BL13XUにおけるX線回折・散乱装置再編状況
小金澤（公財）高輝度光科学研究センター
智之、ロシャンタ クマーラ、河口 彰吾、山田 大貴、小林 慎太郎、隅谷 和嗣（公財）高輝度光科学研究センター（JASRI）
産業利用・産学連携推進室 材料構造解析チーム
小金澤 智之（BL13XU・BL19B2 多目的６軸回折計担当）
koganeza@spring8.or.jp
20221017 放射光利用技術研究会

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発表内容
〇

ビームライン再編の背景〇

BL13XUの再編状況〇

利用制度・課題申請状況「回折・散乱IビームラインBL13XUの現状」
SPring-8/SACLA 利用者情報 27 (2022) 274-279.

謝辞
回折・散乱再編WG メンバーの方々
光学系更新：JASRIビームライン技術推進室各位（大橋、山崎、仙波、岸本、清水康宏、坪田、小山、齊藤、清水冴月、松崎、竹内、三浦各氏）
設備更新：理研菅原氏、エンジニアリングチームスタッフ各位、ビームライン制御系更新：理研城地、本村、中嶋、渡邊各氏
理研矢橋ディレクター、
JASRI放射光利用研究基盤センター坂田副センター長
JASRI回折・散乱推進室玉作室長、杉本TL、今井TL
産業利用・産学連携推進室 佐藤室長代理
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共用ビームライン再編の背景
SPring-8/SACLA 利用者情報 25 (2020) 259-261.
SPring-8/SACLA 利用者情報 26 (2021) 261-264.

共用ビームライン全体の方針
次期光源／SPring-8-IIによる光源高度化に向けた放射光利用技術高度化

効率的な利用環境および利用技術開発環境の整備

産業利用における方針

産業利用促進の方針転換
産業利用BLを拠点とする施策から共用BL全体を活用する施策へ
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共用ビームライン再編状況（回折・散乱）
SPring-8/SACLA 利用者情報 26 (2021) 261-264.
（21年時点案）

汎用的な装置群・潜在的利用者拡大

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BL13XU：再編後の装置レイアウト

BL名：表面界面構造解析 ⇒ X線回折・散乱ビームラインⅠ （ⅡはBL19B2）

多目的６軸回折計

回折計測汎用
フレーム

高分解能粉末回折装置

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ナノビーム
X 線回折装置
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光学ハッチ機器のアップグレード
２結晶分光器ミラー

14〇２結晶分光器：高エネルギー対応力強化
分光結晶Si(111)→Si(111)/(311)併進切替〇ミラー：経年劣化対策、ミラー新調
ジェイテック社製Si・Pt2色コート

Photon flux (photon/sec)10

1st 111 Si
1st 111 Pt
3rd 111 Pt
3rd 311
5th 31113101210

111010100204060

Energy (keV)〇光学ハッチ機器制御：BL774導入
今後、実験ハッチ機器制御にも導入⇒ リモート測定環境整備
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2018/12 EH4
Rh 7mrad, 8keV,
FES 0.3x0.3

2022/04/21 EH4Pt 4mrad, 12.4keV,
FES 0.5x0.5
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BL13XU：2022A期以降の装置レイアウト

多目的６軸回折計

回折計測汎用
フレーム

高分解能粉末回折装置

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ナノビーム
X 線回折装置

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EH3:高分解能粉末回折装置

新規導入装置
共用ID-BLでは初の粉末回折装置

BM-BL
02B2、19B2

担当者：JASRI河口(彰)、山田、小林

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EH3：高分解能粉末回折装置
挿入光源の高輝度高エネルギーX線と高エネルギー対応検出器を利用した
In-situ/operando計測のスマート化
学術/産業界ユーザーのX線回折・散乱を用いた分析に対する様々な試料環境下におけるプロセスの解明等多様なニーズに対応し、(1)自動化を組合わせた高速かつハイスループットの階層的な粉末結晶構造の評価環境、(2)ミリ秒オーダーのin-situ /オペランド計測環境、(3)結晶性材料を対象とした原子配列/局所構造のハイスループット評価環境を実現

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EH3：高分解能粉末回折装置

ロボットに搭載された試料（100試料）
高速スピナー
試料台

新規二軸回折計

試料

放射光
２次元CdTe検出器 x 6台
(Lambda 750K)
２次元フラットパネル検出器

広い試料空間を提供可能な
自動大型実験定盤 （800 x 600mm2）
温調器架台ユニット

自動機器切替システム サンプルチェンジャー
（オンライン上で機器の入替可能に）
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EH3：高分解能粉末回折装置

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EH3：高分解能粉末回折装置

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仕様

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Lambda 検出器およびフラットパネル検出器で撮像した標準試料の粉末回折データ
CeO2 35keV, 積算時間：1s

LaB6 60keV, 積算：10s
60keVを用いたガラスの散乱パターン

FWHM :〜0.01°高分解能粉末回折測定→ FPDによるデバイリングの可視化

想定利用例
機能性材料の高速・ハイスループットの階層的な特性評価
 高エネルギーX線を利用した透過法による回折実験
 ミリ秒オーダーの構造変化、合成過程、動作下での計測
 粉末結晶性材料の原子配列〜局所構造評価
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粉末回折実験－試料準備の自動化
放射光粉末回折法では微少量ミリグラム程度の粉末から計測可能⇒0.1〜0.5mm程度のガラスキャピラリへの試料充填が必須

粉末自動充填装置

従来の試料準備の様子

自動化 人の手によりφ0.1mm程度の極細管（ガラスキャピラリ）に粉末試料を装填
 100試料/日を準備することも→多大な労力と時間が必要
充填具合がデータにも大きな影響
自動充填されたキャピラリの様子

装填時間例：約5分以下（試料にも多少依存）
試料粒サイズ調整のふるい機能などオプション有
常に同じ量が充填可能、再現性の向上（数時間（人間） → ～10分（機械）：難しい条件（CeO2 0.1mmΦ）
粉末

人力では不可能な極細管にも装填可＆24時間稼働
試料準備の高効率化＆リモート測定へ
試験運用中（BL02B2 側室に設置）

キャピラリ
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EH1:多目的６軸回折計

BL46XU EH1より移設
産業利用から学術利用まで受け入れ可能に
担当者：JASRI小金澤、クマーラ

2022年2月3日
BL46XU 最後のユーザー課題
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2022年6月10日
BL13XU 最初のユーザー課題
15 /29共用BL
13XU

多軸回折計の集約
19B2

46XU

02B1

再編
前

移設

13XU：回折・散乱Ⅰ

そのまま
19B2：回折・散乱Ⅱ

再編
後
効率的な運用技術開発・高度化

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EH1:多目的６軸回折計
BL46XU(産業利用Ⅲ)第1実験ハッチで設置・運用していたHUBER社製多目的６軸回折計をBL13XU第1実験ハッチに移設。産業界・学術界の双方利用可能。
粉末回折装置(02B2)や単結晶回折装置(02B1,40XU)では対応できない多種多様な試料・試料環境のX線回折・散乱測定が受入れ可能

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EH1:多目的６軸回折計仕様
X線エネルギー範囲

5～37 KeV Si(111)37～72 KeV Si(311)

X線ビームサイズ

0.03～1.0 mm : スリット成形
3-10 um ：CRLs 集光回折計

試料４軸＋検出器2軸の6軸回折計
C型オープンサークル、検出器アームが2本

試料ステージ

X, Y, Z, RX, RY

試料周辺の耐荷重

約10 kg、スプリングバランサー利用でそれ以上も可能

検出器：０次元

NaI、LaBr3シンチレーションカウンター＋ダブルスリット、ソーラースリット、アナライザー結晶光学系

検出器：１次元

６連装MYTHEN

検出器：２次元PILATUS 100K、300K（検出器アームに設置可能）、2M装置制御プログラム

SPEC（Certified Scientific Software社）

BL保有機器

引張り試験機：最大引張り荷重2 KN
試料加熱装置（反射配置）：アントンパール社DHS1100
試料冷却加熱装置（反射配置）：アントンパール社DCS500
アナライザー結晶Si(111)、Ge(111)など
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EH1:多目的６軸回折計
測定対象試料例
・バルク材料：金属、セラミックス、樹脂
・薄膜：半導体、金属、絶縁膜、表面処理
・実用材料：2次電池、燃料電池など

In-situ測定例
・加熱冷却・引張・成膜・光照射・雰囲気制御
・溶液塗布乾燥・摺動・電圧印加
・電気化学測定手法例
・汎用的なX線回折・散乱測定
・薄膜X線回折・散乱・X線反射率測定
・X線応力測定・異常分散X線回折・散乱測定
・高エネルギーX線回折測定

想定利用例
金属・鉄鋼材料：溶融凝固過程観察（溶接、製造プロセス）

利用例

機能性薄膜構造評価(a) ～1450℃(b) ～600℃(c) ～500℃

http://techjourney.jp/column/%E6%BA%B6%E6%8E%A5%E5%8A%A0%E
5%B7%A5%E3%81%AE%E5%9F%BA%E7%A4%8E%E7%9F%A5%E8%AD%98/

https://www.kobelco.co.jp/products/wirerod/p
rocess/elaboration_non_metal.html

ACS Appl. Polym. Mater. 3, 1, 49-5(d) ～400℃

M.Yonemura et. al., Material Transaction Vol.47, No. 9 (2006) p.2292

http://www.organicel.k.u-tokyo.ac.jp/20221017 放射光利用技術研究会

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EH２:回折計測汎用フレーム
新規導入装置
極めて自由度の高い回折装置
担当者：JASRI隅谷20221017 放射光利用技術研究会

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EH2：回折計測汎用フレームの概要
目的： 自由度の高いプロセス観察、オペランド測定を実現するため、大型の試料環境装置を設置可能なスペースを確保する回折装置を整備する。(従来の多軸回折計との相補利用)

検出器保持用ロボットアーム• 広い角度範囲とカメラ長• 高速な動作• 必要な耐荷重• 試料周辺空間を妨げない

検出器保持用ロボットアーム

試料環境装置• 1m以上のサイズの装置を設置可能なスペース。
• ユーザー持ち込み装置が中心。
• 汎用性の高い装置については施設側での整備も検討。

試料環境装置

試料ステージ• 試料試料位置・角度を調整する自由度
ヘキサポッド搭載と精度
試料ステージ• 高い耐荷重• 試料環境装置の設置の容易さ
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二次元検出器PILATUS X 300K
PILATUS X 2M
(2Mはロボットアームには搭載不可、床固定)

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EH2：回折計測汎用フレームの性能
ロボットアーム
Staubli社製 RX-160L・最大可搬重量 25 kg
・リーチ範囲 2010 mm
・位置繰り返し精度 0.05 mm・軸数 6

検出器のアクセス範囲

X-rays+60°
Sampleヘキサポッド搭載試料ステージ
ヘキサポッド: PI社製H-850
回転ステージ: Huber 430
XZステージ-60°

ヘキサポッドステージ面：φ 250 mm
ヘキサポッドステージ面から光軸までの高さ：
105 ± 75 mm(Zステージで調整可)
耐荷重： 250 kg+60°

水平方向に±60°、鉛直方向に0～60°、カメラ長 10 cm ~ 1m以上の範囲において、自由なアクセスを可能にする。

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22 /29検出器保持用ロボットアーム

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EH2：回折計測汎用フレーム
材料変形中その場X線回折測定

測定対象

燃料電池触媒反応のオペランド観測
固体高分子形燃料電池触媒の課題
・貴金属使用量の削減 ⇨ 高活性化
・触媒の酸化・溶出 ⇨ 高耐久性
・作動温度：現在90℃⇨100〜120 ℃ （2030年度目標）

材料の塑性変形は主に転位の運動により生じる

高活性・高耐久性触媒の開発には実働環境における観測が重要!!

TEM観察では、薄片化が必要、局所観察のみ、In-situ測定は難しいなどの課題あり
http://support.spring8.or.jp/Doc_workshop/iuss/2020/
metal_mate_eval-16/adachi.pdf

万能試験機
広い試料スペースをとれる
ヘキサポッド＋ロボット
アームの装置により、実験室で使われる装置(に近いもの)をそのまま放射光実験で利用できる。

回折計に合わせた専用セル（50mm)
試料温度制御や反応中のオペランド観測→ ラボ装置をSPring-8にそのまま持ってくる

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EH4：ナノビームX線回折装置
変更なし
ビームサイズ 200 nm～1 µmを利用したX線回折散乱測定が実施可能
担当者：JASRI隅谷

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EH4：ナノビームX線回折装置
CRLs

高分解能ナノビームＸ線回折システム

Slit 2
Undulator

Si double-crystal
monochromator
Mirrors

Pinhole(40-mm-f)

Slit 1

Sample0m

Center stop Phase ZP

50 m55 m

56.63 m79.8 mex.) SiGe(001)/Si(001)からのSiGe 004反射の逆格子マップ
X-ray energy: 8 keV-1

2D detector

ナノビームX線を用いた逆格子マップ測定などの回折実験により、材料中の局所的な格子面の傾きや格子歪を高い角度分解能で分析できる。

4.60Qz (Å )80.4 m4.55

測定対象：デバイス材料、薄膜、ナノ構造など

4.50

-0.10

-0.05

0.00
-1
Qx (Å )

0.05

0.10

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EH4：ナノビームX線回折装置

集光性能

フレネルゾーンプレート 測長SEMによる計測

NTT-ATN製Ta-ZP（特注品）
NTT-ATN製Ta-ZP（特注品）
直径150 μm
直径μmnm
最外周ゾーン幅 15081.7
ZP最外周ゾーン幅
81.71000
nm nm
Ta厚ZP
Ta厚nm mm
焦点距離(10 keV)100098.83
焦点距離(10 keV) 98.83 mm

CRLs
X-raysSampleFZP

外観

2D Detector

光学顕微鏡像SEM像
測長SEMによる計測値

第一ゾーン直径 最外周6978 nm 最外周ゾー
80
第一ゾーン直径
屈折レンズ
6978 nm
80 nm

Si製屈折レンズ• 20, 25, 30, 35 keVのX線用に設計

15 keV以下ではフレネルゾーンプレー
ト、15 keV以上では屈折レンズを集光素子として用いてX線を集光する。

ビームサイズとフラックス
ビームサイズの例：30 keV

1000

0.38 um

8800

6600

4400

2200

Intensity (count)

101200314x1012101500
0.29 um

1000

86500

4200-1.00.01.0Horizontal position (mm)Differential (count)

1400

Differential (count)

Intensity (count)

314x1012-1.00.0

1.0

Vertical position (mm)20221017 放射光利用技術研究会

Beam size (μm)

Energy(keV)

WidthHeight

Photon flux
(photon/sec)

8

0.24

0.31

1.34×109

20

0.26

0.34

1.52×109

25

0.31

0.25

1.30×109

30

0.38

0.29

1.71×109

35

0.59

0.32

1.00×109
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EH4：ナノビームX線回折装置
ゲルマニウム(Ge)細線の幅による格子歪の変化

利用例

ナノビーム X 線回折法による周期溝加工
基板上 AlN 厚膜の結晶深さ方向構造解析

Differential aperture法による深さ分解X線回折測定

Ge細線幅の縮小に伴って、Ge細線に印加される歪量が増大する方向に歪Geピーク位置がシフトする様子が観察された。
S. Ike et al., Appl. Phys. Lett., 106, 182104 (2015).

深さ分解測定により、格子面の傾斜などの微細構造が転位の形態を反映していることが明らかになった。
K. Shida et al., J. Appl. Phys. 123, 161563 (2018).

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利用制度・課題申請状況
・22A期6月より多目的6軸回折計とナノビーム回折装置の利用開始
・22B1期（10月）よりすべての装置の利用開始

・年6回募集・成果専有時期指定（時間単位）：多目的６軸回折計
高分解能粉末回折装置

多目的６軸回折計・B1期、B2期の課題申請状況：とても混んでいます。
・次期課題申請：
2022B3期 11/1

回折計測汎用フレーム

午前10時

締切

2023A1期（専有・公開優先）11/17 午前10時 締切（一般課題） 12/8 午前10時 締切

高分解能粉末回折装置

2023A2期 23年3月下旬ころ
2023A3期 23年5月中旬ころ
ご応募お待ちしております。お気軽にお問合せください。
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ナノビーム X 線回折装置
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