小型サイクロトロンを利用した低速陽電子ビームの発生とその応用

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作成： 1998/11/27 広瀬　雅文データ番号　　　：040127 小型サイクロトロンを利用した低速陽電子ビームの発生とその応用目的　　　　　　：小型サイクロトロンを用いた新しい低速陽電子ビーム発生技術とその応用放射線の種別　　：陽電子,陽子,ベータ線放射線源　　　　：小型サイクロトロン(18MeV,50μA) フルエンス（率）：(10⁶-10⁸)e⁺/s 利用施設名　　　：住友重機械工業(株)総合技術研究所　住重試験検査(株)サイクロトロン棟照射条件　　　　：真空中応用分野　　　　：材料表面欠陥分析、材料表面磁性分析、材料表面元素分析、材料表面構造解析概要　　　　　　：　近年、小型サイクロトロン(イオン加速器の一種)を利用する新しい低速陽電子ビーム発生法が開発された。小型サイクロトロンを利用する方法は、従来の長寿命放射性同位元素を利用する方法に比べて高強度の低速陽電子ビームを得ることができる。また、従来の電子線形加速器を利用する方法に比べて、コンパクト、低価格、直流低速陽電子ビームの発生が可能、スピン偏極陽電子ビームの発生が可能、などの点で優れている。詳細説明　　　　： 1.はじめに　半導体デバイスの高集積化が進むにつれて、材料内部の格子欠陥の挙動を非破壊で把握することが重要になってきているが、これまではそれを実現しうる決定的な手段がなかった。近年、低速陽電子ビームを用いると格子欠陥を非破壊で検出できることが明らかとなり、現在世界各所で低速陽電子ビームの開発が活発化してきている。　従来、低速陽電子ビームの発生には、主として、長寿命放射性同位元素を利用する方法と電子線形加速器を利用する方法が用いられてきた。前者は、比較的安価でコンパクトである反面ビーム強度が弱いという欠点があり、後者は、高強度の低速陽電子ビームが得られるものの装置が大型かつ高価であり汎用性に欠けるという欠点があった。このためユーザーからは、小型で安価な汎用高強度低速陽電子ビーム発生装置の開発が強く求められていた。　このような需要に応えるために、小型サイクロトロンを利用したコンパクトで安価な汎用高強度低速陽電子ビーム発生装置の開発が日本国内において着手され、1993年に小型サイクロトロンを用いて低速陽電子ビームを発生させる新手法が世界で初めて開発された。これは、従来高強度の放射性同位元素が短寿命であるが故に、十分にその機能を引き出せなかったものを、オンラインで放射能を飽和させ使用することにより、その問題点を解決したものである。表1　A comparison of primary sources for the production of a slow positron beam ----------------------------------------------------------------------- Primary Production Slow e⁺beam Feature source process intensity ----------------------------------------------------------------------- Long half-life RI β⁺ decay (10⁴-10⁶)e⁺/s Compact Inexpensive Low intensity DC beam Polarized beam ----------------------------------------------------------------------- Electron LINAC Pair production (10⁷-10⁸)e⁺/s Very large Expensive High intensity Pulsed beam ----------------------------------------------------------------------- Compact cyclotron β⁺ decay (10⁶-10⁸)e⁺/s Compact Inexpensive High intensity DC beam Polarized beam ----------------------------------------------------------------------- 　表1に、低速陽電子ビーム発生方法の比較を示す。小型サイクロトロンを利用する方法は、従来の長寿命放射性同位元素を利用する方法に比べて高強度の低速陽電子ビームを得ることができる。また、従来の電子線形加速器を利用する方法に比べて、コンパクト、低価格、直流低速陽電子ビームの発生が可能、スピン偏極陽電子ビームの発生が可能、などの点で優れている。　 2.小型サイクロトロンを利用した低速陽電子ビームの発生　図1に、小型サイクロトロンを利用した低速陽電子ビーム発生装置の断面図を示す。図1　Schematic cross section of the slow positron beam production system using a compact cyclotron. 図に示すように、小型サイクロトロンから得られるプロトンビーム(エネルギー：18MeV、電流値：50μA)をアルミニウムターゲット(厚さ：2mm)に照射する。アルミニウムターゲット中では核反応²⁷Al(p,n)²⁷Siが起こり、β⁺崩壊性同位元素である²⁷Si(半減期：4秒)が生成される。²⁷Siより放出されるβ⁺線(高エネルギー陽電子)は、直後に置かれたタングステン減速材(厚さ：25μm)によって低速陽電子ビームに変換される。　エネルギー18MeVのプロトンビームのアルミニウム中での飛程は約1.8mmであるので、すべてのプロトンはアルミニウムターゲット中で停止する。したがって、直後に配置されているタングステン減速材がプロトン照射によって直接照射損傷を受けることはない。また²⁷Siから放出されるβ⁺線は最大エネルギーが大きい(3.85MeV)ので、かなりの割合のβ⁺線がアルミニウムターゲットを脱出し、タングステン減速材に達することができる。更に、²⁷Siの半減期は4秒と短いが、小型サイクロトンからのプロトンビームをオンラインでアルミニウムターゲットに照射し、放射能を飽和させることによって、高強度の低速陽電子ビームを継続的に得ることができる。図2に発生に成功した低速陽電子ビームのプロファイルを示す。図2　The slow positron beam profile observed at the center of the MCP by using the compact cyclotron. 3.低速陽電子ビーム応用　小型サイクロトロンを利用して発生させた低速陽電子ビームは、β⁺崩壊を利用しているために、直流ビームであり、またスピン偏極しているという特徴を持つ。これらの特徴を生かして、パルス低速陽電子寿命測定やスピン偏極低速陽電子ビームなどの応用が行われている。前者のパルス低速陽電子寿命測定は、主として、半導体材料中の格子欠陥を非破壊検出するために実施されており、インダクションバンチング法という新しい低速陽電子ビーム短パルス化法が開発されている。後者のスピン偏極低速陽電子ビームは、表面磁性への応用が期待されており、特別なスピン偏極度測定装置の開発によってスピン偏極度の実測(スピン偏極度：38.4%)がなされている。コメント　　　　：　低速陽電子ビームを用いると、半導体や金属中の格子欠陥の非破壊検出や、物質最表面層の元素分析・構造解析など、従来の電子顕微鏡等では不可能であった微細な分析が可能になる。今後更に低速陽電子ビーム技術が発展していくには、電子線形加速器を利用した一点集中型の大型低速陽電子ビーム施設と小型サイクロトロンや長寿命放射性同位元素を利用した分散型の中小低速陽電子ビーム施設の共存が理想的な姿と考えられる。原論文１ Data source 1： Production of an intense slow positron beam using a compact cyclotron M.Hirose, M.Washio, K.Takahashi Research and Development Center, Sumitomo Heavy Industries, Ltd., 63-30, Yuuhigaoka, Hiratsuka, Kanagawa 254, Japan Appl. Surf. Sci., vol. 85, p.111-117 (1995) 原論文２ Data source 2： A New Positron Pulsing System with a Compact Cyclotron Based Slow Positron Beam M.Hirose, T.Nakajyo and M.Washio Laboratory for Quantum Equipment Technology, Sumitomo Heavy Industries, Ltd., 2-1-1 Yato-Cho, Tanashi-City, Tokyo 188, Japan Mater. Sci. Forum, Vols. 255-257, p.674-676, (1997) 原論文３ Data source 3： Polarization Measurement of a Slow Positron Beam Generated with a Compact Cyclotron T.Kumita^*⁾, M.Chiba^*⁾, R.Hamatsu^*⁾, M.Hirose²^*⁾, T.Hirose^*⁾, H.Iijima^*⁾, M.Irako^*⁾, M.Washio²^*⁾ and J.Yang^*⁾ *)Department of Physics, Tokyo Metropolitan University, 1-1 Minami-Ohsawa, Hachioji, Tokyo 192-03, Japan. 2*)Laboratory for Quantum Equipment Technology, Sumitomo Heavy Industries, Ltd., 2-1-1, Yato-Cho, Tanashi, Tokyo 188, Japan Mater. Sci. Forum, Vols.255-257, p.656-658 (1997) 参考資料１ Reference 1： A compact cyclotron based slow positron beam and a new positron pulsing system M.Hirose, T.Nakajyo, M.Washio Laboratory for Quantum Equipment Technology, Sumitomo Heavy Industries, Ltd., 2-1-1 Yato-cho, Tanashi-city, Tokyo 188, Japan Appl. Surf. Sci., vol.116, p.63-67 (1997) 参考資料２ Reference 2： Construction of polarized slow-positron beams using a compact cyclotron T.Kumita^*^, M.Chiba^*⁾, R.Hamatsu^*⁾, M.Hirose²^*⁾, T.Hirose^*⁾, H.Iijima^*^, M.Irako^*⁾, N.Kawasaki^*⁾, Y.Kurihara³*^*⁾, T.Matsumoto^*⁾, H.Nakabushi²^*⁾, T.Omori³^*⁾, Y.Takeuchi³^*⁾, M.Washio²^*⁾, J.Yang^*⁾ *)Department of Physics, Tokyo Metropolitan University, 1-1 Minami-Ohsawa, Hachioji, Tokyo 192-03, Japan. 2*)Laboratory for Quantum Equipment Technology, Sumitomo Heavy Industries (SHI), 2-1-1 Yato-cho, Tanashi, Tokyo 188, Japan. 3*)National Laboratory for High Energy Physics (KEK) Tsukuba, Ibaraki 305, Japan Appl. Surf. Sci., vol. 116, p.1-6 (1997) キーワード：陽電子ビーム、サイクロトロン、陽子、核反応、β+崩壊、直流ビーム、偏極ビーム、陽電子寿命測定 positron beam, cyclotron, proton, nuclear reaction, β⁺ decay, DC beam, polarized beam, positron lifetime spectroscopy 分類コード：040102,040101,040501
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