JP2013148521A - 試料測定用セル、物性測定装置、および物性測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光路長を容易に変更することができる試料測定用セル、およびその試料測定用セルを備える物性測定装置を提供する。
【解決手段】光源４から照射される一次電磁波４ａが測定対象を含む試料を透過することで得られる二次電磁波４ｂを測定する物性測定装置１００の試料測定用セル１である。この試料測定用セル１は、可撓性の管体（可撓性循環チューブ２）と、保持体１０と、間隔調整部材１２と、を備える。保持体１０は、一次電磁波４ａの入射窓１１ａを有する第一把持片１０ａ、および二次電磁波４ｂの出射窓１１ｂを有する第二把持片１０ｂを備え、管体２をその径方向から保持する。間隔調整部材１２は、両把持片１０ａ，１０ｂの間隔を調整する。間隔調整部材１２で両把持片１０ａ，１０ｂの間隔を調整することで、管体２を変形させて光路長を調整する。
【選択図】図２

Description

本発明は、測定対象の物理状態もしくは化学状態を調べる物性測定装置、および物性測定方法、並びにその物性測定装置において試料を保持する試料測定用セルに関するものである。

測定対象の物理状態もしくは化学状態を調べるために、紫外線や赤外線、Ｘ線などの電磁波を利用する解析方法が知られている。具体的には、試料に一次電磁波を照射し、それに伴って得られる二次電磁波を測定し、さらにその測定した二次電磁波の測定データを解析することで、測定対象の状態を調べる。例えば、測定対象の局所的な構造解析などを行なうＸＡＦＳ（Ｘ線吸収微細構造：Ｘ−ｒａｙ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｆｉｎｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）法では、測定対象を含む試料に照射する照射Ｘ線（一次電磁波）のエネルギーを変化させ、その変化させたエネルギーに応じて得られるＸ線（二次電磁波）のスペクトルから測定対象の局所的な構造解析を行なう。

上述した解析方法において二次電磁波の測定を行なう物性測定装置は、試料を保持する試料測定用セルと、試料に一次電磁波を照射する光源と、二次電磁波を検出する検出手段と、を備える。これらのうち、試料測定用セルとして、例えば、特許文献１には、流体の試料を撹拌しつつ二次電磁波の測定を行なうことができる試料測定用セルが開示されている。

特開２００６−２６７０１７号公報

しかし、従来の試料測定用セルを用いた物性測定装置では、光路長（電磁波が試料を通過する長さ）の変更が容易ではなかった。それは、従来の試料測定用セルはリジッドであるため、光路長を変更するには試料測定用セルそのものを取り替える必要があるからである。また、試料測定用セルを取り替える手間以前に、光路長の異なる試料測定用セルを複数、用意しなければならないという手間もある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的の一つは、光路長を容易に変更することができる試料測定用セル、およびその試料測定用セルを備える物性測定装置を提供することにある。

また、本発明の別の目的は、測定対象の分析のために、光路長を容易に変更できる物性測定方法を提供することにある。

本発明試料測定用セルは、光源から照射される一次電磁波が測定対象を含む試料を透過することで得られる二次電磁波を測定する物性測定装置の試料測定用セルであって、次の構成を備えることを特徴とする。
・可撓性を有し、上記試料が内部に配置される管体。
・一次電磁波の入射窓を有する第一把持片、および二次電磁波の出射窓を有する第二把持片を有し、両把持片にて上記管体をその径方向から保持する保持体。
・管体を保持する第一把持片と第二把持片との間隔を調整するための間隔調整部材。
この本発明試料測定用セルでは、間隔調整部材で両把持片の間隔を調整することで、管体を変形させて光路長を調整する。

上記本発明試料測定用セルによれば、当該セルに備わる間隔調整部材を調整するだけで、管体の径方向に設定される光路長（具体的には、管体を挟み込む両把持片の並列方向における偏平に押しつぶされた管体の内径）を容易に変更することができる。

本発明試料測定用セルの一形態として、第一抑制部材および第二抑制部材の少なくとも一方を備える形態を挙げることができる。第一抑制部材は、第一把持片と管体との間に配置され、第一把持片の入射窓への管体の膨出を抑制する。また、第二抑制部材は、第二把持片と管体との間に配置され、第二把持片の出射窓への管体の膨出を抑制する。両抑制部材は、電磁波を透過する材質で構成されている。

上記構成によれば、第一抑制部材（第二抑制部材）によって入射窓（出射窓）への管体の膨出を物理的に押さえ込むことができるので、測定時における管体の径方向の変形、即ち光路長の変化を抑制することができる。特に、第一抑制部材と第二抑制部材の両方を用いれば、第一抑制部材第二抑制部材とで管体をその外周側から挟み込んで物理的に押さえ込むことになるので、管体の径方向への変形をより効果的に抑制することができる。

また、本発明物性測定装置は、光源から照射される一次電磁波が測定対象を含む試料を透過することで得られる二次電磁波を測定する物性測定装置であって、本発明試料測定用セルと、一次電磁波を発生させる光源と、二次電磁波を検出する検出手段と、を備えることを特徴とする。

上記本発明試料測定用セルを用いて構成される本発明物性測定装置によれば、当該セルに備わる間隔調整部材を調整するだけで、光路長を容易に変更することができる。

本発明物性測定装置の一形態として、流体である試料を貯留する貯留部と、その流体試料を、貯留部からその外部へ移動させ、再び貯留部に戻させる可撓性循環チューブと、貯留部から可撓性循環チューブ内に流体試料を循環させる送液手段と、を備える形態を挙げることができる。この場合、可撓性循環チューブの一部が、試料測定用セルにおける管路を構成する。

上記構成によれば、流体試料における測定対象の物理状態もしくは化学状態の経時的な変化を調べるための二次電磁波の測定データを得ることができる。例えば、流体試料に酸やアルカリを添加して、流体試料のｐＨを徐々に変化させ、ｐＨに応じた測定対象の物理・化学状態を調べるための測定データを得ることができる。

流体試料を循環測定する本発明物性測定装置の一形態として、装置に備わる送液手段が、無脈動ポンプであることが好ましい。

送液手段を無脈動ポンプとすることで、可撓性循環チューブ内を流れる流体試料の内圧をほぼ一定にすることができるので、当該内圧の変化に伴う可撓性チューブの微妙な変形（即ち、光路長の微妙な変化）を抑制することができる。そのため、本構成によれば、安定した二次電磁波の測定データを得ることができる。

一方、本発明物性測定方法は、光源から照射される一次電磁波が測定対象を含む試料を透過することで得られる二次電磁波を測定する物性測定方法である。そして、本発明物性測定方法は、可撓性を有する管体の内部に前記試料を保持させ、かつ前記管体をその径方向に押しつぶして偏平にすることで、その管体の偏平にされた部分に前記試料の光路長を設定した上で、上記試料に前記一次電磁波を照射し、上記試料を透過した前記二次電磁波を測定することを特徴とする。

上記構成によれば、管体の偏平度合いを変化させるだけで、光路長を変化させることができる。なお、本発明物性測定方法により二次電磁波の測定データを得た後は、適宜な解析処理によって測定対象の物理状態もしくは化学状態を求めれば良い。解析処理に際しては、二次電磁波の測定データの他、少なくとも一次電磁波の照射データと光路長データを利用する。

本発明物性測定方法の一形態として、上記試料は流体試料であり、その流体試料を上記管体内に流通させつつ、上記試料に一次電磁波を照射して、上記試料を透過した二次電磁波を測定する形態としても良い。

上記構成によれば、流体試料における測定対象の物理状態もしくは化学状態の経時的な変化を調べるための二次電磁波の測定データを得ることができる。例えば、流体試料に酸やアルカリを添加して、流体試料のｐＨを徐々に変化させ、ｐＨに応じた測定対象の物理・化学状態を調べるための測定データを得ることができる。

本発明試料測定用セル、およびその試料測定用セルを備える本発明物性測定装置によれば、光路長を容易に変更することができる。

実施形態に記載される本発明物性測定装置の概略図である。 （Ａ）は図１に記載される物性測定装置に備わる試料測定用セルの正面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ断面図、（Ｃ）は（Ｂ）において管体を挟み込む抑制部材を追加した構成を説明する説明図である。

本実施形態では、使用済みのタングステンカーバイド（ＷＣ）切削工具からタングステン（Ｗ）をリサイクルする際に、本発明試料測定用セルを備える本発明物性測定装置を用いた例を説明する。まず、本発明物性測定装置を詳細に説明する前に、Ｗのリサイクルについて述べる。

＜Ｗのリサイクル＞
Ｗは、その産出地域に偏りがあるため、使用済みＷＣ切削工具からＷをリサイクルすることが望まれている。切削工具からＷをリサイクルする方法として、近年、湿式化学処理法が注目されている（ＳＥＩ ＷＯＲＬＤ ２０１１年４月号（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｓｅｉ．ｃｏ．ｊｐ／ｎｅｗｓｌｅｔｔｅｒ／２０１１／０４／３ａ．ｈｔｍｌ）などを参照）。湿式化学処理法では、スクラップを硝酸ソーダの中に入れ、処理炉で熱処理することで、Ｗが溶解した溶融塩溶液（リサイクル処理液）を得る。そして、そのリサイクル処理液をイオン交換カラムに通し、Ｗを回収する。

ここで、リサイクル処理液中のＷは、モノ酸イオンの状態（Ｗは４価）にあるよりもポリ酸イオンの状態（Ｗは６価）にある方が、イオン交換カラムによる回収率が高い。リサイクル処理液中のポリ酸イオン状態のＷをモノ酸イオン状態のＷよりも優勢にするには、当該処理液に酸（例えば、硫酸や塩酸）を添加して処理液を酸性にする必要がある。しかし、酸の添加量によってはＷが化合物として沈殿してしまって、イオン交換カラムによるＷの回収率が低下する恐れがある。そこで、リサイクル処理液中に硫酸を滴下しつつ、当該処理液中のＷの化学状態を経時的に把握し、イオン交換カラムによるＷの回収率を向上させたいというニーズがある。そこで、リサイクル処理液中のＷの化学状態を把握するためのデータを、以下に示す実施形態の物性測定装置を用いて取得する。

＜物性測定装置＞
図１に示すように、本実施形態の物性測定装置１００は、試料測定用セル１と、可撓性循環チューブ２と、送液手段３と、光源４と、検出手段５と、貯留部８と、制御手段９と、を備える。この物性測定装置１００は、光源４から試料測定用セル１に保持される流体試料に一次電磁波４ａを照射し、試料を透過して試料測定用セル１から出てくる二次電磁波４ｂを検出手段５で検出することで、試料中に含まれる測定対象の分析に用いる二次電磁波４ｂのデータを得る透過型のＸＡＦＳ測定装置である。以下、各構成を詳細に説明する。なお、説明の順序は、符番通りではない。

≪制御手段≫
制御手段９は、物性測定装置１００を総合的に制御するものであって、代表的にはコンピュータで構成することができる。コンピュータは、汎用のラップトップコンピュータやデスクトップコンピュータであっても良いし、物性測定装置１００専用のコンピュータであっても良い。この制御手段９が、何をどのように制御するかは、各構成の説明において適宜述べる。

≪光源≫
光源４は、Ｘ線（一次電磁波４ａ）を発生させる装置であって、制御手段９により制御される。例えば、光源４としてＳＰｒｉｎｇ−８などの放射光を発生するＸ線源を挙げることができる。もちろん、回転対陰極を用いた実験室レベルのＸ線発生装置であっても構わない。なお、本実施形態では一次電磁波４ａはＸ線であるが、測定対象や試料の状態に応じて光源４から照射される一次電磁波４ａの種類を変更しても良い。例えば、一次電磁波４ａは、赤外線、可視光線、紫外線、γ線などであっても良い。

≪検出手段≫
検出手段５は、後述する試料測定用セル１の構成部材の一つである管体（後述するように、可撓性循環チューブ２に同じ）を透過した透過Ｘ線（二次電磁波４ｂ）を検出する装置であって、制御手段９によって制御される。例えば、検出手段５としてイオンチェンバーや半導体検出装置を利用することができる。

≪貯留部≫
貯留部８は、測定対象としてＷを含有する流体試料（リサイクル処理液）を貯留する容器である。この貯留部８は、貯留部８内の流体試料を撹拌するための撹拌手段８ｓ（例えば、マグネットスターラー）を備える。ここで、上述したように、本実施形態では流体試料に硫酸を滴下してＷの化学状態を変化させながら流体試料の測定を行なう。そのため、本実施形態の物性測定装置１００は、貯留部８内の流体試料に硫酸を滴下する滴下手段６と、貯留部８中の流体試料のｐＨを測定するｐＨメータ７と、を備えている。滴下手段６とｐＨメータ７は制御手段９に接続されており、制御手段９は、ｐＨメータ７の測定結果に基づいて滴下手段６を制御する。もちろん、制御手段９は撹拌手段８ｓも合わせて制御しても構わない。

≪可撓性循環チューブ≫
可撓性循環チューブ２は、貯留部８からその外部に流体試料を移動させ、再び貯留部８に戻させる循環路である。可撓性循環チューブ２は、つなぎ目の無い一連長の管路であることが好ましい。さらに、可撓性循環チューブ２の径もチューブ２の長手方向にわたって一様であることが好ましい。このような構成であれば、可撓性循環チューブ２内に流通させる流体試料の流れを円滑にすることができ、仮に酸の滴下によって試料中にＷの沈殿が生じたとしても、その沈殿が循環路内に滞留することがない。

可撓性循環チューブ２は、後述する試料測定用セル１の保持体１０に挟まれることで弾性変形する材質で構成され、かつＸ線を吸収し難い材質で構成する。例えば、本実施形態の場合、ポリエチレン、ポリプロピレンなどの可撓性循環チューブ２を構成することができる。もちろん、一次電磁波４ａの種類によって、可撓性循環チューブ２の構成材質は適宜変更する。

≪送液手段≫
送液手段３は、貯留部８から可撓性循環チューブ２内に流体試料を循環させるポンプなどで構成する。特に、送液手段３として、無脈動ポンプを利用することが好ましい。その理由は後述する。

≪試料測定用セル≫
図２（Ａ）は、試料測定用セル１の正面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ断面図である。これら図２（Ａ），（Ｂ）に示すように、本実施形態の試料測定用セル１は、可撓性循環チューブ２の一部を保持する保持体１０を備える。保持体１０は、一次電磁波４ａの入射窓１１ａを有する第一把持片１０ａ、および二次電磁波４ｂの出射窓１１ｂを有する第二把持片１０ｂを備え、これら両把持片１０a，１０ｂによって可撓性循環チューブ２の一部を挟み込んで押しつぶすことで保持する。つまり、本実施形態では、可撓性循環チューブ２のうち、保持体１０に挟み込まれている部分も含めて試料測定用セル１である。

光源４から照射された一次電磁波４ａは、第一把持片１０ａの入射窓１１ａから入射し、両把持片１０ａ，１０ｂの間に挟まれる可撓性循環チューブ２を透過して第二把持片１０ｂの出射窓１１ｂを抜ける。その過程で、測定対象を含む試料により、一次電磁波４ａが減衰され、二次電磁波４ｂになる。つまり、両把持片１０ａ，１０ｂに挟まれ、偏平に押しつぶされた可撓性循環チューブ２の内径が光路長となる。

また、試料測定用セル１は、第一把持片１０ａと第二把持片１０ｂとの間隔を調整する間隔調整部材を備える。本実施形態では、間隔調整部材は、両把持片１０ａ，１０ｂの間に配置され、両把持片１０ａ，１０ｂの間隔を規定するスペーサ１２，１２である。このスペーサ１２，１２を両把持片１０ａ，１０ｂの間に挟み込んで両把持片１０ａ，１０ｂをネジなどで締め付けることによって、両把持片１０ａ，１０ｂに挟まれる可撓性循環チューブ２の偏平度合いが調整される。つまり、当該スペーサ１２，１２の厚さを変えるだけで、容易に光路長を変更することができる。なお、間隔調整部材として、ボールネジなどのネジ軸のみで両把持片１０ａ，１０ｂの間隔を調整する構成を採用しても良い。

上記スペーサ１２，１２は、単に第一把持片１０ａと第二把持片１０ｂとの間隔を調整する部材であって、ブロック状や板状などの単純な形状とすることができ、そのため精度良く作製することが容易である。つまり、本発明の構成とすることで、従来のように複数の試料測定用セルを用意するよりも製造面、コスト面で有利となる。

ここで、図２（Ｂ）に示すように、管体２は窓１１ａ，１１ｂの位置で外周側から抑えられていないため、可撓性循環チューブ２の内部を流れる流体試料の内圧によって微小に変形する恐れがある。この微小な変形を抑制する手段として、送液手段３を無脈動ポンプとすることが有効である。無脈動ポンプであれば、可撓性循環チューブ２内の内圧がほぼ一定となるからである。

測定時の可撓性循環チューブ２の微小な変形を抑制するための手段として、無脈動ポンプを利用する以外に、試料測定用セル１において可撓性循環チューブ２の径方向寸法の変化を物理的に抑制する部材を追加しても良い。具体的には、図２（Ｃ）に示すように、第一把持片１０ａと可撓性循環チューブ２との間に配置され、第一把持片１０ａの入射窓１１ａへの可撓性循環チューブ２の膨出を抑制する第一抑制部材１３ａと、第二把持片１０ｂと可撓性循環チューブ２との間に配置され、第二把持片１０ｂの出射窓１１ｂへの可撓性循環チューブ２の膨出を抑制する第二抑制部材１３ｂと、を備える構成とする。これら抑制部材１３ａ，１３ｂは、入射窓１１ａと出射窓１１ｂを塞ぐように配置されるため、Ｘ線を吸収し難い材質で構成する必要がある。また、抑制部材１３ａ，１３ｂは、可撓性循環チューブ２の微小な変形を物理的に抑制するために設けられるものであるため、所定の剛性を有する材質で構成する必要もある。そのような材質としては、例えば、ポリカーボネートやダイヤモンドなどを挙げることができる（本実施形態ではポリカーボネートを使用）。

上述した無脈動ポンプや抑制部材１３ａ，１３ｂを用いた構成によれば、可撓性循環チューブ２内を流れる流体試料の内圧による可撓性循環チューブ２の変形を物理的に抑制でき、光路長を精度良く維持することができる。

≪その他の構成≫
本発明物性測定装置１００は、一次電磁波４ａの強度モニタ（図示せず）を備えることが好ましい。電磁波の強度は波長依存性を有するため、光源４から照射される一次電磁波４ａの強度が経時的に変化する場合があるからである。そこで、光源４と試料測定用セル１との間に、例えばイオンチェンバーなどの透過型の強度モニタを配置し、一次電磁波４ａの強度のモニタ結果を用いて、二次電磁波４ｂの測定結果を適宜補正する。この強度モニタを配置した物性測定装置１００では、光源４から照射され、強度モニタを透過した電磁波が一次電磁波４ａとして試料に照射される。

＜Ｗの測定＞
以上説明した物性測定装置１００でＷの化学状態を把握するために、二次電磁波４ｂの測定データを得るには、図１に示すように、撹拌手段８ｓで貯留部８内の流体試料を撹拌しつつ、滴下手段６から硫酸（酸であれば良く、例えば塩酸でも良い）を滴下して、ｐＨメータ７で流体試料のｐＨを把握しながら流体試料を徐々に酸性にしていく。また、送液手段３を動作させて、可撓性循環チューブ２に流体試料を循環させつつ、光源４から一次電磁波４ａを照射し、可撓性循環チューブ２を透過した二次電磁波４ｂを検出手段５で検出する。検出手段５によって得られた二次電磁波４ｂの測定データは、制御手段９に設定されている公知の適宜な解析方法によって解析され、その解析結果に基づいてＷの化学状態がリアルタイムで把握される。流体試料におけるＷの状態がイオン交換カラムによるＷの回収に最適な状態となったら物性測定装置１００を停止し、流体試料をイオン交換カラムに通してＷを回収すると良い。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるわけではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更して実施することができる。

本発明試料測定用セル、およびその試料測定用セルを用いた本発明物性測定装置、並びに本発明物性測定方法は、測定対象の物理状態もしくは化学状態を調べることに好適に利用可能である。

１００ 物性測定装置
１ 試料測定用セル
１０ 保持体
１０ａ 第一把持片 １１ａ 入射窓 １０ｂ 第二把持片 １１ｂ 出射窓
１２ スペーサ（間隔調整部材）
１３ａ 第一抑制部材 １３ｂ 第二抑制部材
２ 可撓性循環チューブ（管体）
３ 送液手段
４ 光源 ４ａ 一次電磁波 ４ｂ 二次電磁波
５ 検出手段
６ 滴下手段
７ ｐＨメータ
８ 貯留部 ８ｓ 撹拌手段
９ 制御手段

Claims (7)

1. 光源から照射される一次電磁波が測定対象を含む試料を透過することで得られる二次電磁波を測定する物性測定装置の試料測定用セルであって、
   可撓性を有し、前記試料が内部に配置される管体と、
   前記一次電磁波の入射窓を有する第一把持片、および前記二次電磁波の出射窓を有する第二把持片を有し、両把持片にて前記管体をその径方向から保持する保持体と、
   前記管体を保持する前記第一把持片と第二把持片との間隔を調整するための間隔調整部材と、
   を備え、
   前記間隔調整部材で両把持片の間隔を調整することで、前記管体を変形させて光路長を調整することを特徴とする試料測定用セル。
2. 前記第一把持片と前記管体との間に配置され、前記第一把持片の入射窓への前記管体の膨出を抑制する第一抑制部材、及び、
   前記第二把持片と前記管体との間に配置され、前記第二把持片の出射窓への前記管体の膨出を抑制する第二抑制部材の少なくとも一方
   を備え、
   前記抑制部材は、電磁波を透過する材質で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の試料測定用セル。
3. 光源から照射される一次電磁波が測定対象を含む試料を透過することで得られる二次電磁波を測定する物性測定装置であって、
   請求項１または２に記載の試料測定用セルと、
   前記一次電磁波を発生させる前記光源と、
   前記二次電磁波を検出する検出手段と、
   を備えることを特徴とする物性測定装置。
4. 流体である前記試料を貯留する貯留部と、
   前記流体試料を、前記貯留部からその外部へ移動させ、再び前記貯留部に戻させる可撓性循環チューブと、
   前記貯留部から前記可撓性循環チューブ内に前記流体試料を循環させる送液手段と、
   を備え、
   前記可撓性循環チューブの一部が、前記試料測定用セルにおける管路を構成することを特徴とする請求項３に記載の物性測定装置。
5. 前記送液手段が、無脈動ポンプであることを特徴とする請求項４に記載の物性測定装置。
6. 光源から照射される一次電磁波が測定対象を含む試料を透過することで得られる二次電磁波を測定する物性測定方法であって、
   可撓性を有する管体の内部に前記試料を保持させ、かつ前記管体をその径方向に押しつぶして偏平にすることで、その管体の偏平にされた部分に前記試料の光路長を設定した上で、前記試料に前記一次電磁波を照射し、前記試料を透過した前記二次電磁波を測定することを特徴とする物性測定方法。
7. 流体の前記試料を前記管体内に流通させつつ、前記試料に前記一次電磁波を照射して、前記試料を透過した前記二次電磁波を測定することを特徴とする請求項６に記載の物性測定方法。

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