2022 Fiscal Year Research-status Report

Development of Full field XRD (FFXRD) imaging method using X-ray optical elements with regular porous nanostructures

Research Project

Project/Area Number	21K14659
Research Institution	Kyoto Municipal Institute of Industrial Technology and Culture
Principal Investigator	山梨眞生地方独立行政法人京都市産業技術研究所, 京都市産業技術研究所, 次席研究員 (80802610)
Project Period (FY)	2021-04-01 – 2024-03-31
Keywords	X線イメージング / X線回折 / X線光学素子 / アノード酸化 / 電気化学測定
Outline of Annual Research Achievements	近年、金属材料の製造過程中に生成する介在物の解析のような、高空間分解能化、広視野化、短時間化の3つを同時に達成するX線回折イメージング技術が求められている。試料中の分布情報を得るためには、回折X線の発生位置情報を保持できるX線光学素子を光学系に組み込む必要がある。従来、機械工作によるガラスキャピラリが用いられてきたが、製造技術的に高空間分解能化に対して限界があった。本研究課題では、機械工作とは本質的に異なる電気化学的アプローチからアノード酸化法に着目した新規X線光学素子を作製し、上記3つを同時に達成できるX線回折イメージング法の開発に取り組んでいる。アノード酸化法（ポーラス型）は電解液中で電気化学反応により電極表面の金属を金属酸化物へ変換すると同時に、ナノスケールの細孔が無数に配列した自己規則的な多孔質酸化皮膜を形成できる。この皮膜を新規X線光学素子として適用するために、微細な細孔径や広視野領域の素子面積、充分な膜厚といった特徴を実現する必要がある。 2022年度の主な取り組みとして、前年度に引き続き、X線回折イメージング法に適用可能な酸化皮膜（細孔径サイズや素子面積、膜厚の制御など）の実現を試みた。具体的には、電解液種や電気化学条件を最適化することで、上述した特徴を満たす酸化皮膜の作製方法を絞り込むことができた。そして、作製した酸化皮膜をガラスキャピラリと組み合わせてX線回折装置に組み込み、X線回折イメージング法としての空間分解能を評価した。その結果、ガラスキャピラリ単体で使用したときと比較して、空間分解能値の向上を確認した。よって、本イメージング法の有効性を実証することができた。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason アノード酸化反応では、細孔の形成（化学溶解）と酸化皮膜の成長（酸化反応）が競合している。よって、化学溶解を抑制し、酸化皮膜が持続的に成長可能なアノード酸化条件を見出す必要がある。そこで前年度に引き続き、アノード酸化皮膜作製条件について検討した。基材の前処理や電気化学条件を調整することで、割れや焼けの発生を低減し、概要に記載した特徴を満たす酸化皮膜を作製できるように、アノード酸化条件を最適化した。 X線回折イメージング法としての分析特性評価を行うために、酸化皮膜をガラスキャピラリと組み合わせてX線回折装置に組み込んだ。その結果、ガラスキャピラリ単体で使用した時と比較して空間分解能が向上することを確認し、本イメージング法の有効性を実証した。
Strategy for Future Research Activity	(1) 上述したアノード酸化条件の検討から、電圧が高い、あるいは急激な電圧上昇のときに酸化皮膜に焼けや割れが発生しやすく、皮膜が成長できないことが示唆された。この抑制要因について明らかにしていくとともに、さらに酸化皮膜を安定に作製できる条件を検討する。 (2) 有効性が実証された本イメージング法に関する成果について論文等での発表を検討する。さらに、ガラスキャピラリと酸化皮膜を組み合わせたX線光学素子と2021年度に購入した受光素子サイズが小さな二次元検出器を用いたX線回折イメージング法により、本提案手法がより高空間分解能化を実現したX線回折イメージング法であることを実証していく。そして、例えば熱処理による金属材料中の結晶構造変化のような化学反応の“その場”観察に対して本イメージング法の応用展開を検討する。
Causes of Carryover	学会等にリモート参加し、旅費等がかからなくなったため次年度への繰り越し金額が発生した。次年度は今後の研究の推進方策の通り、必要な消耗品の購入や学会、論文等での成果発表に充てる計画である。