大型放射光施設SPring-8 産業利用ビームラインにおける自動計測システムの開発

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"他社製品との連携が容易にできたのもLabVIEWの柔軟性によるものだと改めて実感した。自動光学機器調整システムにおいて、光学調整の時間を約50%短縮することができた。また自動XAFS測定システムにおいても効率が大幅に向上し時間が短縮された。"

- 谷口 陽介 氏, 財団法人 高輝度光科学研究センター(JASRI/SPring-8)産業利用推進室

The Challenge:

  1. 光学系機器調整の課題
    従来の光学系機器の調整は、10項目以上に及ぶ各光学機器を位置調整するための計測(スキャン)範囲と結果を測定者の判断に委ねていたため、熟練者が操作しなければならなかった。
  2. XAFS測定の課題
    従来の試料交換方法では試料毎に実験ハッチ(放射線遮蔽設備が整った部屋)に 出入りしなければならないため、測定者がビームラインから片時も離れる事ができず、負担が大きかった。

The Solution:
自動光学機器調整システムと自動XAFS測定システムをLabVIEWを用いて構築。調整から測定までの自動化を実現することができた。

Author(s):
谷口 陽介 氏 - 財団法人 高輝度光科学研究センター(JASRI/SPring-8)産業利用推進室

1. 背景
大型放射光施設SPring-8*1の産業利用は幅広い業種に拡大しており、高輝度放射光を用いた世界最高の計測・分析技術は、企業におけるものづくりのための材料評価において今や必須のものとなってきている。産業利用ⅡビームラインBL14B2は、XAFS*2と呼ばれる実験手法専用のビームラインであり、多くの企業や大学等の研究者が様々なテーマで日々実験を行っている。放射光を使って限られた時間の中でより多くの試料を正確に測定することは優れた成果を創出するためには必要不可欠であるが、従来のシステムでは複雑な機器調整や実験操作をユーザが手動で行う必要があり、熟練者以外には敷居が高いことが問題となっていた。これを打開するため、筆者らはBL14B2において、これまで手動で行う必要があった作業の大部分を自動化した、効率的でユーザフレンドリーなシステムを開発した。

*1:放射光とは、高エネルギーの電子が磁場で曲げられるとき、その進行方向に放射される電磁波のことである。放射光は明るく、指向性が高く、また光の偏光特性を自由に変えられるなどの優れた特徴を持っている。大型放射光施設SPring-8は、従来のX線発生装置の1億倍もの高輝度X線を得ることができる大型の実験施設である。巨大な蓄積リングの周囲には、ビームラインと呼ばれる実験ステーションがリングの接線方向に設置されている。

*2:X線を物質に照射すると、原子がX線を吸収して光電子を放出する。このX線を吸収するエネルギーを吸収端という。放出された光電子の波が隣接する原子で散乱し干渉し合うことによりX線吸収スペクトルに物質特有の振動が現れる。この振動を解析し、特定の原子に隣接する原子との距離や両者の相互作用の様態を観測する手法がXAFS(X線吸収微細構造:X-ray Absorption Fine Structure)である。吸収端エネルギーは元素に固有のため、XAFSは元素選択的に観測することができる。

2.  課題
放射光実験は利用機会が限られているため、以下の光学機器調整作業とXAFS測定を独力で遂行できる熟練したユーザはほとんどいない。実験の遂行にあたっては担当職員の全面的な技術支援が必要であった。

【光学系機器調整の課題】
試料に任意のエネルギーのX線を照射するには、測定元素の吸収端に応じて多くの機器のパラメータを上流から順に調整する必要がある(図1)。従来の光学系機器の調整(以下、光学調整)は、図2に示すように10項目以上に及ぶ各光学機器を位置調整するための計測(スキャン)範囲と結果を測定者の判断に委ねていたため、熟練者が操作する必要があった。

 

図1 BL14B2機器構成図

図2 光学機器調整フローチャート

【XAFS測定の課題】
測定の際、放射線防護の必要から試料及び測定装置は実験ハッチと呼ばれる放射線遮蔽設備が整った部屋に置かれる。試料位置調整は、光軸上に試料重心位置が一致するように手動で調整する必要があるため、試料交換毎に実験ハッチに出入りする必要があり、この調整作業には2分程度を要する。標準的な試料をXAFS測定する場合、数分程度での測定が可能であるが、試料毎に実験ハッチに出入りする従来の試料交換方法では測定者がビームラインから片時も離れる事ができず、負担が大幅に増加するばかりでなく、測定能率の律速にもなっていた。

3. ソリューション
上記における課題を解決するため、NI社製LabVIEWにて自動計測システムの開発を行った。

3-1. システム構成
制御系各機器は光学ハッチ(光学系機器を配置)と実験ハッチ(データ集録用計測器、試料を配置)に分散して設置されていることから、制御形態は必然的に実験制御用PCからの遠隔制御となる。GPIB通信のステッピングモータや計測器もNI GPIB-ENET/100を介することにより遠隔制御が可能となり、機器の制御からデータ集録までをLabVIEWを用いて包括的に制御している。

【自動光学機器調整システム】
図1に示すように構成機器には、上流から二結晶分光器、高次光除去・集光用ミラー、光を成形するスリット、試料を保持するステージ、X線強度計測用のイオンチェンバー(IC)がある。これら各機器のスキャン結果を自動判定する機能を開発した。スキャン結果が妥当でないと判断された場合、自動的に再スキャンが行われる。この機能を追加したことにより、図2に示す全ての調整手順が自動化された。

フロントパネル(Fe-K吸収端の場合)を示す(図3)。二結晶分光器角度、ミラー角、輸送チャンネル(TC)スリットサイズ等の値は、従来入力パラメータであり光学調整前に検討する必要があった。入力パラメータの最適値を導出する計算式を確立しプログラム内に組み込むことにより、吸収端と分光結晶面のみ選択すれば光学調整が開始可能となった。

 

図3 自動光学機器調整システムのフロントパネル

 

XAFS測定では吸収端に応じて、最適な配合の混合ガスをICに流通させることが必要である。BL14B2ではガス混合装置(堀場エステック社製 MU-2161)を使ってHe、N2、Ar、Krからガス種を選択し、流量・混合比を調整しガスを供給している。これまで手動操作が必要であったガス混合装置の16台のマスフローコントローラをNI PCI-232/16(RS232)を使って外部制御し、本システムにICへのガス供給機能として組み込んだ。この機能により、光学調整中に適切なガスへの置換が自動で行われることになった。

【自動XAFS測定システム】
自動XAFS測定システムは、試料の交換を自動で行う試料自動搬送装置(Sample Catcherと命名)とXAFS測定プログラムを連動させ構築した。概念図を図4に外観を図5に示す。

図4 システム概念図

 

図5 システムの外観

試料自動搬送装置は、試料ホルダの把持を行う圧空チャック、試料の回転を行う圧空ロータリーシリンダ、リニアステージ3台を組み合わせた並進駆動機構、試料ホルダ格納部、試料認識用CCDカメラ、の各部からなる。試料ホルダ格納部には、試料ホルダを40枚充填できる試料カセットを2台セット出来るので、一度に最大80個の試料ホルダを充填可能である。試料位置調整については、画像認識システム(キーエンス社製 CV5500)を利用した。このシステムにより、CCDカメラで撮像した測定試料の形状を認識することが出来る。試料自動搬送装置では、CCDカメラの前に移送した試料ホルダ中の試料の重心位置(ピクセル座標)をCV5500で認識し、これを予め求めておいた基準位置に一致するように試料位置を調整する。基準位置と試料重心位置を一致させれば、あとは所定距離だけ移動すると、試料重心は光軸に一致することになる。

フロントパネル(図6)上で試料名、データファイル名、測定範囲等の測定条件を入力してスタートボタンを押せば、最大80試料の測定が全て自動で行われる。また、測定に関するログはNI Report Generation Toolkitを使用してリスト形式で出力する機能も備わっている。

図6 自動XAFS測定システムのフロントパネル

3-2. 結果
多くの光学系機器と計測器から構成されるビームラインにおいて、自動光学機器調整システムと自動XAFS測定システムをLabVIEWにより構築することができ、調整から測定までの自動化を実現することができた。他社製品との連携が容易にできたのもLabVIEWの柔軟性によるものだと改めて実感した。

自動光学機器調整システムにおいて、従来の光学調整の時間に45分から1時間程度要していたのに対し、15分から30分程度の約50%短縮することができた。また自動XAFS測定システムにおいても効率が大幅に向上し時間が短縮された。従来の手動測定で試料交換に2分、計測に8分を要していた試料を80個測定した場合で効果を示すと、80個の測定に要する時間は800分であったのに対して、自動XAFS測定システムでは試料交換に1分、計測に7分で試料80個の測定は20%短縮の640分で完了する。しかもこの間、試料毎に実験ハッチに入り試料交換をする必要も測定条件を入力する必要もなくなったことにより、ユーザの負担の軽減にも大きく寄与した。また、試料位置調整が測定者や試料形状に依存しないため、データの再現性も向上した。

課題に挙げた問題も解決したこれらのシステムは、SPring-8産業利用ⅡビームラインBL14B2で既に供用を開始しており、ユーザからの好評を得ている。

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