X線回析入門：XRDの仕組み

作者 Lauren Dos Santos - 2020年 7月 29日

X線回析（略してXRD）とは、結晶物質の構造や相同定に関する情報を得るための分析法です。

XRDによって単結晶物質を同定し構造を明らかにすることができます。地質学者にとってXRDが特に便利なのは、岩石中の鉱物など、混合物中に存在する結晶物質の同定に使用できることです。粘土など、さまざまな化学式や構造を持つ鉱物の場合、同定してサンプル内でそれらの部分を判別するには、XRDが最適な方法です。

XRDとはどのような仕組みでしょうか。ブログでは、XRDの科学的背景を掘り下げ、当社のポータブルXRD装置の仕組みについて説明します。

X線回析（XRD）の科学的背景

XRD分析では、X線のビームがサンプルに向かって照射され、散乱強度が出射方向の関数として測定されます。慣例により、入射と出射のビーム方向間の角度は2θ（2シータ）と呼ばれます。

入射と出射のビーム方向間の角度は2θ（2シータ）と呼ばれます。

距離dで分けられた電荷シートで構成された、考えられる最も単純なサンプルの場合、ブラッグの法則n λ = 2 d sin θが成り立つと、建設的干渉（より大きな散乱強度）が見られます。

実際におけるXRDテクノロジー

当社の次世代モデルであるTERRA™ IIやBTX™ III XRD装置などのXRD装置では、このテクノロジーを使用して、鉱物の主要成分や微量成分を高速かつ高い信頼度で位相分析し、リアルタイムに直接装置に表示します。

またオリンパスのXRD装置は、独自の方法を使用してX線回折データを迅速かつ容易に収集し、処理しており、驚くほどコンパクトで持ち運びやすくなっています。当社の技法について、詳しく見ていきましょう。

BTX™ IIIベンチトップX線回折装置（左）とTERRA™ II ポータブルX線回折装置（右）は、大規模で複雑なラボシステムのパワーをコンパクトな軽量設計に収めています。

オリンパスのX線回折装置の仕組み

従来のゴニオメーターベースのXRD装置では、反射型回折法を使用してXRDデータを処理しています。その結果、装置は大型で可動部品が数多くあり、外部冷却が必要な場合もあります。もう一つの欠点は、分析用に大量のサンプルが必要なことです。こうした制限から、かつてのXRD分析はラボで行われるのが常でした。

当社のエンジニアたちは、X線ビームがサンプルを通り抜ける独自の透過型回折法を採用することで、XRDを前進させました。

透過回折法によるオリンパス独自のXRD技法を示した図

この技法は可動部品を必要としないため、世界初の商用電池式ポータブルXRDの設計が実現しました（後継モデルは新しいTERRA™ II装置です）。現在、当社のXRD装置は携帯性と使いやすさを提供し続け、分析に必要なサンプルはほんの15 mgです。

サンプルをサンプル室に入れると、XRD装置では粉体液状化と呼ばれる粒子のランダム化が行われます。この手法では、一定の圧電誘発周波数がサンプルに加わります。これによって粉体が上から下に対流し、粉体自体が回転します。

30秒以内に、サンプルウィンドウにあるすべての粒子があらゆる方向にX線ビームを通過します。この方法で、オリンパスのXRD装置は、正確なX線回折の最も重要な要素である100％のランダム化を実現します。

定量鉱物分析をすばやく容易に実施する方法

当社の装置では、XRDプロセスをできるかぎりシンプルにしたため、定量鉱物分析をすばやく容易に行うことができます。このプロセスはほんの数ステップで説明できます。

サンプルを準備します。サンプル準備の簡単なステップについては、ブログ「高速定量X線回折分析のクイックガイド」をご覧ください。
検査を開始すると、ウィンドウ内の対流するサンプルをX線が透過します。
X線がサンプルに当たり、2シータ角度の範囲で回折します。
CCD検出器が回折を測定します。
SwiftMin®自動相同定および定量分析ソフトウェアが、リアルタイムの相または鉱物同定を回折装置に直接表示、または直感的なユーザーインターフェースに表示します。

SwiftMin®ソフトウェアは、データの単一ダッシュボード、事前設定キャリブレーション、自動データ転送、容易なデータエクスポートなどの直感的な機能を用いて、繰り返し行うタスクをなくしています。

一般的なXRDの用途

こうして得られたXRD結果は、幅広い用途に使用できます。 XRDの一般的な用途は次のとおりです。

採掘と鉱石
石油・ガス
医薬品
学術
宇宙探査

オリンパスXRD装置が持つ3つのハードウェア特性

時間を節約するソフトウェアとシンプルなサンプル準備に加えて、オリンパスXRDは独自のハードウェアコンポーネントで設計されており、装置の信頼性と正確性を非常に高いものにしています。

2次元のX線回折装置：多くのXRD装置では、サンプルから発せられる光子を1面のみ、つまり1次元測定でキャプチャするX線検出器を使用します。オリンパスのCCDベースのXRD装置では、回折環の状態を確認できるため、サンプルが（粒子統計や結晶の選択配向について）正しく前処理されているかが分かります。こうした情報を使用して、定量データが正確で代表的なものであることを確認できます。
エネルギー弁別式X線検出器：従来の大型XRD装置では、一般的にエネルギー高感度検出器を使用できません。そのため、検出器はX線回折で使用されない光子の影響を受けます。それに対してオリンパスのXRD装置は、X線回折には直接含まれない光子（蛍光X線光子など）を除外できるため、高いSN比が得られます。
コバルトおよび銅のX線管オプション：オリンパスのXRD装置には、標準で堅牢なコバルト（Co）のターゲットX線管が付属しています。このアノードは、鉄（Fe）が多く含まれるサンプルの分析に優れているため、地質学者や鉱物学者の使用に適しています。ただし、一部の用途（マンガンが多く含まれる材料）には銅（Cu）のターゲットX線管が必要です。オリンパスでは、用途に応じてどちらのX線管もご用意しています。