作成： 1996/10/11 栗原 正義
データ番号 ：040059
イオンビーム分析及び中性子放射化分析による全分析
目的 ：イオンビーム分析(IBA)及び中性子放射化分析(NAA)の元素分析への利用
放射線の種別 ：エックス線,アルファ線,陽子,中性子
放射線源 ：D-D反応による高速中性子源、トリチウム標的による重陽子加速器、高電流加速器(4-5MeV)、ヴァン・デ・グラフ加速器
フルエンス（率）：0.4-20MeV,1012-1015ions/cm2(PDMS)
利用施設名 ：Harwell
照射条件 ：空気中、真空中
応用分野 ：全分析、微量分析、非破壊分析、無機物分析、有機物分析
概要 ：
IBAによる全分析では鉱物、金属、ポリマー、生物学／医学、環境科学、博物館／美術の6分野を評価している。NAAでは原子炉、同位体源、加速器による中性子を利用した分析、IBAではRBA,PIXE,NRA、これらの手法の組み合わせ等の分析を解説している。微量分析精度の立場からMeV IBAでは改良技術としてのERDA、クーロン励起、PDMS、マイクロビームの改良等を述べる。
詳細説明 ：
1.IBAによる全分析
試料の本性に従って選ぶIBA技術は全主成分元素に加えて多数の微量元素濃度の情報の取得に用いる。この手法は生物学的、地質学的及び考古学的材料の研究、不均質表面被覆の組成を少しづつ調べるのに有用である。全分析とは研究問題に依存する下限濃度(0.1と1%の間)まで試料に存在する全主要元素と全微量元素の定量と定義できる。このような分析は、阻止能、X線減衰、絶対元素濃度の定量に加わるこの種のパラメータを計算するにもIBAの研究に必要である。IBAは元素分析等の問題を解くために選ぶ多くの方法を組み合わせた技術を提供し、利用されている。
2.IBA及びNAAによる元素分析
NAAの特質は、中性子と光子が物質と比較的弱く相互作用を行い、貫通するという物理的本性に基づいている。またNAAは中性子反応とγ線検出の特性に依存し、吸収が無視できる場合に応用でき、物理的モデルが簡単である。全信号は個々の単一元素の直線的な重なりであり、分析質量に直接比例し、照射に伴うふるまい、崩壊、計数時間は簡単な指数法則によって支配される。この方法では制限感度と再現性は計数統計のPoisson則によって与えられる。中性子源には原子炉、同位体源、重陽子加速器、高速中性子源、高電流加速器等を利用する。IBAではRBS,PIXE,陽子マイクロプローブ、加速器質量分光、チャンネリング、2次イオン質量分析(SIMS)等を挙げている。
IBAはNAAと比べ、一般に試料母地と強く相互作用する荷電粒子を直接利用する。結果としてIBAは表面効果、格子位置、元素分析に敏感な方法を生み出し、NAA程、広く応用できないが、独自の分析性能をもつ手法となる。IBA過程の物理的モデルはNAAよりも複雑であり、結果の解釈に人為的な点もある。IBAの特徴の一つは多数の手法を作り出している事であり、分析能力を増すためには手法のいくつかを組み合わせて利用することである。
表1 Analytical applications of small accelerators(after ref.[17]) （原論文2より引用。 Reproduced from Nucl. Instr. Meth. Phys. Res., B35 (1988) 370-377, J.I.W.Watterson: Elemenral Analysis by IBA and NAA-A Critical Comparison, Table 3 (Data source 2, pp.373), Copyright (1988), with permission from Elsevier Science NL, Amsterdam, The Netherlands.）
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Application Beam Typical energy Refs.
[MeV]
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Particle-induced X-ray emission p,α 1 -3 [18]
Rutherford backscattering α 0.4-4 [19]
Channeling α 0.5-4 [20]
Microprobes p,α 1 -3 [21]
Nuclear reaction analysis p,α 0.5-5 [22]
Mass spectrometry heavy ions 4 -10 [23]
Hydrogen profiling heavy ions 2 -20 [24]
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図1 Relative numbers of papers in seven fields of prompt nuclear analysis, showing the activity in the different fields (after Lyon[4]).（原論文2より引用。 Reproduced from Nucl. Instr. Meth. Phys. Res.,B35 (1988) 370-377, J.I.W.Watterson: Elemental Analysis by IBA and NAA-A Critical Comparison, Figure 1 (Data source 2, pp.374), Copyright(1988), with permission from Elsevier Science NL, Amsterdam, The Netherlands.）
表1は小型加速器によるIBA法の成果の要約であり、図1は7種の迅速核分析の1949-1976年間の相対的な論文数と活動を示す。
IBAの寄与は表面組成と元素分布に関する情報の提供であり、この元素分布の情報は、核分裂とαトラックエツチングに関係する領域を除いてNAAの範囲外である。また、元素分布に関してIBAと競合する方法はマイクロプローブや走査電子顕微鏡などの電子法であり、IBAは優れた感度を提供するが、一方大きなコストがかかり、また深さ分布を定量する独自の可能性を備えている。NAAと直接競合するIBAにはPIXEがあるが、これに替るものがない。一方NAAは、例えば地質学上の物質中の希土類のように、多くの場合微量元素の定量に最良の方法である。
3.MeV IBA
MeV IBAで用いる主要技術は軽い(m < 4)イオンを用いたPIXE,RBS及びNRAである。これらの定量分析法の改良をレビューしている。MeV IBAの性能は、重イオンを利用する方法、相互作用過程の多くのパラメータを測定する方法、同時計数法を応用する方法等によって拡大する。実例に、弾性反跳技術(ERDA)、クーロン励起、荷電粒子脱着質量分光(PDMS)による改良を挙げた。IBAマイクロビームではスポット寸法の縮小、ビーム寸法、明るさ等の改良を図った。主要なIBAであるPIXE,RBS,ERDA,NRA等で定量化の改良を解説し、一例を表2に挙げた。
表2 A summary of the results of an intercomarison by Seah et al. [26], using NRA, RBS, and ERDA, of the thickness and composition of 30nm and 100nm Ta2O5 films （原論文3より引用）
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Oxygen thickness, Tantalum thickness,
1021 atoms/m2 Ratio 1021atoms/m2
Technique Laboratory ---------------------- --------------------
30 nm 100 nm 30 nm 100 nm
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NRA Liege 1.84±0.25 5.51±0.74 0.333±0.003
NRA Compiegne 1.73±0.05 5.12±0.15 0.337±0.001
NRA Paris 1.75±0.03 5.24±0.08 0.334±0.002
NRA Chalk River 1.80±0.06 5.37±0.17 0.336±0.003
RBS Compiegne 2.08±0.07
RBS Surrey 0.326±0.003 0.71±0.02 2.18±0.05
RBS Harwell 0.325±0.007 0.68±0.05 2.08±0.15
ERDA Harwell 1.73±0.14 5.64±0.45 0.307±0.026
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Average 1.77±0.05 5.38±0.21 0.328±0.010 0.70±0.02 2.11±0.06
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表2ではIBAで達成する精度の目安を6研究所で3種類の方法による相互比較から求めた。2個の試料にはTa箔の上で陽極的に成長させた、公称厚さ30nmと10nmのTa2O5を含む。表では異なる断面積と阻止能の情報を信頼して異なったグループが異なる方法で同じ技術を扱ったにも拘らず、測定値は5%レベルよりもよい一致を示した。
コメント ：
表題は異なるが、原論文3篇ともにイオンビーム分析(IBA)と中性子放射化分析(NAA)に関するものであり、1946年から1990年こ頃までのこの種の分析技術の発展、その利用、改良の経過がよく語られていた。IBAとNAAの分析対象は無機物から有機物まで広範囲にわたっており、その手法も多岐にわたって多くの技術が開発されている。従って分析対象物に最適な分析手法を選ぶことが可能であり、近年の加速器技術の進歩とあいまって今後のIBAとNAAの分析への期待は大きい。
原論文１ Data source 1：
Total Analysis By IBA
J.R.Bird
ANSTO Lucas Heights Research Laboratories, Menai 2234, Australia
Nuclear Instrments and Methods in Physics Research, B45 (1990) 516-518.
原論文２ Data source 2：
Elemental Analysis by IBA and NAA-A Critical Comparison
J.I.W.Watterson
Wits CSIR Schonland Research Centre for Nuclear Sciences, University of the Witwatersrand, Johanesburg,2050, Republic of South Africa
Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, B35 (1988) 370-377.
原論文３ Data source 3：
Mev Ion Beam Analysis
J.A.Cookson, T.W.Conlon
Harwell Laboratory, UKAEA, Oxfordshire OX11 ORA, UK
Journal of Research of the National Bureau of Standards, Vol.93, No.3, May-June (1988) p.473-479.
キーワード：イオンビーム分析、中性子放射化分析、荷電粒子励起X線分光、ラザフォード後方散乱分光、核反応分析、全分析、微量分析、非破壊分析
Ion Beam Analysis(IBA),Neutron Activation Analysis(NAA),Particle-Induced X-ray Emission(PIXE),Rutherford Backscattering(RBS),Neuclear Reaction Analysis(NRA),Total Analysis,Trace Analysis,Non-Destructive Analysis
分類コード：040401,040404,040405