JP2003215251A - 陽電子寿命測定方法及び装置 - Google Patents

陽電子寿命測定方法及び装置

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JP2003215251A JP2002011921A JP2002011921A JP2003215251A JP 2003215251 A JP2003215251 A JP 2003215251A JP 2002011921 A JP2002011921 A JP 2002011921A JP 2002011921 A JP2002011921 A JP 2002011921A JP 2003215251 A JP2003215251 A JP 2003215251A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 陽電子寿命測定装置の時間分解能を向上し
て、時間測定の精度を向上すると共に、単位時間当たり
の計数率を向上して、測定時間を短縮可能とする。 【解決手段】 陽電子の発生や消滅に伴って出されるγ
線を検出し、該検出した波形信号をデジタル化し、該デ
ジタル化した波形信号を処理して、時間分解能200p
s以下で時間スペクトルを得る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、陽電子寿命測定方
法及び装置に係り、特に、時間分解能を向上して、時間
測定の精度を向上するとともに、単位時間当たりの計数
率を高めて、測定時間を短縮することが可能な、超高分
解能の陽電子寿命測定方法及び装置に関する。
【0002】
【従来の技術】陽電子の寿命を測定する従来の測定装置
は、例えば図1に示す如く、22Na陽電子源10Aを試
料(例えばアニ−ルした銅の板)10Bで挟んだ測定試
料10(図2参照)の両側に対向配置された、陽電子源
10Aからの1.275MeVの核γ線を捕らえて光に
変換する発生側シンチレータ12、及び、試料10B中
で消滅した陽電子の出す、0.511MeVの陽電子消
滅γ線を捕らえて光に変換する消滅側シンチレータ22
と、前記シンチレータ12、22で発生した光をそれぞ
れ電気信号に変換するための、発生側及び消滅側の光電
子増倍管(PMT)14、24と、毎回ピーク値Pや波
形(半値幅W)が変化する前記PMT14、24からの
波形信号(図3参照)から、陽電子の発生時点又は消滅
時点を示すタイミング信号を取出すための、アナログの
コンスタント・フラクション・デファレンシャル・デス
クリミネータ(CFD)16、26と、消滅側CFD2
6の出力を、所定時間(例えば10ns)だけ確実に遅
らせて、装置の時間分解能のばらつきがあっても、発生
側CFD16の出力との時間差を確実に測定できるよう
にするための遅延回路(Delay)28と、前記発生
側CFD16から出力されるスタート信号と前記遅延回
路28から出力されるストップ信号により、図4に示す
ような寿命スペクトルのヒストグラム(時間スペクトル
と称する)を作り出すための時間差波高変換器(TA
C)30及びマルチ・チャンネル・アナライザ(MC
A)32又は時間/デジタルコンバータ(TDC)とを
備えている。
【0003】前記測定試料10中の陽電子源10Aは、
図2に示す如く、陽電子e+を出すと同時に1.275
MeVの核γ線を出すため、これを発生側シンチレータ
12で光に変換して、PMT14で電気信号に変換する
ことで、陽電子の生まれた時間が分かる。
【0004】一方、消滅側シンチレータ22で、試料1
0B中で消滅した陽電子の出す0.511MeVの陽電
子消滅γ線を光に変換して、PNT24で電気信号に変
換することで、陽電子の消滅した時間が分かる。
【0005】従って、発生側シンチレータ12によって
得られる信号からスタート信号を得、消滅側シンチレー
タ22から得られる信号によりストップ信号を得て、T
AC30でその時間差(例えば50ns以内)を測定す
ることにより、陽電子の寿命が測定できる。
【0006】陽電子は多数生成しているため、図4に示
すような寿命スペクトルのヒストグラムを出すことによ
って、平均的な寿命を測定することができる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら従来は、
時間分解能の半値幅が、最も良い場合で200ps程度
であり、十分な時間分解能を得ることができなかった。
更に、単位時間当たりの計数率が低く、測定時間がかか
るという問題点も有していた。
【0008】本発明は、前記従来の問題点を解消するべ
くなされたもので、時間分解能を向上して、時間測定の
精度を向上すると共に、単位時間当たりの計数率を高め
て、測定時間を短縮可能とすることを課題とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明は、陽電子の発生
や消滅に伴って出されるγ線を検出し、該検出した波形
信号をデジタル化し、該デジタル化した波形信号を処理
して、時間分解能200ps以下で時間スペクトルを得
るようにして、前記課題を解決したものである。
【0010】又、陽電子の発生及び消滅に伴って出され
るγ線を、複数のγ線検出手段でそれぞれ独立に検出
し、該検出した波形信号をデジタル化し、該デジタル化
した波形信号を処理して、時間分解能200ps以下で
時間スペクトルを得るようにして、同じく前記課題を解
決したものである。
【0011】又、陽電子の発生及び消滅に伴って出され
るγ線を、複数のγ線検出手段で共に検出し、該検出し
た波形信号をデジタル化し、該デジタル化した波形信号
を陽電子の発生時と消滅時で判別処理して、時間分解能
200ps以下で時間スペクトルを得るようにして、同
じく前記課題を解決したものである。
【0012】又、前記デジタル化した波形信号を平滑化
した後、そのピーク値を求め、該ピーク値に対して所定
割合となったタイミングを、陽電子の発生時点や消滅時
点とするようにしたものである。
【0013】本発明は、又、陽電子寿命測定装置におい
て、陽電子の発生や消滅に伴って出されるγ線を検出す
るγ線検出手段と、該検出した波形信号をデジタル化す
るデジタル化手段と、該デジタル化した波形信号を処理
して、時間分解能200ps以下で時間スペクトルを得
る波形解析手段とを備えることにより、前記課題を解決
したものである。
【0014】又、前記波形解析手段が、前記デジタル化
した波形信号を平滑化する平滑化手段と、そのピーク値
を求めるピーク値検出手段と、該ピーク値に対して所定
割合となったタイミングを、陽電子の発生時点や消滅時
点とするタイミング検出手段とを含むようにしたもので
ある。
【0015】又、前記γ線検出手段を複数設け、陽電子
の発生及び消滅に伴って出されるγ線を、それぞれ独立
に検出するようにしたものである。
【0016】又、前記γ線検出手段を複数設け、陽電子
の発生及び消滅に伴って出されるγ線を、共に検出する
ようにしたものである。
【0017】又、2つの前記γ線検出手段を、試料を挟
んで対向する位置に設けたものである。
【0018】あるいは、3つの前記γ線検出手段を、試
料を中心に略T字状に配置したものである。
【0019】又、4つの前記γ線検出手段を、試料を中
心に略十字状に配置したものである。
【0020】又、前記複数のγ線検出手段の出力が全て
所定時間内に発生した時にのみ、検出した波形信号を前
記デジタル化手段に取込むための一致検出手段を、更に
備えることにより、メモリ容量を節約できるようにした
ものである。
【0021】
【発明の実施の形態】以下図面を参照して、本発明の実
施形態を詳細に説明する。
【0022】まず、陽電子の入射と同時に出る22Naか
らの核γ線(1.275MeV)(スタート信号に用い
る)と、1本の陽電子消滅γ線(0.511MeV)
(ストップ信号に用いる)を捕らえるようにした第1乃
至第4実施形態について説明する。
【0023】本発明の第1実施形態は、図5に示す如
く、従来と同様に測定試料10の両側に配置した、発生
側シンチレータ(例えばBaF2)12で発生した光を検
出する発生側PMT14及び消滅側シンチレータ(例え
ばBaF2)22で発生した光を検出する消滅側PMT2
4の出力を、共に、高速のデジタルオシロスコープ40
又はデジタイザ(ADC)42、44を用いてデジタル
化し、データを例えばパーソナルコンピュータ(PC)
46に転送して、波形処理をソフトウェアで行うことに
より、図4に示したような時間スペクトルを得るように
したものである。
【0024】前記測定試料10は、図2に示した如く、
ラジオアイソトープ(RI)の22Na陽電子源の10A
が、測定対象の試料10Bではさまれ、線源一試料部に
設置される。
【0025】前記PMTの一方14が、陽電子源10A
からの核γ線(1.275MeV)を捕らえ、他方24
が、陽電子消滅γ線(0.511MeV)を捕らえる。
【0026】前記PMT14、24の出力波形は、毎回
ピーク値や形が異なり、例えば所定波形の当て嵌めによ
って発生時点や消滅時点のタイミング信号を得るのが困
難である。そこで、本実施形態では、PC46で波形を
解析する際に、図6に示す如く、まずステップ100
で、フィルタをかけて平滑化する。フィルタとしては、
例えばフィルタをかける前の波形をX(i)、フィルタ
をかけた後の波形をX´(i)とすると、次式を用い
て、例えば4点(X(i)、X(i+1)、X(i+
2)、X(i+3))の合計で鈍らせて平滑化すること
ができる。
【0027】 X´(i)=X(i)+X(i+1)+X(i+2)+X(i+3) …(1)
【0028】次いで、ステップ102で、図7に示す如
く、フィルタをかけた後の波形のピーク値(波高値)P
を求める。
【0029】次いで、ステップ104で、フィルタ後の
波形が、ピーク値Pに対する所定割合、例えば25%の
閾値Tを横切る時間をもって、γ線の到達時間(即ち陽
電子の発生時点又は消滅時点)とする。
【0030】次いでステップ116で、発生側PMT1
4と消滅側PMT24のタイミングの差から、陽電子の
入射から消滅までの時間を得ることができる。
【0031】従って上記を繰り返し、ステップ108で
時間のヒストグラムを作ると、図4に示したような陽電
子消滅寿命スペクトルが得られる。
【0032】なお(1)式においては、4点の係数が全
て1とされ、各点が同じ重み付けとされていたが、例え
ば重み付け係数を1:2:2:1として、中央の2点の
重みを高めることも可能である。又、点の数も4点に限
定されず、3点以下あるいは5点以上で平滑化すること
も可能である。
【0033】本実施形態においては、図1に示した従来
例と同様に、一方のPMT12で発生側γ線(1.27
5MeV)を捕らえてスタート信号を得、他方のPMT
24で消滅側γ線(0.511MeV)を捕らえてスト
ップ信号を得るようにしていたので、PC46の処理が
比較的簡単である。
【0034】なお、本発明の第2実施形態では、2本の
PMT14、24で、1.275MeVのγ線と0.5
11MeVのγ線を共に捕らえて、後で、PC46にお
ける波形解析の際に、スタートとストップを判別するよ
うにしている。
【0035】このようにすれば、第1実施形態に比べて
計数率が2倍に向上し、測定速度も2倍に向上する。
【0036】これに対して従来は、アナログのCFD1
6、26を用いていたため、CFD16が1.275M
eVのγ線、CFD26が0.511MeVのγ線を捕
らえるよう、測定に先だって、あらかじめ設定しておく
必要があり、設定と逆にCFD16に0.511MeV
のγ線、CFD26に1.275MeVのγ線が入った
場合は検出できなかった。
【0037】次に、本発明の第3実施形態を詳細に説明
する。
【0038】本実施形態は、図8に示す如く、PMTを
14(PMT1とする)、24(PMT2とする)、5
4(PMT3とする)の3本用いて略T字状に配置する
と共に、各PMT14、24、54の出力に、例えばF
ETのボルテージフォロァ60、62、64をFETプ
ローブとして設け、該ボルテージフォロァ60、62、
64の出力をデスクリミネータ(disc)66、6
8、70を介して一致検出回路72に入力し、該一致検
出回路72でトリプルコインシデンスがとれた時だけ、
デジタルオシロスコープ40にトリガをかけて、各PM
T14、24、54の出力が取込まれるようにしたもの
である。
【0039】図において、52は、PMT54の入側に
設けられたシンチレータ(例えばBaF2)である。
【0040】本実施形態においては、ボルテージフォロ
ァ(FETプローブ)60、62、64及び一致検出回
路72を用いて、FETプローブの信号をデスクリミテ
ータと一致検出回路に入れることで、PMT1−3が、
核γ線と陽電子消滅γ線の両方を全てほぼ同時(例えば
50ns以内)に捕らえた場合にのみデジタルオシロス
コープ40にトリガ信号を入力して、PMT1−3の波
形データを取込み、PC46に転送するようにしている
ので、デジタルオシロスコープ40の負担を軽減するこ
とができる。なお、デジタルオシロスコープ40の容量
が大容量化された場合には、ボルテージフォロァや一致
検出回路を省略して、全データを全てデジタルオシロス
コープ40に取込むようにすることも可能である。
【0041】本実施形態においては、PMT14、2
4、54が3本とも1.275MeVのγ線(スタート
信号)と0.511MeVのγ線(ストップ信号)を捕
らえて、後でPC46における波形解析の際に、スター
トとストップを判別している。
【0042】ここで、使用可能なスタートとストップの
組合せは、 PMT1(スタート)−PMT2(ストップ) PMT2(スタート)−PMT1(ストップ) PMT1(スタート)−PMT3(ストップ) PMT3(スタート)−PMT1(ストップ) の4通りであるため、計数率は第1実施形態に比べて2
×2=4倍に向上する。なお、PMT2とPMT3の組
合せは、1.275MeVのγ線と、0.511MeV
のγ線の両方が、シンチレータに入る可能性があるた
め、使用できない。
【0043】次に、本発明の第3実施形態を詳細に説明
する。
【0044】本実施形態は、図9に示す如く、PMTを
14、24、54、84(PMT4とする)の4本用い
て略十字形状に配置すると共に、4本共、1.275M
eVのγ線(スタート信号)と、0.511MeVのγ
線(ストップ信号)を検出し、後で波形解析の際に、ス
タートとストップを判別するようにしたものである。
【0045】図において、82は、PMT84の入側に
設けられたシンチレータ(例えばBaF2)である。
【0046】本実施形態によれば、計数率が4×2=8
倍に向上する(4×3倍にならない理由は、第3実施形
態のところで説明したとおりである。)。
【0047】なお、PMTの数や役割分担は前記実施形
態に限定されず、PMTを3−4本使い、3−4本のう
ちの1−3本が1.275MeVのγ線(スタート信
号)、3−4本のうちの残りの3−1本が0.511M
eVのγ線(ストップ信号)を捕らえるようにすること
もできる。
【0048】次に、陽電子の入射と同時に出る22Naか
らの核γ線(1.275MeV)と、2本の陽電子消滅
γ線(0.511MeV)を捕らえるようにした、第5
乃至第7実施形態について説明する。
【0049】本発明の第5実施形態は、図10に示すよ
うに、3本のPMT14、24、54を用い、PMT1
が1.275MeVのγ線(スタート信号)、PMT2
とPMT3が、それぞれ0.511MeVのγ線(スト
ップ信号)を捉えるようにしたものである。
【0050】この場合には、1つのイベントに対して、
時間を2つ測定してから平均することができるため、時
間分解能が向上する。
【0051】なお、PMTの数は3本に限定されず、例
えば図11に示す第6実施形態のようにPMTを4本用
い、PMT1とPMT4が1.275MeVのγ線(ス
タート信号)、PMT2とPMT3が、それぞれ0.5
11MeVのγ線(ストップ信号)を捕らえるようにす
ることもできる。
【0052】この場合には、第5実施形態に比べ、計数
率が2倍に向上する。
【0053】又、本発明の第7実施形態では、第6実施
形態と同様の図11に示すような構成において、PMT
1−4が1.275MeVのγ線(スタート信号)と、
0.511MeVのγ線(ストップ信号)の両方を捕ら
えるようにしている。
【0054】この場合には、第5実施形態に比べ、計数
率が4倍に向上する。
【0055】なお、前記実施形態においては、いずれ
も、陽電子を放出する放射性同位元素(RI)を陽電子
源として直接利用していたが、陽電子源の種類は、これ
に限定されない。又、本発明の適用対象もRIを直接利
用するものに限定されず、RIから放出する陽電子をビ
ーム化(低速陽電子ビーム)して利用する場合にも用い
ることができる。この場合、陽電子の入射と同時に出る
RIからの各γ線(1.275MeV)から得るスター
ト信号を人工的に作り出す必要がある。通常、RF空洞
共振器(特開平5−74593参照)やインダクション
システム(例えば特開平11−281793参照)等を
利用して、陽電子ビームに速度変調をかけることで低速
陽電子ビームを短パルス化している。そこで、短パルス
化する際のタイミング信号を、前記実施形態のスタート
信号に利用するPMTと置き換えることで、同様な効果
(時間分解能向上や計数率の向上)が期待できる。
【0056】
【発明の効果】本発明によれば、従来は時間分解能の半
値幅が最も良い場合で200psであったのが、第1実
施形態のように、CFD、TAC、MCAをデジタルオ
シロスコープに置き換え、適切な波形処理を行なうこと
により、PMTが2本でも150ps以下にすることが
できた。更に、PMTを3本以上用いて、陽電子消滅γ
線を2本共捉えることで、時間分解能を120ps以下
に向上することができた。
【0057】又、計数率に関しても、PMTを2本使う
従来の方法と比べて、例えば8倍に向上することができ
た。即ち、γ線を2本捕らえる場合には、PMTを4本
使用することで、従来に比べ、測定効率が8倍に向上す
る。又、γ線を3本捕らえる場合には、PMTを4本使
用することで、3本のPMTを使用する時より、測定効
率が4倍に向上する。
【0058】更にSN比も向上することができた。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来の陽電子寿命測定装置の一例の構成を示す
ブロック図
【図2】測定試料の例を示す断面図
【図3】光電子増倍管からの波形信号の例を示す線図
【図4】陽電子消滅寿命スペクトルの例を示す線図
【図5】本発明の第1実施形態の構成を示すブロック図
【図6】第1実施形態における処理手順を示す流れ図
【図7】波形信号の例を示す線図
【図8】本発明の第3実施形態の構成を示すブロック図
【図9】同じく第4実施形態の要部構成を示すブロック
【図10】同じく第5実施形態の要部構成を示すブロッ
ク図
【図11】同じく第6実施形態の要部構成を示すブロッ
ク図
【符号の説明】
10…測定試料 10A…陽電子源 10B…試料 12、22、52、82…シンチレータ 14、24、54、84…光電子増倍管(PMT) 40…デジタルオシロスコープ 42、44…デジタイザ(ADC) 46…パーソナルコンピュータ(PC) 60、62、64…ボルテージフォロァ 66、68、70…デスクリミネータ(disc) 72…一致検出回路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 斎藤 晴雄 東京都品川区東品川2−5−6−905 (72)発明者 兵頭 俊夫 東京都八王子市別所1−32−6−108 (72)発明者 中條 晃伸 東京都西東京市谷戸町二丁目1番1号 住 友重機械工業株式会社田無製造所内 Fターム(参考) 2G088 EE29 FF07 FF20 GG09 JJ01 KK02 KK05 KK15 KK24 KK29 LL18

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】陽電子の発生や消滅に伴って出されるγ線
    を検出し、 該検出した波形信号をデジタル化し、 該デジタル化した波形信号を処理して、時間分解能20
    0ps以下で時間スペクトルを得ることを特徴とする陽
    電子寿命測定方法。
  2. 【請求項2】陽電子の発生及び消滅に伴って出されるγ
    線を、複数のγ線検出手段でそれぞれ独立に検出し、 該検出した波形信号をデジタル化し、 該デジタル化した波形信号を処理して、時間分解能20
    0ps以下で時間スペクトルを得ることを特徴とする陽
    電子寿命測定方法。
  3. 【請求項3】陽電子の発生及び消滅に伴って出されるγ
    線を、複数のγ線検出手段で共に検出し、 該検出した波形信号をデジタル化し、 該デジタル化した波形信号を陽電子の発生時と消滅時で
    判別処理して、時間分解能200ps以下で時間スペク
    トルを得ることを特徴とする陽電子寿命測定方法。
  4. 【請求項4】前記デジタル化した波形信号を平滑化した
    後、そのピーク値を求め、該ピーク値に対して所定割合
    となったタイミングを、陽電子の発生時点や消滅時点と
    することを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載
    の陽電子寿命測定方法。
  5. 【請求項5】陽電子の発生や消滅に伴って出されるγ線
    を検出するγ線検出手段と、 該検出した波形信号をデジタル化するデジタル化手段
    と、該デジタル化した波形信号を処理して、時間分解能
    200ps以下で時間スペクトルを得る波形解析手段
    と、を備えたことを特徴とする陽電子寿命測定装置。
  6. 【請求項6】 前記波形解析手段が、前記デジタル化した波形信号を平
    滑化する平滑化手段と、そのピーク値を求めるピーク値
    検出手段と、 該ピーク値に対して所定割合となったタイミングを、陽
    電子の発生時点や消滅時点とするタイミング検出手段
    と、 を含むことを特徴とする請求項5に記載の陽電子寿命測
    定装置。
  7. 【請求項7】前記γ線検出手段が複数設けられ、陽電子
    の発生及び消滅に伴って出されるγ線を、それぞれ独立
    に検出するようにされていることを特徴とする請求項5
    又は6に記載の陽電子寿命測定装置。
  8. 【請求項8】前記γ線検出手段が複数設けられ、陽電子
    の発生及び消滅に伴って出されるγ線を、共に検出する
    ようにされていることを特徴とする請求項5又は6に記
    載の陽電子寿命測定装置。
  9. 【請求項9】2つの前記γ線検出手段が、試料を挟んで
    対向する位置に設けられていることを特徴とする請求項
    7又は8に記載の陽電子寿命測定装置。
  10. 【請求項10】3つの前記γ線検出手段が、試料を中心
    に略T字状に配置されていることを特徴とする請求項8
    に記載の陽電子寿命測定装置。
  11. 【請求項11】4つの前記γ線検出手段が、試料を中心
    に略十字状に配置されていることを特徴とする請求項8
    に記載の陽電子寿命測定装置。
  12. 【請求項12】前記複数のγ線検出手段の出力が全て所
    定時間内に発生した時にのみ、検出した波形信号を前記
    デジタル化手段に取込むための一致検出手段を、更に備
    えたことを特徴とする請求項8乃至11のいずれかに記
    載の陽電子寿命測定装置。
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