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分析機器解説シリーズ(59) ・・・・・・・・・・・・・・・・ 1
レーザーラマン・ブリルアン分光器
平成9年装置利用状況・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 7
お知らせ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・10
CENTER OF ADVANCED INSTRUMENTAL ANALYSIS
KYUSHU UNIVERSITY
★ 分析機器解説シリーズ(59)★
レーザーラマン・ブリルアン分光器
理学部物理学科 武 田 信 一・川 北 至 信
1.はじめに
単一振動数νi のレーザー光を物質に照射し、入射方向と異なる方向に散乱されてくる光を分
光器を通して観測すると、入射光と同じ振動数νi を持つレイリー散乱(Rayleigh scattering)
の他に、νi±νR の振動数を与えるラマン散乱(Raman scattering)が得られる。この内、元
のレーザー光より低い振動数の成分をストークス(Stokes)散乱、高い振動数の成分をアンチ
ストークス(anti-Stokes)散乱と呼ぶ。また入射レーザー光に対する±νR の振動数のシフト
のことをラマンシフトと呼び、この±νR を光速度 c で割った波数を用いてラマンシフトを議論
することが多い。図 1(a)は
例としてエタノールのラマン
スペクトルを表している。1)
このラマン散乱は、入射
レーザー光が物質との間で h
νR(ここで、h はブランク定
数)のエネルギーのやり取り
を行う非弾性光散乱である。
我々が興味のある液体系で
は、ラマン散乱は通常分子原
子の振動状態に起因するもの
である。また、通常のラマン
分光器が対象としているラマ
ンシフト領域よりもさらに低
波数側、つまり入射レーザー
光の振動数にごく近い波数領
域には、より低エネルギーで
励起される集団協力現象に起
因する散乱か見られるが、こ
れをブリルアン散乱と呼ぶ。
−2−
液体に関して、このブリルアン散乱は、音波と光の共鳴によって生じ、そのシフト量や波数幅
は巨視的な物性量、例えば音速、圧縮率、粘性、音波減衰などと関係している。図 1(b)はエ
タノールのレイリー散乱とブリルアン散乱を示している。2)また、二液相分離の臨界現象や、気
液共存における臨界点近傍などでは、微視的な密度揺らぎがメゾスコピックなスケールヘと拡
がっており、このような場合にもレイリー散乱、ブリルアン散乱に異常が見られる。特に臨界
点におけるレイリー散乱強度の増大は臨界たんぱく光として良く知られており、ブリルアン散
乱に関係する圧縮率などにも異常が見られる。Kawase らがこのレイリー散乱強度とブリルアン
散乱強度の比の議論から、ヘキサン−メタノール混合系において二液相分離のスピノーダル線
を決定している。3)さらに、固体中においても表面弾性波など低励起モードがブリルアン散乱と
して観測されている。4)
2.計測システムとその特徴
本装置は、高波数ラマンシフト領域を計測する簡易型 CCD ラマン分光器を設置したラマン散
乱計測部と、低波数ラマンシフト領域を計測するファブリペロー干渉計を設置したブリルアン
散乱計測部の両光学系を切り替えて使用することができ、最適な条件で広範囲な波数領域を測
定可能としている。測定システムの光学系を図 2 に示す。レーザーにはエタロンによるモードロ
ック機能がついた Ar イオン・レーザーを用い、514.5nm の単一波長、最大出力 1.7W の光を利
用している。レーザー光は図 2 の位置可変ミラーA を使って、3 方向に光路を変えることができ、
−3−
光路①では試料に対して 180 度の後方散乱配置、光路②では試料に対して 90 度散乱の分光測定
が可能である。ラマン分光器およびファブリペロー干渉計の光学調整を行うための光路として
光路③を利用する。また位置可変ミラーB を使って、試料での散乱光をラマン分光器もしくは
ファブリペロー干渉計へと導く。
簡易型 CCD ラマン分光器について解説する。この分光器は焦点距離 320mm の光学系を有し、
1200 本/mm と 150 本/mm の回折格子を切り替えて使用する。回折格子で分散してきた光を
1024×256chns(素子サイズ 24μm×24μm)の液体窒素冷却型 CCD カメラにより計測する。
もちろん回折格子の角度を変えることにより、見たいラマンシフト領域を移動することも可能
である。この方式は、分解能こそ約 10cm-1 と犠牲にしているが、興味のあるラマンシフト領域
を一度にスペクトル収集できるため、度々高温での測定を余儀なくされる液体系の測定には、計
測時間を短縮する上でも、またレーザー光照射による試料の温度変化の影響等を考慮しても好
都合である。この分光器では強いレイリー散乱光の影響を除去するため、100cm-1 以下のラマ
ンシフト領域をノッチフィルターによりカットしている。
ファブリペロー干渉計はタンデム型マルチパス光学系を有するサンダーコック型干渉計であ
る。ファブリペロー干渉計とは 2 枚の平行なエタロン板に散乱光を通すことで、強め合う干渉光
のみを取りだし、光電子増倍管により強度を計測するものである。通常、エタロン板の間隔を
ピエゾ素子を用いて変えることにより、あるいはエタロン板の間の気体を圧力変化させて屈折
率を変えることにより、波数の掃引を行う。本装置ではピエゾ素子を用いている。ファブリペ
ロー干渉計の性能は、自由スペクトル領域(干渉光の隣り合う次数の間で重なりなくスペクト
ルを分離できる領域)とフィネス(自由スペクトル領域と最小分解波数幅との比)
、コントラス
トによって表される。本装置では、自由スペクトル領域を大きく取るために、2 組のエタロンを
用いている。タデムシステムではふつう安定した同期掃引が困難であるが、サンダーコック型
では 2 組のエタロンの掃引側のミラーを共通の掃引ステージに乗せ、一つのピエゾ素子で掃引す
る機構を有しており、この難点を克服している。5)さらにコントラストを上げるために、干渉光
をコーナーキューブを使って折り返すことにより、同一のエタロン板を 3 回通過させ、3+3 の
マルチパス化を行っている。これらの結果として、測定波数領域 500cm-1 以下、コントラスト
1010 以上の性能を有する。フィネスはエタロンの反射率、面精度、ピンホールの径などで決まる
が、本装置ではフィネス 100 以上が実現可能な設計となっている。
3.ラマンシフト、ブリルアン散乱から何が分かるか
液体におけるラマンシフトは、分子振動のモード間の遷移から生じる。しかし、実際のとこ
ろ測定されたスペクトルのラマンピークをどの振動モードに同定するかは、なかなか難しい問
−4−
題である。分子形状の良く分かった、つまり分子の対称性が分かった分子性液体の場合、偏光
ラマン分光測定を試みれば、振動モードの対称性についてのある程度の情報を得ることができ
る。また一般に赤外吸収スペクトルが相補的なデータとして扱われている。我々が関心をもつ
液体系は、むしろ溶融塩や分子間の相互作用の強い液体半導体であり、このような場合振動モー
ドの同定は一般に困難である。しかし、回折実験から得られる静的構造に関する情報を基にし
て、ラマン散乱の温度変化、圧力変化、多成分液体の場合は組成変化を調べることにより、液
体中での原子・分子運動の知見を得ることができる。
一方、ブリルアン散乱については、シフトや半値幅などが、マクロな物性量と結びついてい
る。ブリルアン散乱の波数シフトは次のように表せる。
Δνi = ±
q=
qvs
2π
4π n sin(θ/2)
λi
ここでは vs は液体中の音速、n は屈折率、λi は入射光の波長、θは入射光と散乱光の波数ベク
トルがなす角度を表す。またブリルアン散乱の半値全幅Γは次のように粘性と関わりをもつ。
Γ=
q2 (γ− 1)
4

K + ηS +ηB 

2πρ Cp
3

ここでρは液体の密度、γは定積比熱 Cv と定圧比熱 Cp との比、K は熱伝導率、ηs はずり粘性
率、ηB は体積粘性率である。括弧の中身は音波吸収係数α/f2 と比例する量である。従って、熱
伝導率測定、粘性測定を独立して行い、体積粘性を求めることがしばしば行われている。この
体積粘性に関する明快な物理的説明はまだなされていないように思われる。
最後に当研究室でレーザーラマン・ブリルアン分光計を用いて現在進めている研究を紹介す
る。液体セレンは、融点直上で 105 個程度の原子から構成される単体の鎖状高分子である。塩素
を添加した混合系(Se 1-X Cl X )は Cl-(Se) n -Cl の形の側鎖を持たない鎖状分子を形成しており、
組成を変えることにより鎖長をコントロールすることができる。即ち、平均鎖長は<n>=2/x-2
で与えられる。1:1 組成では Se2C12 分子から成る分子性液体であるが、中性子回折による静的
構造の解析から、分子間の配向相関が非常に強い物質であることか分かっている。これまで、液
体 S2C12、S2Br2、Se2C12、Se2Br2 を対象とした中性子準弾性散乱測定を行い、分子性液体の動的
構造を調べてきた。その結果、カルコゲン−カルコゲン結合に対するハロゲン原子の回転振動
に関わる分子内緩和モードと、分子の並進拡散に関わると考えられるより遅い分子間緩和モー
ドを観測した。これらの系について、ラマン分光により分子振動の状態を求め、分子間配向相
関の強さが分子振動に与える影響を調べようとしている。また、ブリルアン散乱測定からは、音
−5−
速や粘性など巨視的な物性量が得られるので、中性子散乱から得られた密度緩和の相互拡散係
数がアインシュタイン則に合致したものなのかどうか、など液体のダイナミクスについてさら
なる知見を得たい。現在ファブリペロー干渉系の光軸調整がより行いやすい光学系に設計変更
を行っている途中であり、これらの混合系の測定に関して準備を進めている。
4.参考文献
1)
「ラマン分光法」濱口 宏夫、平川暁子編(学会出版センター)
2)S.Kawase,K.Maruyama private communication
3)S.Kawase,K.Maruyama,S.Tamakiand H.Okazaki;J.Phys.:Condens.Matter
6(1994)10237
4)吉原 章 まてりあ 第 34 巻 第 5 号(1995)594.
5)高木康成 分光研究 第 43 巻 第 5 号(1994)318.
−6−
★ 平成9年 装置利用状況 ★
中央分析センター装置利用状況(筑紫地区)
(平成9年1月∼12月)
No.
セ ン タ ー 機 器 名
1
高周波 2 極スパッタ装置
2
件 数
時 間
16
164
ラバープレス
0
0
3
真空蒸着装置
13
30
4
雰囲気中液体急冷装置
7
39
5
オージェ分析装置
100
317
6
セイコー熱分析装置
21
33
7
レーザー粒径解析装置
80
170
8
超高圧物性測定装置
0
0
9
集中法粉末X線回折計
18
29
10
4 軸型自動X線回折計
10
1164
11
島津X線回折計
0
0
12
蛍光X線分析装置
39
66
13
ラウエカメラ
7
12
14
超伝導核磁気共鳴装置
15
28
15
FT−IR
70
42
16
エネルギー分散型X線回折計
40
120
17
トンネル顕微鏡
49
122
18
エスカ表面分析装置
67
574
No.
1
登 録 機 器 名
FX100-FT-NMR
件 数
16
−7−
時 間
32
中央分析センター工学分室利用状況
(平成9年1∼12月)
セ
ン
タ
ー
機
器
名
件 数
時 間
超伝導核磁気共鳴吸収装置
649
1,287
ICP質量分析装置
127
386.3
1,227
1,303
エネルギー分散型X線分析装置
132
230
走査型電子顕微鏡
592
570.5
走査型プローブ顕微鏡
317
1,207
フーリエ変換赤外分光光度計
308
403.5
高速液体クロマトグラフ
107
287
熱分析システム
179
570
ミクロフォトメーター
223
254.5
表面張力測定装置
56
49
材料試験機
69
27
カールフィッシャ水分計
69
59
イオンコーティング装置
54
35
X線回折計
登
録
機
器
名
管
理
件
数
時
間
超伝導核磁気共鳴吸収装置(AC-250P)
生体機能化学
2,258
2,295
超伝導核磁気共鳴吸収装置(AMX500)
生体機能化学
1,134
1,180
質量分析計
生体機能化学
93
156
ピコ秒蛍光寿命測定装置
機能物性化学
1
6
円二色分散計
バイオミメティクス
核磁気共鳴吸収装置(R-24B)
バイオプロセス化学
核磁気共鳴吸収装置(R-600)
143(19)
1,018(27)
13
8
機能設計化学
723
182
ガスクロマトグラフ質量分析計
機能設計化学
7
6
精密天秤
機能設計化学
33
7
−8−
登
録
機
器
名
管
理
件
数
時
超高分解能走査型電子顕微鏡
機能物性化学
414
高速比表面積・細孔分布測定装置
機能物性化学
106(4)
レーザーラマン分光光度計
機能物性化学
透過型電子顕微鏡
分子組織化学
X線構造解析装置
分子組織化学
60(21)
分光蛍光光度計
分子情報化学
90
X線回折計
化学プロセス・生命工学
726(20)
172
(
−9−
1,600
53(60)
1,362
間
184(118)
818
430(55)
80
1,735
)は外部利用
★★★ お
知
ら
せ ★★★
(1) 新設装置の紹介
超高感度示差走査熱量計(筑紫地区)
型
式:セイコー電子工業㈱ DSC6100
測定温度範囲:−150∼500℃
熱流計測方式:熱流束型
感
度:0.2μW
昇降温プログラム速度:0.01∼20℃/min
最大試料量:密封容器 70μl
試料容器の種類:
〈密封型〉
Ag
15μl、70μl
Al
15μl、70μl
SUS 15μl、70μl
〈簡易密封型〉
Al
15μl
利 用 料 金:1 件当り 2,000 円
○試料容器は各研究室で用意して下さい。
○この装置は超高感度ですので、普通の物質の測定には向きません。この場合は、従来
からの熱分析装置(DSC20、DTA30)を御使用下さい。
(2) 新規登録装置
① 装
型
置
名:二次イオン質量分析装置
式:セイコーインスツルメンツ㈱SIMS 生 000
設 置 場 所:中央分析センター202 号室
管 理 講 座:機能無機材料工学教育分野
装 置 管 理 者:江口 浩一
管 理 責 任 者:江口 浩一
利 用 料 金:担当オペレーターに依頼 10,000 円から/1 件
装 置 の 性 能:一次イオン系(ウィットマークイオン源)
ビームエネルギー:0.5keV∼15KeV
最大ビーム密度:100mAcm-2
一次イオン系(セシウムイオン源)
ビームエネルギー:0.5keV∼15KeV
−10−
最大ビーム密度:30mAcm-2
検出器
質量分析器:高分解能・高輝度四重極マスフィルタ
質量レンジ:1∼245amu
検出器:チャンネルトロン
試料部
試料ホルダ:φ35mm、6 試料装着、直線移動可、360°回転、試料傾
斜 0∼85°(ユーセントリック)
試料観察部
光学像観察:CCD カメラ付光学顕微鏡
イオンビーム像観察:二次イオン像、吸収電流像、二次電子像
電子ビーム像観察:吸収電流像、二次電子像
ソフトウェア(OS:Macintosh System 7.1)
広範囲のマススペクトル、マトリスクゲート、複数の元素につい
ての線分析・探さ方向分析、二次元及び三次元二次イオン像、二
次イオンのリアルタイムモニタが可能
平滑化、演算処理、深さ軸構成、画像処理が可能
登録開始時期:1998 年 4 月 1 日
② 装
型
置
名:ICP 発光分析装置
式:セイコーインスツルメンツ㈱ SPS1700HVR
設 置 場 所:中央分析センター307 号室
管 理 講 座:機能無機材料工学教育分野
装 置 管 理 者:江口 浩一
管 理 責 任 者:江口 浩一
利 用 料 金:依頼者が利用 2,500 円から/1 件
装 置 の 性 能:光学系(主分光器)
形式:モノクロメ一夕
マウンティング:ツェルニターナ、光路長 1000mm
分光素子:ホログラフィック平面開設格子 110mmx135mm
波長範囲:160∼500nm
検出器:光電子倍増管
入口/出口スリット:10、20、30、60μm から選択
−11−
光学系(副分光器)
形式:モノクロメ一夕
光路長:500mm
分光素子:ホログラフィック平面開設格子
波長範囲:190∼800nm
検出器:光電子倍増管
入口/出口スリット:20、40μm から選択
試料導入部
プラズマトーチ:三重管、石英製
ネブライザ:同軸型、パイレックス硝子
高周波電源部
発振器:水晶発振器(27.12MHz)
出力:0.5∼1.8Kw 可変
ソフトウェア(OS:MS−DOS)
定性分析において 70 元素以上の多元素同時定性分析が可能
シーケンシャル分析、波長固定分析の双方において、検量線法、標準
添加法、内標準法が可能
登録開始時期:1998 年 4 月 1 日
③ 装
型
置
名:表面形状測定装置
式:日本真空技術㈱ DEKTAK3
設 置 場 所:中央分析センター202 号室
管 理 講 座:機能無機材料工学教育分野
装 置 管 理 者:江口 浩一
管 理 責 任 者:江口 浩一
利 用 料 金:依頼者が利用 2,000 円から/1 件
装 置 の 性 能:測定部
垂直範囲:10nm∼65,5μm
垂直解像度:1nm
測定距離範囲:50μm∼30mm
触針:ダイヤモンド触針(半径 12.5μm)
触針追跡力:調整可能(0.01∼0.4mN)
最大試料厚さ:20mm
−12−
最大試料重量:0.5kg
試料観察部
ビデオカメラ:×35∼×200 ソリッドステート・ビデオズーム光学系ソ
フトウェア(MS−Windows3.1)
粗さ・うねり・段差・形状測定等解析プログラム
登録開始時期:1998 年 4 月 1 日
④ 装
型
置
名:Ⅹ線吸収スペクトル測定装置
式:㈱リガク R−EXAFS2000T/F
設 置 場 所:中央分析センター202 号睾
管 理 講 座:無機光機能材料工学教育分野(森永研究室)
装 置 管 理 者:武部 博倫
管 理 責 任 者:武部 博倫
利 用 料 金:担当オペレーターに依頼 10,000 円から/1 件
装 置 の 性 能:Ⅹ線発生装置部
ターゲット:Mo
電子銃:LaB6、W
最大定格:18kW(40kVx450mA)
光学系
分光方法:湾曲結晶集光分光型 1 結晶法
ローランド円半径:320mm
分光結晶:Ge(111)、Ge(220)
、Ge(311)
、Ge(840)から選択
Ⅹ線光路:大気中
測定範囲(2θ)
:30∼120°(最少送り角;0.01°/パルス以下)
検出器
入射Ⅹ線検出器:封入型比例計数管(Ne、Ar から選択)
透過Ⅹ線検出器:2”−SC(シンチレーションカウンタ)
蛍光Ⅹ線検出器:Ge−SSD(検出有効面積 500mm2)
試料室
透過法及び蛍光法により測定
In situ セルによる試料冷却及び加熱が可能(−180℃∼400℃)
ソフトウェア(OS:HP−UX)
EXAFS 振動抽出、(逆)フーリエ変換、カーブフィッティング、EXAFS
−13−
シミュレーション、FEFF インターフェイス等プログラムを装備
循環水送水装置、防Ⅹ線カバー、緊急停止ボタン
登録開始時期:1998 年 4 月 1 日
⑤ 装 置 名(型式):レーザーラマン分光光度計(日本分光㈱、NRS−2000)
設 置 場 所:中央分析センター307 号室
管 理 講 座:杉崎研究室
装 置 管 理 者:杉崎 昌和
管 理 責 任 者:杉崎 昌和
担当オペレーター:坂本寛(内線 3775)
利 用 料 金:2,000 円/1 件
装 置 の 性 能:1. レーザー光源は 488nm、514.5nm の発振波長を有する Ar イオンレー
ザーで出力は 2W。ビーム直径は 1.5mm。
2.顕微測定およびマクロ測定が可能。顕微測定の場合、最小ビーム径
は 1μm 以下。
3.外部試料室において in-Situ 顕微およびマクロ測定が可能。顕微測
定の場合最小ビーム径は 10μm。
4.分光器:焦点距離 400mm。駆動波数範囲 23000∼11000cm-1。分解
能±1cm-1 以下。
5.パーソナルコンピューターによる in−Situ データー処理。
登録用開始時期:平成 10 年 4 月 1 日
⑥ 装
型
置
名:高性能走査顕微鏡
式:日本電子㈱製 JSM−6340F/−5310
設 置 場 所:中央分析センター201 号室
管 理 講 座:物質理工学専攻機能材料物性学講座、構造材料物性学講座
装 置 管 理 者:三浦 則雄、中島 英治
装 置 責 任 者:三浦 則雄、中島 英治
利 用 料 金:依頼者が使用 1 件当たり 3,000 円、1 時間当たり 1,000 円
ビデオプリンターを使用の場合は用紙を、ポラロイドカメラを使用の場
合はフィルムを持参
装 置 の 性 能:SEM 日本電子㈱製
二次電子像分解能 1.2nm(15kV)
2.5nm(1kV)
−14−
加速電圧 0.5∼2.9kV(10V ステップ)
2.9∼30kV(100V ステップ)
レンズ系 電磁 4 段レンズ
試料ホルダ 12.5mmφ×10mmH、26mmφ×10mmH
表示系観察用 17 インチ高分解能 CRT
撮影用 5 インチ高分解能 CRT
デジタル画像最大 2,048×2,048 画素
EDS NORAN INSTRUMENTS 社製
B 以上、点、線、面分析
EBSP TexSEM Lab.社/日本電子㈱製
解析エリア 0.1μm 以上
登録開始時期:1998 年 5 月 1 日
⑦ 装 置 名(型式):動的赤外吸収分析装置
(米国及び日本バイオ・ラッドラボラトリーズ㈱、特注品)
設 置 場 所:中央分析センター
管 理 講 座:根本研究室
装 置 管 理 者:根本 紀夫
装 置 責 任 者:根本 紀夫
担当オペレーター:高田 晃彦(内線 3823)
利 用 料 金:5,000 円から/1 件
装 置 の 性 能:1.測定波数範囲 6000∼50cm-1
2.スキャンスピード
高速スキャンモード 60 スペクトル/秒以上
ステップスキャンモード 4×10-3∼800 ステップ/秒
3.最高分解能 0.075cm-1
4.応力負荷周波数範囲 5Hz∼2KHz
登録用開始時期:平成 10 年 4 月 1 日
−15−
ダウンロード

Vol.16, No.1(1998)