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作成： 1998/12/28 白井 泰治
データ番号 ：040132
放射性同位元素を用いたエネルギ-可変単色エネルギ-陽電子ビ-ム
目的 ：放射性同位元素を用いた単色陽電子ビームの形成とその応用
放射線の種別 ：陽電子,ガンマ線
放射線源 ：22Na線源(1.1GBq)
フルエンス（率）：105e+/s
利用施設名 ：マックス・プランク研究所(ドイツ)、米国ブルックヘブン国立研究所(BNL)
照射条件 ：真空中
応用分野 ：表面分析、格子欠陥深さ分析、材料非破壊検査、
概要 ：
陽電子線源からの白色陽電子を、W薄膜等の減速材を用いて単色化した後、任意のエネルギーに再加速し試料に照射する技術で、表面解析や材料中の格子欠陥の深さ分布の測定に威力を発揮しつつある。今後適用範囲を広げるためには、ビームの高輝度化をめざした、高強度陽電子源、高効率減速材等の技術開発が課題であり、線源のガス輸送等が検討されている。
詳細説明 ：
従来、陽電子消滅による物質研究は、陽電子線源から放出される陽電子を直接試料に入射させる方法によって行われることが多かった。この場合、陽電子の運動エネルギ-は大きくかつ拡がりを持っている(最も多用される22Naの場合で0-545keV)ため、得られる情報は試料バルクからのものとなる。しかし、試料表面や特定深さでの情報が次第に要求されるようになり、エネルギ-のそろった低速陽電子ビ-ムの必要性が高まった。
実験装置の実現には、エネルギ-のそろった低速陽電子を効率よく発生させる減速材の開発が不可欠であり、J.M.Dale, L.D.Hulett and S.Pendyaraらによって、真空焼鈍されたW薄膜が見い出されたのを機に、次々とエネルギ-可変単色エネルギ-陽電子ビ-ムの利用が拡がりつつある。
W薄膜に入射した陽電子は、減速された後その一部はW表面から負の仕事関数(約2eV)によって放出される。この場合放出される陽電子のエネルギ-拡がりは約1.5eVと比較的小さく、また比較的低い真空中でも長時間安定に使用できるため、W薄膜は現在最も多用されている減速材である(図1参照)。
図1 低速陽電子を発生するための、モデレーター部の概念図。陽電子線源から放出された高エネルギーの陽電子は、Wモデレーターに入射する。十分熱化された後、モデレーターから放出された陽電子はグリッドにより資料方向に引き出される。（原論文1より引用）
図2 エネルギ-可変陽電子表面分析装置の概略図（原論文2より引用）
装置の構成例を図2に示す。この場合、低速陽電子の輸送は装置全体を囲むヘルムホルツコイルの発生する均一静磁場(約0.01テスラ)に依っている。この方式は、静電場方式(例えば原論文3参照)よりも技術的に容易で効率も高く、多用されている。W減速材を通過した陽電子を、まずE x Bフィルタ-を通過させることによって、高エネルギ-陽電子を取り除く。このエネルギ-選別については、ソレノイドコイルによって低速陽電子ビ-ムの進路を曲げ、より簡単に高エネルギ-陽電子を取り除く方法もある。E x Bフィルタ-方式の方がコンパクトにまとまるが、ビ-ム形状に歪みが生じやすい。
エネルギ-の揃った陽電子ビ-ムは、加速部で静電的に加速(0-50keV程度)されたあとタ-ゲット室内の試料に照射される。低エネルギ-陽電子ビ-ムは地磁気等の弱い擾乱磁場にも軌道を乱されるため、ステアリングコイルが装備されている。Ge検出器を用いて、試料から発生する対消滅ガンマ線のドップラ-拡がりを測定することによって、試料表面や界面の格子欠陥やその深さ分布を知ることができる。国内で同様の装置は、筑波大学、東京大学、物質工学工業技術研究所などにある。
より高エネルギ-(0.5-3.0MeV程度)のエネルギ-可変単色エネルギ-陽電子ビ-ムを必要とする場合は、大型の加速器を用いる。ドイツのマックス・プランク研究所では、ペレトロンの高電圧端子部に陽電子線源と減速材を配置し、1-5MeVの陽電子ビ-ムを得て、陽電子寿命と対消滅ガンマ線のドップラ-拡がりの同時測定等に威力を発揮している。米国ブルックヘブン国立研究所(BNL)では、図3のようにダイナミトロンの高電圧端子部に陽電子線源と減速材を配し、0.5-3MeVの陽電子ビ-ムを発生させている。
図3 A schematic representation of the positron beam facility at BNL. The picture shows the accelerator and the transport system. A set of steering coils located at the bottom of the SF6 vessel is not shown. The picture also shows the detector system used to identify the scattered electrons and positrons. For the SQA and channeling experiment the beam line after the last solenoid is altered to accommodate the individual need.（原論文4より引用。 Reproduced from Nucl. Instr. Meth. Phys. Res., vol.A337 (1993) 3-10, P.Asoka-kumar, J.S.Greenberg, S.D.Henderson, H.Huomo, M.S.Lubell et al.,: An intense monoenergetic positron beam with an adjustable energy between 0.5 and 3.0 MeV, Figure3 (Data source 4, pp.5), Copyright (1993), with permission from Elsevier Science, Oxford, England.）
上記のすべての装置に共通する課題は、利用できる線源強度の制約と、減速材の効率の低さ(約10-4)にある。より高強度の陽電子ビ-ムを得る一つの試みとして、13N等の陽電子線源をキャリアガスで連続的に供給する方法も考案されており、日本でも理化学研究所等で実験が進められている。
コメント ：
静磁場輸送を用いる低速陽電子の利用技術はほぼ確立されている。現在、高強度陽電子源、高効率減速材、非磁界中へのビ-ム取り出し、静電輸送技術等、ビ-ム高輝度化のための技術開発が行われている。一方利用側からは、より情報量の多い陽電子寿命測定の実現のために、エネルギ-可変低速陽電子ビ-ムのパルス化が進められている。
原論文１ Data source 1：
筑波大学における放射性同位元素を用いた低速陽電子発生装置
上殿 明良、谷川 庄一郎
東京大学先端科学技術研究センター、筑波大学物質工学系
放射線、Vol.18, No2, p.41-54 (1992)
原論文２ Data source 2：
新日本製鐵のエネルギー可変陽電子表面分析装置
藤浪 真紀
新日本製鐵 先端技術研究所
放射線、Vol.18, No2, p.55-61 (1992)
原論文３ Data source 3：
22Naを線源とする材料表面解析用電場輸送型陽電子ビーム発生装置
布垣 昌伸、山本 幸佳、誉田 義英、岡田 東一
大阪大学産業科学研究所、大阪大学ラジオアイソトープ総合センター
電気学会プラズマ研究会資, Vol.EP-96, No.9-22 (1996) p.11-18
原論文４ Data source 4：
An intense monoenergetic positron beam with an adjustable energy between 0.5 and 3.0 MeV
P.Asoka-kumar, J.S.Greenberg, S.D.Henderson, H.Huomo, M.S.Lubell, K.G.Lynn, R.Mayer, S.McCorkle, J.McDonough, J.C.Palathingal, B.F.Philip, A.Vehanen, M.Weber and X.Y.Wu
Department of Physics, City College of CUNY. NY 10031, USA. WNSL, Yale University. New Haven, CT 06511, USA. Brookhaven National Laboratory, Upton, NY 11973, USA. Helsinki University of Technology, Espoo 02150, Finland. University of Puerto Rico, Mayaguez, Puerto Rico 00708
Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, A 337 (1993) 3-10.
原論文５ Data source 5：
Possibilities for a high intensity polarized slow positron source using 13N
A.P.Mills,Jr.
AT & T Bell Labolatories, Murray Hill, NJ 07974
理研シンポジウム「スピン偏極低速陽電子ビームの基礎と応用」, 和光, 日本, 1995, p.86-88
参考資料１ Reference 1：
Low energy positrons from metal surfaces
J.M.Dale, L.D.Hulett and S.Pendyara
Analytical Chemistry Division, Oak Rigde National Laboratory, Oak Rigde, Tennessee 37830, USA
Surface and Interface Analysis, Vol. 2, No. 6 (1980) 199-203.
参考資料２ Reference 2：
The Stuttgart Positron Beam, Its Performance and Recent Experiments
W.Bauer, J.Briggmann, H.D.Carstanjen, S.Connell, W.Decker, J.Diehl, K.Maier, J.Major, H.E.Schaefer, A.Seeger, H.Stoll and E.Widmann
Max-Planck-Institut fuer Metallforschung, Institut fuer Physik, Postfach 800665, D-7000 Stuttgart 80, FRG. Universitaet Stuttgart, Institut fuer Theoretische und Angewandte Physik, Postfach 801140, D-7000 Stuttgart 80, FRG.
4) Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, B50 (1990) 300-306
キーワード：陽電子ビーム、放射性同位元素、低速陽電子、減速材、エネルギ-可変、陽電子消滅
positron beam, radioisotope, slow positron, moderator, energy-variable, positron annihilation
分類コード：010205, 040203, 040501, 040503
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