

N’N’N

d1d2d32

圧縮N’

d3d1

無歪d2
引張sin 2 残留応力の測定例『金属の魅力をみなおそう 第6回 X線』
2019 Jan. 30 14:05~14:35 東北大学 正橋直哉

移動+圧力素材
マンドレル固定
成形ロール

ベアリング内側には加工による圧縮残留歪みが26.4MPaあることが判った。

圧延で結晶を揃える『金属の魅力をみなおそう 第6回 X線』
2019 Jan. 30 14:05~14:35 東北大学 正橋直哉

圧延再結晶を築いた日本人『金属の魅力をみなおそう 第6回 X線』
2019 Jan. 30 14:05~14:35 東北大学 正橋直哉

日本におけるX線結晶学の発展『金属の魅力をみなおそう 第6回 X線』
2019 Jan. 30 14:05~14:35 東北大学 正橋直哉

X線のまとめ『金属の魅力をみなおそう 第6回 X線』
2019 Jan. 30 14:05~14:35 東北大学 正橋直哉

◎ X線とは① 波長の短い電磁波で物質を透過するが、高密度な物質ほど透過しにくい。
医療診断・異物検査・非破壊検査などに利用される② 電荷をもたないが、反応で生じた電子（光電効果）が物質に影響を及ぼす。
光電管、テレビジョンの撮像管などに利用される③ 波長は原子間距離と同程度のため、原子散乱されたX線は強く回折する。
物質の構造を決めることができ、高輝度X線を使用すると高精度分析が可能◎ 金属へのX線の利用① 結晶構造（相）や組成がわかる
品質管理や新材料の開発に役立つ。
② 残留応力がわかる
引張応力はクラック伝搬を促進するので、表面は圧縮応力を残す。
③ 集合組織がわかる
機能によっては、結晶をそろえることで特性を制御できるものづくり基礎講座『金属の魅力をみなおそう 第6回 X線』
2019. Jan. 30 14:05~14:35 東北大学金属材料研究所 正橋直哉

御清聴有難うございました