SPring-8 利用研究成果集
2013A1108
2015A1661

Section B

BL14B2
BL46XU

低温 XAFS 測定自動化システムの開発
短繊維強化樹脂複合材料のひずみ・応力分布の
X 線評価
Application of Automatic System for Low Temperature
XAFS
X-ray Evaluation of Stress-strain
DistributioninShort-fiber
Measurement
Reinforced Plastics
大渕 博宣, 谷口 陽介, 平山 明香, 高垣 昌史, 本間 徹生aa, 岩堀 Sayaka
恵介 b，清水
, 菖蒲
敬久 c，
田中
啓介
Hironori Ofuchi,
YosukeTaniguchi,
Hirayama,憲一
Masafumi
Takagaki,
Tetsuo Honmaaaa
山田 大貴 , 小原田和也 , 小林大純 , 長谷 光司 a
Iwahorib, kennichi Shimizua, Takahisa Shobuc,
Keisuke Tanakaa, Keisuke(公財)高輝度光科学研究センターaDaiki Yamada , Kazuya OharadaaJASRI, Hirozumi Kobayashia, Koji Nagayaa
a
b
名城大学,
(株)デンソー，c (国研)日本原子力開発機構
低温雰囲気下における
XAFS 測定の高効率化及び利便性の向上を目的に、低温
XAFS 測定を自a
Meijo University, bDENSO Co. Ltd., cJAEA 10 点、試料数が最大で動化するプログラムを開発した。これにより、異なる測定温度が最大で15 個の低温雰囲気下での XAFS 測定を自動で行うことが可能となった。
炭素短繊維 30 wt%で強化した PPS 樹脂の射出成形平板から、繊維が一方向に配向した表面層を取りだした平板に、疲労き裂を導入し、負荷応力状態でき裂近傍の応力分布を計測した。き裂先キーワード： XAFS、低温、自動化
端での母相応力の負荷にともなう増加量は、繊維配向に依存せず母相応力が疲労き裂進展を支配背景と研究目的：する物理量であることが明らかとなった。ついで、PPS、ガラス繊維、炭酸カルシウムを等量混合
大型放射光施設(SPring-8)の産業利用Ⅱビームライン
BL14B2 は、放射光の産業利用の促進を目した
3 相複合材について、PPS 相の応力と負荷応力との関係を求めた。射出方向の応力分配係数的としたビームラインである。この実験ハッチでは、産業界ユーザーの多い
XAFS 測定のためのは炭素繊維で強化した 2 相複合材より大きく，複合材の構成相の違いによる相違が明確であった。
試験装置が設置されており、広範な利用者の要求に応えることが要請されている。その中で、低キーワード：
短繊維強化樹脂、疲労き裂、ひずみ・応力分布、き裂進展支配パラメータ
温冷凍機は低温雰囲気下でのXAFS 測定を行うために導入されている。低温雰囲気下で XAFS 測定を行うことで Debye-Waller 因子を減衰させることができ、EXAFS 振動の減衰が抑えられる。こ
背景と研究目的：
れにより、室温で測定したデータに比べてEXAFS 振動の S/N が向上する、フーリエ変換後の動
近年、地球環境保全のために自動車・航空機をはじめとする輸送機器の燃費向上のための軽量
径構造関数において高結合長側までのピークが観測できる、といった利点が生じる。
化は緊急の課題であり、この目的のための切り札の材料として繊維強化樹脂材料の実用化が進ん
現在、複数試料の低温温度可変測定の自動化を目指し装置改良を行っている。以前我々は、でいる。特に自動車など陸上輸送機器では製造コストの点から炭素あるいはガラスの短繊維で強BL14B2 では従来よりも冷却性能の高い低温冷凍機(岩谷瓦斯社製、型式：HE05)を導入し、試料化した熱可塑性樹脂 SFRP (Short-fiber Reinforced
Plastics)が注目されており、繰返し荷重を受ける
ホルダーに一度に取り付けられる試料数を5 個から15 個に増やすことで、試料交換に伴う測定時間のロスを減らせるように改善した[1]。しかしながら、試料ホルダーに取り付ける試料数を従来強度部品への適用時の安全性の確保のために、応力評価法および疲労損傷評価技術の確立が急務
よりも増やした場合、試料毎の位置及び測定温度の調整が煩雑になり、XAFS
測定初心者の多いとなっている。SFRP
は異方性が非常に強く、損傷およびき裂進展挙動の評価のためには、部品の産業利用分野のユーザーにとっては扱いづらいものとなる。そこで本実験では、測定試料の位置
危険部における繊維配向性を考慮して応力状態を評価することが不可欠である。
調整、温度調整、測定条件の設定を自動化するシステムを開発し、動作試験を行うことを目的と
本研究の目的は次の通りである。
する。低温
XAFS
測定の自動化システムを構築することで、試料交換や測定温度切り替えの手間
(1)
炭素短繊
維 30
wt% で 強 化 し た PPS (Polyphenylene Sulfide) 樹 脂 の 2 相 複 合 材 CFRP
を簡略化することができ、測定の利便性の向上、及び測定に必要な時間の短縮に繋がる。これに(Carbon-fiber Reinforced Plastics) を射出成形した 1 mm 平板から、維配向が一方向に揃った表より、低温
XAFS 測定を利用するユーザーの拡大が期待できる。
面層のみを取りだした板厚
0.4 mm の表面層平板 (NSLP) に、疲労き裂を導入し、負荷応力状
態でき裂近傍のひずみ・応力分布の計測を基に、き裂進展の支配力学パラメータを検討する。
実験：(2)
実用部品に使用されている PPS、ガラス繊維、炭酸カルシウムを等量混合した 3 相複合材 GFRP
本実験では、図1 のような低温
測定自動化プログラムとそれに連携する温度コントロー(Glass-fiber Reinforced
Plastics) XAFS
についても、
負荷応力下で、応力・ひずみ測定を行うことから、
ラ制御プログラム、試料位置を調整するために低温冷凍機支持ステージの制御プログラムを用い
X 線応力測定法が適用できることを明らかし、ひずみ・応力評価法として X 線法の実用性をて、低温雰囲気下での自動 XAFS 測定を行った。このプログラムでは試料ホルダーに取付けた 15
高める。
個の試料に対し、異なる温度(最大 10 点)、試料名、ファイル名、測定範囲・間隔、積算時間、繰
り返し回数、ゲイン調整条件を設定し、自動でQuick XAFS 測定を行うことが可能である。低温実験
1：
冷凍機はビームライン常設のものを使用し、試料ホルダーは図2 のように 3 行×5列の計 15 個の炭素短繊維で強化した熱可塑性樹脂 CFRP のマクロ残留応力を、母相応力のX 線測定から評価試料が取付け可能なものを低温冷凍機に取付けた。試料ホルダー温度の計測にはシリコンダイオする手法を確立し、その有効性および実用性を高めることが目的である。
ードセンサー(Lake Shore 社製、DT-670-CU(校正付))を用いた。温度センサーは試料ホルダーの下
本研究の第一の実験での試料は、CFRP の NSLP の平板試験片(長さ 80 mm、幅 10 mm、厚さ 0.4
部側面に取付け、温度コントローラ(Lake Shore 社製、335 型)を用いて試料ホルダーの温度を PIDmm)で、これに応力比 0.1 の引っ張り繰り返し荷重を負荷して、疲労き裂を挿入した。試験片は制御した。測定試料は、Cu 箔、Fe 箔、Fe3O4、-Fe2O3、FeO、NiFe2O4、Co 箔、Co3O4、CoO を
繊維方向が荷重負荷方向に配向した MD 材、および荷重方向に垂直に配向する
TD 材の 2 種類で用いた。データ解析には XAFS 解析プログラム Athena、Artemis[2]、及び FEFF8.4[3]を用いた。温ある。前者ではき裂は繊維に垂直に進展し、後者ではき裂は平行に進展する。また、両材料にお度コントローラ制御プログラムでは、1 秒毎に温度センサーから温度を読み取り、近接 15 秒間のける疲労き裂は、ほぼ同一のき裂進展速度を有した状態で疲労試験を中断して、応力分布測定に温度の平均が温度コントローラ設定温度の±0.3 K、近接 15 秒間の温度の分散が 0.001 K2 となっ供した。中断時の疲労状態は、MD 材について、最大応力 max = 45 MPa、き裂長さ a=6.21 mm, き
た時点で XAFS 測定を開始するように設定を行った。

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Section B

BL14B2

裂進展速度 da/dN =1.01×10-6 mm/cycle、応力拡大係数範囲 K = 6.97 MPam-1/2 である。一方、TD
材は、max = 18 MPa、a=3.52=8.97×10-7 mm/cycle、K = 1.96 MPam-1/2 である。繊維方
低温 mm、da/dN
XAFS 測定自動化システムの開発
向がき裂進行に垂直な MD 材の方が、平行な TD 材よりき裂進展抵抗が大きく、同一のき裂進展
Application of Automatic System for Low Temperature XAFS
速度に対する応力拡大係数範囲は、前者の方が 3.5 倍程度と大きい。
Measurement12 keV の X 線を用いて行った。Fig. 1 に
応力測定はビームライン BL46XU において、エネルギ
実験での光学系を示す。フーバー製の多軸回折系に検出器として NaI シンチレーションカウンタ
大渕 博宣, 谷口 陽介, 平山 明香, 高垣 昌史, 本間 徹生
ーを用いた。また、条件は Table 1 にまとめる。本実験では、照射領域を小さくして、応力勾配を
Hironori Ofuchi, Yosuke Taniguchi, Sayaka Hirayama, Masafumi Takagaki, Tetsuo Honma
有する領域での応力分布を測定した。受光側のスリットはダブルスリットである。入射ビームを
4 次元スリット(IS-1；高さ 0.3 mm、幅0.3 mm)で制限し、検出側はダブルスリット(RS1、RS2: 高(公財)高輝度光科学研究センター
さ 0.3 mm、幅 1.0 mm)とした。PPS の 111、220JASRI
回折のピークシフトの計測から母相のひずみを計測した。回折角は 13.6°であり、応力の決定は、透過法・並傾法の光学系で sin2法によって行っ2
低温雰囲気下における
XAFS 測定の高効率化及び利便性の向上を目的に、低温 XAFS 測定を自た。sin
はからまで刻みで点の測定をした。検出器の走査角度範囲はから
動化するプログラムを開発した。これにより、異なる測定温度が最大で10 点、試料数が最大でで、この範囲をステップで点分割した。計測時間はs である。なお、スリットの寸法は一2 XAFS 測定を自動で行うことが可能となった。
15個の低温雰囲気下での定で測定したので、sinの値によって X 線の照射領域は異なる。
疲労き裂を導入した NSLP の平板試験片に、疲労荷重と同様に引張荷重を負荷した状態で、きキーワード： XAFS、低温、自動化
裂近傍について荷重方向の応力分布を計測した。なお、応力測定で使用する
PPS 相の X 線的弾性定数は、同一材料について実験室 X 線で測定した値を用いた[1]。X 線的弾性定数は、PPS のみで
背景と研究目的：射出成形した平板に曲げ負荷装置で応力負荷し、反射法・側傾法の sin2法によって測定した。
大型放射光施設(SPring-8)の産業利用Ⅱビームライン BL14B2 は、放射光の産業利用の促進を目的としたビームラインである。この実験ハッチでは、産業界ユーザーの多い XAFS 測定のための実験１の結果および考察：試験装置が設置されており、広範な利用者の要求に応えることが要請されている。その中で、低NSLP の TD 材に対して得られたプロファイルの例を Fig. 2 に示す。疲労繰返しの最小応力 min
温冷凍機は低温雰囲気下での XAFS 測定を行うために導入されている。低温雰囲気下で
XAFS 測( = 1.4 MPa ) を負荷した状態で、き裂先端での荷重軸方向の応力を、sin2法で測定するために計定を行うことで Debye-Waller 因子を減衰させることができ、EXAFS 振動の減衰が抑えられる。こ測したプロファイルである。このプロファイルは全て PPS(斜方晶)からの回折であり、炭素繊維
れにより、室温で測定したデータに比べて EXAFS 振動の S/N が向上する、フーリエ変換後の動からの回折は含まれていない。低角から 110、200、111 の回折に対応する。ここで、(1)LP 因子
径構造関数において高結合長側までのピークが観測できる、といった利点が生じる。
の補正、吸収因子補正、(2)平滑化、(3)バックグラウンド除去、(4)回折プロファイルを Gauss 関数
現在、複数試料の低温温度可変測定の自動化を目指し装置改良を行っている。以前我々は、によりフィッティングにより回折角を求めた。その際、200、111 を一つのピークとして、110 の
BL14B2 では従来よりも冷却性能の高い低温冷凍機(岩谷瓦斯社製、型式：HE05)を導入し、試料
ピークと波形分離を行った。
ホルダーに一度に取り付けられる試料数を 5 個から 15 個に増やすことで、試料交換に伴う測定時
Fig. 3 には負荷状態での MD 材、およびTD 材におけるき裂先端での負荷荷重方向の PPS 相の[1]間のロスを減らせるように改善した。しかしながら、試料ホルダーに取り付ける試料数を従来
軸方向応力に対する sin2線図を示す。また、Fig. 4 にはこれから得られた軸方向応力の分布を示よりも増やした場合、試料毎の位置及び測定温度の調整が煩雑になり、XAFS 測定初心者の多いす。MD
材では 2 応力レベル、TD 材では 3 応力レベルでの測定結果である。ここで、まず負荷応
産業利用分野のユーザーにとっては扱いづらいものとなる。そこで本実験では、測定試料の位置
力が疲労試験で負荷した最小応力における測定結果(図中の赤丸印)において、TD
材では 10 から調整、温度調整、測定条件の設定を自動化するシステムを開発し、動作試験を行うことを目的と20 MPa 程度の低い値であり、ほぼ一定であるのに対して、MD材では特にき裂近傍で 100 MPa 程する。低温XAFS 測定の自動化システムを構築することで、試料交換や測定温度切り替えの手間度の大きな値となっている。これは、MD
材では負荷状態でのき裂近傍での繊維の引き抜けなどを簡略化することができ、測定の利便性の向上、及び測定に必要な時間の短縮に繋がる。これににより、母材に大きな引張が残留していることに起因すると考えられる。一方、TD材では繊維のより、低温
XAFS 測定を利用するユーザーの拡大が期待できる。
引き抜けはなくき裂近傍での変形により母相の残留応力が負荷されることはない。
実験：
本実験では、図 1 のような低温 XAFS 測定自動化プログラムとそれに連携する温度コントロー
ラ制御プログラム、試料位置を調整するために低温冷凍機支持ステージの制御プログラムを用いて、低温雰囲気下での自動 XAFS 測定を行った。このプログラムでは試料ホルダーに取付けた 15個の試料に対し、異なる温度(最大 10 点)、試料名、ファイル名、測定範囲・間隔、積算時間、繰
り返し回数、ゲイン調整条件を設定し、自動で Quick XAFS 測定を行うことが可能である。低温
冷凍機はビームライン常設のものを使用し、試料ホルダーは図 2 のように 3 行×5 列の計 15 個の試料が取付け可能なものを低温冷凍機に取付けた。試料ホルダー温度の計測にはシリコンダイオ
ードセンサー(Lake Shore 社製、DT-670-CU(校正付))を用いた。温度センサーは試料ホルダーの下部側面に取付け、温度コントローラ(Lake Shore 社製、335 型)を用いて試料ホルダーの温度を PID制御した。測定試料は、Cu 箔、Fe 箔、Fe3O4、-Fe2O3、FeO、NiFe2O4、Co 箔、Co3O4、CoO を用いた。データ解析には XAFS 解析プログラム Athena、Artemis[2]、及び FEFF8.4[3]を用いた。温度コントローラ制御プログラムでは、1 秒毎に温度センサーから温度を読み取り、近接 15 秒間の温度の平均が温度コントローラ設定温度の±0.3 K、近接 15 秒間の温度の分散が 0.001 K2 となっFig. 1 Experimental set-up.
た時点で XAFS 測定を開始するように設定を行った。

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SPring-8 利用研究成果集

Section B

2013A1108
Table 1BL14B2
3

40x10
Measurement conditions for NSLP
低温
XAFS
測定自動化システムの開発
Loading directionof CFRP.

SPring-8 BL46XU

NSLP-TD
Application of Automatic System for35 LowsinTemperature
XAFS
 = 0.5
Crack tip
Measurementsin  = 0.6
30
min

2
2
2

Intensity , I

sin  = 0.7
2111, 200
 = 0.8
大渕 博宣, 谷口 陽介, 平山 明香,25 高垣 sin
昌史,
本間 徹生
2
sin  = 0.9
2
Hironori Ofuchi, Yosuke Taniguchi, Sayaka Hirayama, Masafumi
Takagaki, Tetsuo Honma
sin  = 1.020(公財)高輝度光科学研究センター
JASRI 15110

低温雰囲気下における XAFS 測定の高効率化及び利便性の向上を目的に、低温
XAFS 測定を自10動化するプログラムを開発した。これにより、異なる測定温度が最大で 10 点、試料数が最大で515 個の低温雰囲気下での XAFS 測定を自動で行うことが可能となった。
11
12
13
14
15
キーワード： XAFS、低温、自動化

Diffraction angle , 2 , deg

Fig. 2

Diffraction profiles of PPS from TD specimenof NSLP of CFRP for different sin2.

背景と研究目的：
大型放射光施設(SPring-8)の産業利用Ⅱビームライン BL14B2 は、放射光の産業利用の促進を目的としたビームラインである。この実験ハッチでは、産業界ユーザーの多い XAFS 測定のための試験装置が設置されており、広範な利用者の要求に応えることが要請されている。その中で、低温冷凍機は低温雰囲気下での XAFS 測定を行うために導入されている。低温雰囲気下で XAFS 測定を行うことで Debye-Waller 因子を減衰させることができ、EXAFS 振動の減衰が抑えられる。これにより、室温で測定したデータに比べて EXAFS 振動の S/N が向上する、フーリエ変換後の動径構造関数において高結合長側までのピークが観測できる、といった利点が生じる。
現在、複数試料の低温温度可変測定の自動化を目指し装置改良を行っている。以前我々は、
BL14B2 では従来よりも冷却性能の高い低温冷凍機(岩谷瓦斯社製、型式：HE05)を導入し、試料ホルダーに一度に取り付けられる試料数を 5 個から 15 個に増やすことで、試料交換に伴う測定時間のロスを減らせるように改善した[1]。しかしながら、試料ホルダーに取り付ける試料数を従来よりも増やした場合、試料毎の位置及び測定温度の調整が煩雑になり、XAFS 測定初心者の多い
産業利用分野のユーザーにとっては扱いづらいものとなる。そこで本実験では、測定試料の位置調整、温度調整、測定条件の設定を自動化するシステムを開発し、動作試験を行うことを目的とする。低温 XAFS 測定の自動化システムを構築することで、試料交換や測定温度切り替えの手間を簡略化することができ、測定の利便性の向上、及び測定に必要な時間の短縮に繋がる。これに2より、低温測定を利用するユーザーの拡大が期待できる。
Fig.XAFS
3 2-sin diagram taken at crack tip in MD and TD specimens of NSLP of CFRP.
実験：
本実験では、図 1 のような低温 XAFS 測定自動化プログラムとそれに連携する温度コントロー
ラ制御プログラム、試料位置を調整するために低温冷凍機支持ステージの制御プログラムを用いて、低温雰囲気下での自動 XAFS 測定を行った。このプログラムでは試料ホルダーに取付けた 15個の試料に対し、異なる温度(最大 10 点)、試料名、ファイル名、測定範囲・間隔、積算時間、繰
り返し回数、ゲイン調整条件を設定し、自動で Quick XAFS 測定を行うことが可能である。低温
冷凍機はビームライン常設のものを使用し、試料ホルダーは図 2 のように 3 行×5 列の計 15 個の試料が取付け可能なものを低温冷凍機に取付けた。試料ホルダー温度の計測にはシリコンダイオ
ードセンサー(Lake Shore 社製、DT-670-CU(校正付))を用いた。温度センサーは試料ホルダーの下部側面に取付け、温度コントローラ(Lake Shore 社製、335 型)を用いて試料ホルダーの温度を PID制御した。測定試料は、Cu 箔、Fe 箔、Fe3O4、-Fe2O3、FeO、NiFe2O4、Co 箔、Co3O4、CoO を用いた。データ解析には XAFS 解析プログラム Athena、Artemis[2]、及び FEFF8.4[3]を用いた。温度コントローラ制御プログラムでは、1 秒毎に温度センサーから温度を読み取り、近接 15 秒間の温度の平均が温度コントローラ設定温度の±0.3 K、近接 15 秒間の温度の分散が 0.001 K2 となった時点で XAFS 測定を開始するように設定を行った。
Fig. 4Stress distribution near crack tips in MD and TD specimens of NSLP of CFRP.
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2013A1108

Section B

BL14B2

負荷応力が増すと母相応力も増大する。MD 材および TD 材ともに負荷応力の増大とともに母相応力は増大するが、き裂先端近傍での上昇量が特に大きいということはない。ここで、き裂先低温 XAFS 測定自動化システムの開発
端から 0.3 mm 位置での荷重軸方向の母相応力と、負荷した応力拡大係数K をヤング率 E で割っ
Application of Automatic System for Low Temperature XAFS
た値K/E との関係を Fig. 5 に示す。ここで、非常に興味深い点は母相応力の増加量と、K/E との
Measurement
関係には繊維配向はあまり影響しないことがわかる。一方、繊維配向が異なった
TD、MD 材における疲労き裂進展速度 da/dN が、同一K では MD 材の方が非常に遅くなるが、K/E で整理す大渕 博宣, 谷口 陽介, 平山 明香, 高垣 昌史, 本間 徹生
るとほぼ同一となることを明らかにした[2]。このことと Fig. 4 に示す結果はよく対応する。つまHironori Ofuchi, Yosuke Taniguchi, Sayaka Hirayama, Masafumi Takagaki, Tetsuo Honma
り、き裂先端近傍の変形挙動はK ではなく、K/E によって決定されることを意味しており、これがき裂進展速度を支配するパラメータであることを支持する実証データであると見なされる。
(公財)高輝度光科学研究センター
今後、荷重条件が異なるき裂に対しても同様の測定を行い、蓄積されたデータを基に支配力学
JASRI
パラメータとしての有効性の確認が必要である。
低温雰囲気下における XAFS 測定の高効率化及び利便性の向上を目的に、低温 XAFS 測定を自動化するプログラムを開発した。これにより、異なる測定温度が最大で 10 点、試料数が最大で15 個の低温雰囲気下での XAFS 測定を自動で行うことが可能となった。
キーワード： XAFS、低温、自動化

背景と研究目的：
大型放射光施設(SPring-8)の産業利用Ⅱビームライン BL14B2 は、放射光の産業利用の促進を目的としたビームラインである。この実験ハッチでは、産業界ユーザーの多い XAFS 測定のための試験装置が設置されており、広範な利用者の要求に応えることが要請されている。その中で、低温冷凍機は低温雰囲気下での XAFS 測定を行うために導入されている。低温雰囲気下で XAFS 測定を行うことで Debye-Waller 因子を減衰させることができ、EXAFS 振動の減衰が抑えられる。これにより、室温で測定したデータに比べて EXAFS 振動の S/N が向上する、フーリエ変換後の動径構造関数において高結合長側までのピークが観測できる、といった利点が生じる。
現在、複数試料の低温温度可変測定の自動化を目指し装置改良を行っている。以前我々は、
BL14B2 では従来よりも冷却性能の高い低温冷凍機(岩谷瓦斯社製、型式：HE05)を導入し、試料ホルダーに一度に取り付けられる試料数を 5 個から 15 個に増やすことで、試料交換に伴う測定時間のロスを減らせるように改善した[1]。しかしながら、試料ホルダーに取り付ける試料数を従来
Fig. 5 Change of crack-tip stress with stress intensity range divided by Young’sよりも増やした場合、試料毎の位置及び測定温度の調整が煩雑になり、XAFS 測定初心者の多い
modulus of MD and TD specimens of NSLP of CFRP.
産業利用分野のユーザーにとっては扱いづらいものとなる。そこで本実験では、測定試料の位置調整、温度調整、測定条件の設定を自動化するシステムを開発し、動作試験を行うことを目的とする。低温 XAFS 測定の自動化システムを構築することで、試料交換や測定温度切り替えの手間を簡略化することができ、測定の利便性の向上、及び測定に必要な時間の短縮に繋がる。これに実験
2： XAFS 測定を利用するユーザーの拡大が期待できる。
より、低温対象とする材料は PPS、ガラス繊維、炭酸カルシウムを各 33 wt%混合した GFRP の射出成形板
実験：である。実際の部品は6 mm 厚さで成形されている。しかし、設定したエネルギ 12 keV では、透本実験では、図1のような低温XAFS 測定自動化プログラムとそれに連携する温度コントロー
過 X 線強度が低く、測定に長い時間がかかることが予想されたために、予定を変更して、まず 1 mm
ラ制御プログラム、試料位置を調整するために低温冷凍機支持ステージの制御プログラムを用い厚さの平板（長さ50 mm、幅 10 mm）を用いて、引張負荷条件下で応力測定を行い精度についてて、低温雰囲気下での自動 XAFS 測定を行った。このプログラムでは試料ホルダーに取付けた
15
検討することとした。試験片としては、CFRPと同様に荷重方向が射出方向に平行な MD 材と垂個の試料に対し、異なる温度(最大10 点)、試料名、ファイル名、測定範囲・間隔、積算時間、繰
直な
TD 材について測定した。
り返し回数、ゲイン調整条件を設定し、自動でQuick XAFS 測定を行うことが可能である。低温
Table 2 に条件をまとめる。光学系は CFRP の場合と同一である。PPSの 111、220 回折のピーク
冷凍機はビームライン常設のものを使用し、試料ホルダーは図2 のように 3 行×5 列の計sin
152
個のシフトの計測から母相のひずみを計測した。応力の決定は、透過法・並傾法の光学系で法試料が取付け可能なものを低温冷凍機に取付けた。試料ホルダー温度の計測にはシリコンダイオ
2によって行った。本実験では、照射領域を 0.4×0.4 mm と大きくして、回折 X 線強度を上げた。
ードセンサー(Lake
Shore 社製、DT-670-CU(校正付))を用いた。温度センサーは試料ホルダーの下
また、炭酸カルシウムも結晶であり、この相の応力測定も検討した。透過法・並傾法の光学系で部側面に取付け、温度コントローラ(Lake
Shore 社製、335 型)を用いて試料ホルダーの温度を PIDの sin2法によって行った。
制御した。測定試料は、Cu 箔、Fe 箔、Fe3O4、-Fe2O3、FeO、NiFe2O4、Co 箔、Co3O4、CoO を用いた。データ解析には
XAFS 解析プログラム Athena、Artemis[2]、及び FEFF8.4[3]を用いた。温実験 2 の結果および考察：
度コントローラ制御プログラムでは、1 秒毎に温度センサーから温度を読み取り、近接 15 秒間の
GFRP の MD 材から得られたプロファイルの例を Fig. 6 に示す。無負荷での測定である。CFRP
温度の平均が温度コントローラ設定温度の±0.3 K、近接 15 秒間の温度の分散が 0.001 K2 となっに比較して回折強度が 5 分の 1 程度で弱い。CFRP の場合と同様に、111、220 回折を一つのピーた時点で XAFS 測定を開始するように設定を行った。
クとして測定した。Fig. 7 には MD 材の PPS 相の負荷方向および垂直方向応力に対する sin2線図－254－

SPring-8 利用研究成果集

Section B

2013A1108

BL14B2を示す。直線性はかなり悪いが、回帰直線を求めその傾きから求めた負荷方向1m および垂直方向
応力2m と負荷応力の関係を8 に示す。負荷応力に対して、平行な方向の応力と負荷応力の比
低温 Fig.
XAFS
測定自動化システムの開発
は 0.339 であり、CFRP の場合 0.233 よりは大きく、PPS 相がより高い応力分配係数となる。一方、Application of Automatic System for Low Temperature XAFS
垂直方向の応力はあまり変化しなかった。一方、TD 材についても応力の測定を行ったが、データ
Measurementのばらつきが大きく信頼できるデータは得られなかった。これは回折強度が弱いために、精度が悪くなったためと考えられる。
大渕 博宣, 谷口 陽介, 平山 明香, 高垣 昌史, 本間 徹生
また、炭酸カルシウム(CaCO3)相についても sin2線図を求めたが、ばらつきが大きく、有用な
Hironori Ofuchi, Yosuke Taniguchi, Sayaka Hirayama, Masafumi Takagaki, Tetsuo Honma
データは得られなかった。さらに、CaCO3 の弾性定数は不明であり、今後の検討が望まれる。これらの実験結果に共通しているのは，GFRP
中の PPS 相、CaCO3 相の割合が低く、十分の回折 X(公財)高輝度光科学研究センター
線強度が得られなったことが原因と考えられる。さらに、6mm 程度の板厚の内部応力の測定のた
JASRI
めには、エネルギをあげ、例えば 20 keV を採用することが必要になるものと考えられる。
低温雰囲気下における XAFS 測定の高効率化及び利便性の向上を目的に、低温 XAFS 測定を自動化するプログラムを開発した。これにより、異なる測定温度が最大で 10 点、試料数が最大で15 個の低温雰囲気下での XAFS 測定を自動で行うことが可能となった。
Table 2 Measurement conditions for
キーワード： XAFS、低温、自動化
GFRP.

3

12x10

Perpendicular direction
2

SPring-8 BL46XUGFRP-MD 0MPa

Intensity , I

sin  = 0.5
背景と研究目的：PPS
10
2
sin  = 0.62大型放射光施設(SPring-8)の産業利用Ⅱビームライン BL14B2sinは、放射光の産業利用の促進を目 = 0.72111,測定のための200的としたビームラインである。この実験ハッチでは、産業界ユーザーの多い
XAFS
sin  = 0.8
8
2
sin

=
0.9
試験装置が設置されており、広範な利用者の要求に応えることが要請されている。その中で、低2sin  = 1.0
温冷凍機は低温雰囲気下での XAFS 測定を行うために導入されている。低温雰囲気下で
XAFS 測6110定を行うことで Debye-Waller 因子を減衰させることができ、EXAFS 振動の減衰が抑えられる。こ4
れにより、室温で測定したデータに比べて EXAFS 振動の
S/N が向上する、フーリエ変換後の動径構造関数において高結合長側までのピークが観測できる、といった利点が生じる。
2
現在、複数試料の低温温度可変測定の自動化を目指し装置改良を行っている。以前我々は、
BL14B2 では従来よりも冷却性能の高い低温冷凍機(岩谷瓦斯社製、型式：HE05)を導入し、試料ホルダーに一度に取り付けられる試料数を 5 個から 15 0個に増やすことで、試料交換に伴う測定時
11
12
13
14
15
間のロスを減らせるように改善した[1]。しかしながら、試料ホルダーに取り付ける試料数を従来
Diffraction angle , 2 , deg
よりも増やした場合、試料毎の位置及び測定温度の調整が煩雑になり、XAFS
測定初心者の多い
Fig. 6 Diffraction profilesof PPS from MD
産業利用分野のユーザーにとっては扱いづらいものとなる。そこで本実験では、測定試料の位置
specimen of GFRP for different sin2.
調整、温度調整、測定条件の設定を自動化するシステムを開発し、動作試験を行うことを目的とする。低温 XAFS 測定の自動化システムを構築することで、試料交換や測定温度切り替えの手間を簡略化することができ、測定の利便性の向上、及び測定に必要な時間の短縮に繋がる。これにより、低温 XAFS 測定を利用するユーザーの拡大が期待できる。

実験：
本実験では、図 1 のような低温 XAFS 測定自動化プログラムとそれに連携する温度コントロー
ラ制御プログラム、試料位置を調整するために低温冷凍機支持ステージの制御プログラムを用いて、低温雰囲気下での自動 XAFS 測定を行った。このプログラムでは試料ホルダーに取付けた 15個の試料に対し、異なる温度(最大 10 点)、試料名、ファイル名、測定範囲・間隔、積算時間、繰
り返し回数、ゲイン調整条件を設定し、自動で Quick XAFS 測定を行うことが可能である。低温
冷凍機はビームライン常設のものを使用し、試料ホルダーは図 2 のように 3 行×5 列の計 15 個の試料が取付け可能なものを低温冷凍機に取付けた。試料ホルダー温度の計測にはシリコンダイオ
ードセンサー(Lake Shore 社製、DT-670-CU(校正付))を用いた。温度センサーは試料ホルダーの下部側面に取付け、温度コントローラ(Lake Shore 社製、335 型)を用いて試料ホルダーの温度を PID制御した。測定試料は、Cu 箔、Fe 箔、Fe3O4、-Fe2O3、FeO、NiFe2O4、Co 箔、Co3O4、CoO を用いた。データ解析には XAFS 解析プログラム Athena、Artemis[2]、及び FEFF8.4[3]を用いた。温度コントローラ制御プログラムでは、1 秒毎に温度センサーから温度を読み取り、近接 15 秒間のFig. 7 2-sin2 diagram of
TD specimenof GFRP.
温度の平均が温度コントローラ設定温度の±0.3K、近接15 秒間の温度の分散が0.001 K2 となった時点で XAFS 測定を開始するように設定を行った。

－255－

SPring-8 利用研究成果集
2013A1108

Section B

BL14B2

低温 XAFS 測定自動化システムの開発
Application of Automatic System for Low Temperature XAFS
Measurement
大渕 博宣, 谷口 陽介, 平山 明香, 高垣 昌史, 本間 徹生
Hironori Ofuchi, Yosuke Taniguchi, Sayaka Hirayama, Masafumi Takagaki, Tetsuo Honma(公財)高輝度光科学研究センター
JASRI
低温雰囲気下における XAFS 測定の高効率化及び利便性の向上を目的に、低温 XAFS 測定を自動化するプログラムを開発した。これにより、異なる測定温度が最大で 10 点、試料数が最大で15 個の低温雰囲気下での XAFS 測定を自動で行うことが可能となった。
キーワード： XAFS、低温、自動化
Change of parallel 1m and perpendicular stress 2m in PPS
背景と研究目的：
under the applied stress 1A for GFRP.
大型放射光施設(SPring-8)の産業利用Ⅱビームライン BL14B2 は、放射光の産業利用の促進を目的としたビームラインである。この実験ハッチでは、産業界ユーザーの多い XAFS 測定のための試験装置が設置されており、広範な利用者の要求に応えることが要請されている。その中で、低参考文献：
温冷凍機は低温雰囲気下での XAFS 測定を行うために導入されている。低温雰囲気下で XAFS 測[1] 田中啓介, 所 昇平, 小池祐基, 江上 登, 秋庭義明, 材料, 63(7), 514 (2014).
定を行うことで Debye-Waller 因子を減衰させることができ、EXAFS 振動の減衰が抑えられる。こ[2] K. Tanaka, T. Kitano, N. Egami, Engineering
Fracture
Mechanics,
123, 44 (2014).
れにより、室温で測定したデータに比べて
EXAFS
振動の
S/N が向上する、フーリエ変換後の動径構造関数において高結合長側までのピークが観測できる、といった利点が生じる。
現在、複数試料の低温温度可変測定の自動化を目指し装置改良を行っている。以前我々は、©JASRI
BL14B2 では従来よりも冷却性能の高い低温冷凍機(岩谷瓦斯社製、型式：HE05)を導入し、試料ホルダーに一度に取り付けられる試料数を個に増やすことで、試料交換に伴う測定時(Received: October 21, 2015; Early [1]edition:5 個からJuly 11,152017;
間のロスを減らせるように改善した。しかしながら、試料ホルダーに取り付ける試料数を従来
Accepted: July 18, 2017; Published: August 17, 2017)よりも増やした場合、試料毎の位置及び測定温度の調整が煩雑になり、XAFS 測定初心者の多い
産業利用分野のユーザーにとっては扱いづらいものとなる。そこで本実験では、測定試料の位置調整、温度調整、測定条件の設定を自動化するシステムを開発し、動作試験を行うことを目的とする。低温 XAFS 測定の自動化システムを構築することで、試料交換や測定温度切り替えの手間を簡略化することができ、測定の利便性の向上、及び測定に必要な時間の短縮に繋がる。これにより、低温 XAFS 測定を利用するユーザーの拡大が期待できる。
Fig. 8実験：
本実験では、図 1 のような低温 XAFS 測定自動化プログラムとそれに連携する温度コントロー
ラ制御プログラム、試料位置を調整するために低温冷凍機支持ステージの制御プログラムを用いて、低温雰囲気下での自動 XAFS 測定を行った。このプログラムでは試料ホルダーに取付けた 15個の試料に対し、異なる温度(最大 10 点)、試料名、ファイル名、測定範囲・間隔、積算時間、繰
り返し回数、ゲイン調整条件を設定し、自動で Quick XAFS 測定を行うことが可能である。低温
冷凍機はビームライン常設のものを使用し、試料ホルダーは図 2 のように 3 行×5 列の計 15 個の試料が取付け可能なものを低温冷凍機に取付けた。試料ホルダー温度の計測にはシリコンダイオ
ードセンサー(Lake Shore 社製、DT-670-CU(校正付))を用いた。温度センサーは試料ホルダーの下部側面に取付け、温度コントローラ(Lake Shore 社製、335 型)を用いて試料ホルダーの温度を PID制御した。測定試料は、Cu 箔、Fe 箔、Fe3O4、-Fe2O3、FeO、NiFe2O4、Co 箔、Co3O4、CoO を用いた。データ解析には XAFS 解析プログラム Athena、Artemis[2]、及び FEFF8.4[3]を用いた。温度コントローラ制御プログラムでは、1 秒毎に温度センサーから温度を読み取り、近接 15 秒間の温度の平均が温度コントローラ設定温度の±0.3 K、近接 15 秒間の温度の分散が 0.001 K2 となった時点で XAFS 測定を開始するように設定を行った。

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