JP2010223890A - Imaging method and imaging device using positron beam - Google Patents

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Nagayasu Oshima
永康 大島
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a high-performance image, by solving the problems wherein a conventional image obtained by measuring the energy distribution of annihilation gamma-rays or the positron lifetime distribution does not provide stable information on sample surface and contains noise. <P>SOLUTION: The high-performance image is obtained through a step of irradiating a measuring object with a positron beam in a scanning manner; a step of preparing an infographic by detecting discharged annihilation gamma-rays or scattered particles and preparing an image using the number of detected annihilation gamma-rays as contrast; and a step of preparing a new infographic from a combination of these images. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、分析や測定のために、陽電子ビームを試料等に照射し、その際陽電子が消滅することにより発生する消滅ガンマ線を利用して、試料等の測定対象物の画像を得る、陽電子ビームを用いた画像化方法及び画像化装置に関する。   The present invention irradiates a sample or the like with a positron beam for analysis or measurement, and uses an annihilation gamma ray generated by the annihilation of the positron, thereby obtaining an image of a measurement object such as a sample. The present invention relates to an imaging method and an imaging apparatus using the.

近年、陽電子ビームを試料に照射し、この照射された陽電子と試料中の電子との対消滅により発生するガンマ線を検出し、このガンマ線のエネルギー分布から材料の欠陥分析を行う各種の陽電子分析技術が知られている（特許文献１〜３参照）。また、試料表面に陽電子ビームを照射したときに発生する二次電子などを検出する電子検出器を備えて、その検出出力を試料表面に関する情報として用いる陽電子ビーム分析装置が提案されている（特許文献２参照）。また、低速陽電子ビームを試料表面上に収束して走査し、この照射された陽電子を試料中の電子と対消滅させ、この際に発生するγ線もしくは二次電子を検出する陽電子消滅分析装置（特許文献３参照）が提案されている。   In recent years, various positron analysis techniques have been used to irradiate a sample with a positron beam, detect gamma rays generated by the pair annihilation between the irradiated positrons and the electrons in the sample, and analyze material defects from the energy distribution of the gamma rays. It is known (see Patent Documents 1 to 3). There has also been proposed a positron beam analyzer that includes an electron detector that detects secondary electrons generated when a sample surface is irradiated with a positron beam and uses the detected output as information about the sample surface (Patent Literature). 2). In addition, a positron annihilation analyzer that scans the surface of the sample with a slow positron beam converged, scans the irradiated positrons with electrons in the sample, and detects γ rays or secondary electrons generated at this time ( Patent Document 3) has been proposed.

また、非特許文献においても、陽電子ビームを試料上に走査して入射して、消滅ガンマ線のエネルギー分布又は陽電子寿命分布を測定することにより、ガンマ線のエネルギー分布を特徴づけるパラメーターをコントラストとしたイメージを取得することや（非特許文献３又は４参照）、又は陽電子寿命分布を特徴付けるパラメーターをコントラストとしたイメージを取得すること（非特許文献１又は２参照）によって、材料の欠陥分布等の評価を行うことが知られている。   Also, in non-patent literature, a positron beam is scanned and incident on a sample, and the energy distribution of the annihilation gamma ray or the positron lifetime distribution is measured, so that an image with a contrast as a parameter characterizing the energy distribution of the gamma ray is obtained. Evaluation of material defect distribution, etc. is performed by acquiring (see Non-Patent Document 3 or 4) or by acquiring an image with contrast as a parameter characterizing the positron lifetime distribution (see Non-Patent Document 1 or 2). It is known.

消滅ガンマ線のエネルギー分布（エネルギースペクトルともいう）を測定することにより、消滅ガンマ線のエネルギー分布の形状を特徴づけるパラメーター（Ｓパラメーター、Ｗパラメーター、Ｖパラメーター）をコントラストとしたイメージを得る従来技術について、図１５〜１７を参照して説明する。   Fig. 1 shows the conventional technology for obtaining an image with contrast (S parameter, W parameter, V parameter) that characterizes the shape of the energy distribution of annihilation gamma rays by measuring the energy distribution (also called energy spectrum) of annihilation gamma rays. Description will be made with reference to 15 to 17.

消滅ガンマ線のエネルギー分布を測定する場合には、半導体検出器と呼ばれるガンマ線検出器が一般的に用いられ、一般的なガンマ線のエネルギー分布の測定回路の構成を図１５に示す。消滅ガンマ線検出器により消滅ガンマ線を検出した信号は、前置増幅器、比例増幅器を介してマルチチャンネル波高分析器に入力され、ガンマ線のエネルギー分布が測定される。陽電子の消滅ガンマ線は、エネルギー約511keV周辺に鋭いピークを形成する。一般的に得られる511keV付近のガンマ線のエネルギー分布を図１６に示す。消滅ガンマ線の分布を特徴付けるパラメーター（変数・指標）には、Ｓパラメーター、Ｗパラメーター、Ｖパラメーターがある。Ｓパラメーターは、511keV付近に現れるガンマ線分布のピークの鋭さ（拡がりの程度）をあらわし、511keV付近のピークの全体の検出数（面積）に対するピーク中心付近の検出数（面積）の割合で定義されている。Ｗパラメーターは、511keV付近に現れるガンマ線分布のピークの鋭さ（拡がりの程度）をあらわし、511keV付近のピークの全体の検出数（面積）に対するピーク裾野の検出数（面積）の割合で定義されている（図１６）。511keVピークが鋭いほどＳパラメーターは大きい値になり、Ｗパラメーターは小さい値になる。Ｖパラメーターは、511keVピークの全体の検出数（面積）Ａに対する、低エネルギー側の任意のエネルギー範囲の検出数（面積）Ｂの割合Ｖ＝Ｂ／Ａで定義されている（図１７）。なお、図１７は横軸にガンマ線エネルギー分布を縦軸に検出数（ログスケール）を示したＶパラメーターを説明するための図である。   When measuring the energy distribution of annihilation gamma rays, a gamma ray detector called a semiconductor detector is generally used, and FIG. 15 shows the configuration of a general gamma ray energy distribution measurement circuit. A signal obtained by detecting the annihilation gamma ray by the annihilation gamma ray detector is input to the multichannel wave height analyzer via the preamplifier and the proportional amplifier, and the energy distribution of the gamma ray is measured. Positron annihilation gamma rays form a sharp peak around an energy of about 511 keV. FIG. 16 shows a gamma ray energy distribution around 511 keV that is generally obtained. Parameters (variables / indexes) that characterize the distribution of annihilation gamma rays include S parameters, W parameters, and V parameters. The S parameter represents the sharpness (degree of spread) of the gamma-ray distribution peak that appears near 511 keV, and is defined as the ratio of the number of detections (area) near the peak center to the total number of detections (area) of the peaks near 511 keV. Yes. The W parameter indicates the sharpness (degree of spread) of the peak of the gamma ray distribution that appears near 511 keV, and is defined as the ratio of the number of detected peaks (area) to the total number of detected peaks (area) near 511 keV. (FIG. 16). The sharper the 511 keV peak, the larger the S parameter and the smaller the W parameter. The V parameter is defined as the ratio V = B / A of the detection number (area) B in an arbitrary energy range on the low energy side to the total detection number (area) A of the 511 keV peak (FIG. 17). FIG. 17 is a diagram for explaining the V parameter in which the horizontal axis indicates the gamma ray energy distribution and the vertical axis indicates the number of detections (log scale).

陽電子寿命分布を特徴付けるパラメーターをコントラストとしたイメージを取得する従来技術について図１８〜１９を参照して説明する。パルス化装置を通してパルス化した陽電子ビームを試料に走査して照射し、消滅ガンマ線を検出することにより、陽電子の寿命スペクトル（陽電子の寿命分布ともいう）を測定して、陽電子寿命分布を特徴づけるパラメーター（平均陽電子寿命、複数成分に分解された場合の陽電子寿命やその強度）をコントラストとしたイメージが得られる。陽電子の寿命分布を計測する場合には、シンチレーション検出器と呼ばれるガンマ線検出器が一般的に用いられ、一般的な陽電子寿命分布の測定回路を図１８に示す。陽電子ビームのパルス化装置から得られるパルス化の信号（トリガー信号）と、シンチレーション検出器による消滅ガンマ線の検出時刻との時間差から、試料中の陽電子の寿命を測定できる。ガンマ線を多数検出して、陽電子の寿命分布（陽電子の寿命スペクトル）を測定する。一般的に得られる陽電子の寿命分布を図１９に示す。陽電子寿命スペクトルを特徴付けるパラメーターとして、陽電子の平均寿命を計算することができる。また、スペクトルから、陽電子の複数の寿命成分に分解する場合があり、この場合には、各成分の寿命値と各寿命成分の強度が得られる。陽電子寿命イメージのコントラストには、平均寿命、各成分の寿命値、各寿命成分の強度等を選ぶことができる。   A conventional technique for obtaining an image with contrast as a parameter characterizing the positron lifetime distribution will be described with reference to FIGS. Parameters that characterize the positron lifetime distribution by measuring the positron lifetime spectrum (also referred to as the positron lifetime distribution) by irradiating the sample with a positron beam that has been pulsed through a pulse generator and detecting the annihilation gamma rays. An image having a contrast of (average positron lifetime, positron lifetime and intensity when decomposed into a plurality of components) can be obtained. When measuring the positron lifetime distribution, a gamma ray detector called a scintillation detector is generally used, and a typical positron lifetime distribution measurement circuit is shown in FIG. The lifetime of the positron in the sample can be measured from the time difference between the pulsed signal (trigger signal) obtained from the positron beam pulsing device and the annihilation gamma ray detection time by the scintillation detector. A large number of gamma rays are detected, and the positron lifetime distribution (positron lifetime spectrum) is measured. A generally obtained positron lifetime distribution is shown in FIG. As a parameter characterizing the positron lifetime spectrum, the average lifetime of the positron can be calculated. Further, the spectrum may be decomposed into a plurality of positron lifetime components, and in this case, the lifetime value of each component and the strength of each lifetime component are obtained. For the contrast of the positron lifetime image, the average lifetime, the lifetime value of each component, the strength of each lifetime component, and the like can be selected.

また、陽電子ビームを試料に照射した際に試料から真空中に放出される散乱粒子は、陽電子（非特許文献６）、電子（非特許文献６）、イオン（非特許文献５）があり、これらの散乱粒子を検出することが知られている。試料から真空中に放出されるこれらの散乱陽電子、散乱電子（２次電子ともいう）、又はイオン等の散乱粒子を、散乱粒子検出器により検出することにより、散乱粒子の検出数をコントラストとしたイメージ（散乱粒子画像ともいう）が得られる。散乱粒子の検出数は、散乱粒子の単位時間当たりの検出数（検出率や強度とも表現される）を含む概念である。しかし、いずれの特許文献及び非特許文献においても、イメージを取得する際に、消滅ガンマ線の検出数、あるいは消滅ガンマ線の単位時間当たりの検出数（検出率・強度）をコントラストとしたイメージ処理（イメージング）はなされていなかった。   The scattering particles emitted from the sample into the vacuum when the sample is irradiated with the positron beam include positron (Non-patent document 6), electron (Non-patent document 6), and ion (Non-patent document 5). It is known to detect scattered particles. By detecting the scattering particles such as these scattered positrons, scattered electrons (also called secondary electrons), or ions emitted from the sample in a vacuum with a scattering particle detector, the number of detected scattering particles is set as contrast. An image (also called a scattered particle image) is obtained. The number of scattered particles detected is a concept including the number of scattered particles detected per unit time (also expressed as detection rate and intensity). However, in any patent document or non-patent document, when acquiring an image, image processing (imaging) with the number of annihilation gamma rays detected or the number of annihilation gamma rays detected per unit time (detection rate / intensity) as a contrast. ) Was not done.

また、当発明者等は、陽電子ビームを収束して試料等に入射する陽電子ビーム装置を研究開発して、極微欠陥の計測を行ってきた（特許文献４、５）。また、陽電子寿命画像、散乱粒子画像及び計数率画像を画像化する技術の研究開発を行ってきた（非特許文献８参照）。   The inventors of the present invention have researched and developed a positron beam apparatus that converges a positron beam and makes it incident on a sample or the like, and have measured micro defects (Patent Documents 4 and 5). In addition, research and development have been conducted on techniques for imaging positron lifetime images, scattered particle images, and count rate images (see Non-Patent Document 8).

特開２００５−３３１４６０号公報JP 2005-331460 A 特開平９−３３４６１号公報JP-A-9-33461 特開平２０００−２９２３８０号公報JP 2000-292380 A 特開２００７−１３９５２５号公報JP 2007-139525 A 特開２００８−３０４２７６号公報JP 2008-304276 A

Ａ．Ｄａｖｉｄ， Ｇ．Ｋｏｇｅｌ， Ｐ．Ｓｐｅｒｒ，ａｎｄ Ｗ．Ｔｒｉｆｔｓｈａｕｓｅｒ， Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ． ８７， ０６７４０２−１ （２００１）．A. David, G.D. Kogel, P.M. Sperr, and W.C. Trifthauser, Phys. Rev. Lett. 87, 067402-1 (2001). Ｗ．Ｅｇｇｗｅ， Ｇ．Ｋｏｇｅｌ， Ｐ．Ｓｐｅｒｒ， Ｗ．Ｔｒｉｆｔｓｈａｕｓｅｒ， Ｓ．Ｒｏｄｌｉｎｇ， Ｊ．Ｂａｒ ａｎｄ Ｈ．−Ｊ．Ｇｕｄｌａｄｔ， Ａｐｐｌｉｅｄ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ １９４， ２１４ （２００２）．W. Eggwe, G.G. Kogel, P.M. Superr, W.M. Triftshauser, S.M. Rodling, J.M. Bar and H.H. -J. Guladtt, Applied Surface Science 194, 214 (2002). Ｍ．Ｈａａｋｓ ｅｔ ａｌ．， Ａｐｐｌｉｅｄ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ １４９， ２０７−２１０ （１９９９）．M.M. Haaks et al. , Applied Surface Science 149, 207-210 (1999). Ｍ．Ｍａｅｋａｗａ， Ａ．Ｋａｗａｓｕｓｏ， Ｔ．Ｈｉｒａｄｅ ａｎｄ Ｙ．Ｍｉｗａ， Ｍａｔｅｒ． Ｓｃｉ． Ｆｏｒｕｍ ６０７， ２６８ （２００９）．M.M. Maekawa, A .; Kawasuso, T .; Hirode and Y.H. Miwa, Mater. Sci. Forum 607, 268 (2009). Ｔ．Ａｋａｈａｎｅ， Ｓ．Ｔａｄｏｋｏｒｏ， Ｍ．Ｆｕｊｉｎａｍｉ， Ｔ．Ｓａｗａｄａ， “Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｏｓｉｔｒｏｎ ｉｎｄｕｃｅｄ ｉｏｎ ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ”， Ｍａｔｅｒ． Ｓｃｉ． Ｆｏｒｕｍ， ４４５−４４６， ３７０−３７４， （２００４）．T.A. Akahane, S .; Tadokoro, M .; Fujinami, T .; Sawada, “Observation of poisoned induction description”, Mater. Sci. Forum, 445-446, 370-374, (2004). “Ｐｏｓｉｔｒｏｎ Ｂｅａｍｓ ａｎｄ ｔｈｉｅｒ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ” ｅｄｉｔｏｒ Ｐａｕｌ Ｃｏｌｅｍａｎ， Ｗｏｒｌｄ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ，ｐｐ．１２９−１８９．“Positron Beams and ther applications”, editor Paul Coleman, World Scientific, pp. 129-189. Ｐ． Ｊ． Ｓｃｈｕｌｔｚ ａｎｄ Ｋ． Ｇ． Ｌｙｎｎ， Ｒｅｖ． Ｍｏｄ． Ｐｈｙｓ． ６０， ７０１−７７９（１９９８）．P. J. et al. Schultz and K.M. G. Lynn, Rev. Mod. Phys. 60, 701-779 (1998). 大島永康「陽電子を用いた実用的な３次元極微欠陥分布イメージング法の開発」、実環境計測・診断システム協議会ニュース第４６号２〜４頁、２００９年１月１５日発行、独立行政法人産業技術総合研究所 九州産学官連携センター実環境計測・診断システム協議会事務局発行編集Nagayasu Oshima, “Development of practical 3D micro defect distribution imaging method using positrons”, Real Environment Measurement and Diagnosis System Council News No. 46, 2-4, published on January 15, 2009, Sangyo Edited by the Secretariat of the Kyushu Industry-Academia-Government Collaboration Center Real Environment Measurement and Diagnosis System Council

背景技術で説明したように、陽電子ビームを試料上を走査して入射し、消滅ガンマ線のエネルギー分布又は陽電子寿命分布を測定してイメージを取得することが行われているが、これらは、試料の欠陥分布等の評価に限られ、その他の試料の材料等の評価には適さなかった。既に知られている陽電子ビーム分析装置において、さらに、分析位置に対応した試料表面の二次元画像を得て、より高性能でノイズのない画像化方法及び装置が、望まれる。また、試料表面の二次元画像を得る方法として、簡単な方法で、より情報がハイブリッド（高集積化）かつ高度化された画像化が、望まれる。   As described in the background art, a positron beam is scanned and incident on a sample, and an energy distribution of annihilation gamma rays or a positron lifetime distribution is measured to acquire an image. It was limited to evaluation of defect distribution and the like, and was not suitable for evaluation of materials of other samples. In a known positron beam analyzer, there is a need for a higher-performance and noise-free imaging method and apparatus that obtains a two-dimensional image of the sample surface corresponding to the analysis position. In addition, as a method for obtaining a two-dimensional image of the sample surface, it is desired to form an image in which information is more hybrid (high integration) and sophisticated by a simple method.

陽電子ビームを試料に照射した際に試料から真空中に放出される散乱粒子を検出する場合には、陽電子（非特許文献６）、電子（非特許文献６）、イオン（非特許文献５）のそれぞれの計数（計数率・強度）を行うと、材料の密度・表面の凹凸といった情報だけでない他の情報を担うことがある。例えば、試料から真空に放出する陽電子（非特許文献７）やイオンの量（非特許文献５）は、試料表面に付着した原子や分子の付着量に依存する場合がある。散乱粒子検出器の前に陽電子や電子やイオンを選別する仕組み、あるいは装置を準備しなければ、陽電子・電子・イオンの粒子を識別することが困難であり、散乱粒子イメージによって得られる情報は複雑となる。   When detecting scattering particles emitted from a sample into a vacuum when the sample is irradiated with a positron beam, the positron (Non-Patent Document 6), electron (Non-Patent Document 6), and ion (Non-Patent Document 5) If each count (counting rate / intensity) is performed, other information such as material density and surface irregularities may be carried. For example, the amount of positrons (Non-Patent Document 7) and ions (Non-Patent Document 5) emitted from the sample to the vacuum may depend on the amount of atoms and molecules attached to the sample surface. It is difficult to identify positron / electron / ion particles unless a mechanism or device for sorting positrons, electrons, and ions is prepared before the scattering particle detector, and the information obtained from scattered particle images is complicated. It becomes.

散乱粒子を検出して検出数をコントラストとして画像化した散乱粒子画像では、表面の微小な凹凸の一部を示すことができる。散乱粒子の画像は、表面の凹凸の違いを見るのにより適しているが、一方で表面の凹凸に敏感すぎるという問題がある。よって、散乱粒子画像のみでは、試料の密度や種類の違いのみを見るのには適していないという問題がある。   A scattered particle image obtained by detecting scattered particles and imaging the detected number as a contrast can show a part of minute unevenness on the surface. Scattered particle images are better suited to see differences in surface irregularities, but have the problem of being too sensitive to surface irregularities. Therefore, there is a problem that the scattered particle image alone is not suitable for viewing only the difference in sample density and type.

一方、従来は、消滅ガンマ線を検出器により検出した消滅ガンマ線のエネルギー分布を特徴づけるパラメーターや陽電子寿命分布を特徴付けるパラメーターをコントラストとしたイメージを作成して分析画像を得ていたが、これらの分析画像からは、材料分析に必要な材料の密度・表面の凹凸といった情報を得ることができなかったという問題がある。また、これらの分析画像を得るためには、陽電子ビームの照射（走査）位置を簡単に確認することが望まれていた。   On the other hand, in the past, analytical images were obtained by creating images with contrasting parameters that characterize the energy distribution of annihilation gamma rays detected by a detector and parameters that characterize the positron lifetime distribution. Therefore, there is a problem that information such as material density and surface roughness necessary for material analysis could not be obtained. Further, in order to obtain these analysis images, it has been desired to easily confirm the irradiation (scanning) position of the positron beam.

このように、イメージの測定（イメージング）を行う際、ガンマ線検出器により消滅ガンマ線の検出数、あるいは消滅ガンマ線の単位時間当たりの検出数（検出率・強度）をコントラストとしてイメージ処理（イメージング）をしたものはなかった。本発明者が提案するガンマ線検出数（強度）画像は、材料の密度や種類の違いのみを明確に見るのにより適している。ガンマ線検出数（強度）画像は、陽電子寿命画像や散乱粒子画像とは異なる画像になり、特に未知の試料に対して陽電子寿命画像による診断を行う場合には、事前に試料に対しての十分な情報を得ていない場合が想定され、試料分析のための貴重で有用なヒントを、ガンマ線検出数（強度）画像は与える。   In this way, when performing image measurement (imaging), image processing (imaging) was performed using the number of annihilation gamma rays detected by the gamma ray detector or the number of annihilation gamma rays detected per unit time (detection rate / intensity) as contrast. There was nothing. The gamma ray detection number (intensity) image proposed by the present inventor is more suitable for clearly seeing only the difference in material density and type. The gamma-ray detection number (intensity) image is different from the positron lifetime image and scattered particle image. In particular, when performing diagnosis using a positron lifetime image for an unknown sample, it is sufficient for the sample in advance. It is assumed that no information is available and the gamma ray detection number (intensity) image provides valuable and useful hints for sample analysis.

しかし、照射する陽電子ビームの強度が揺らぐ（時々刻々と変化する）場合、散乱粒子イメージと消滅ガンマ線検出数（検出率・強度）イメージのコントラストは、どちらもビーム強度に比例するためにビーム強度揺らぎの影響を受けてしまい正しいイメージを取得することはできないという問題があることを発明者は発見した。特に加速器を利用した高強度の陽電子ビームでは、しばしばビーム強度が時間と共に揺らぐ（時々刻々と変化する）場合があり、これを画像化するとノイズが入り、不安定なイメージングになってしまうという問題がある。   However, when the intensity of the irradiated positron beam fluctuates (changes from moment to moment), the contrast between the scattered particle image and the number of detected annihilation gamma rays (detection rate / intensity) image is proportional to the beam intensity. The inventor has found that there is a problem that a correct image cannot be obtained due to the influence of. Especially in the case of a high-intensity positron beam using an accelerator, the beam intensity often fluctuates with time (changes from moment to moment), and when this is imaged, there is a problem that noise enters and results in unstable imaging. is there.

本発明は、これらの問題を解決しようとするものであり、測定対象物である試料等の材料・密度・凹凸の表面状態情報をより高性能でノイズのない画像を得ることを目的とするものである。また、本発明は、陽電子寿命画像や散乱粒子画像などの従来の分析画像とともに消滅ガンマ線検出数のコントラスト画像を用いることにより、測定対象物の情報が集積化された、高精度な画像を得ることを目的とするものである。また、陽電子ビームを走査して照射する際の、試料の位置合わせの確認を、従来からあるガンマ線検出器を利用することにより簡便に実施できることを目的とする。   The present invention is intended to solve these problems, and aims to obtain a high-performance and noise-free image of the surface state information of the material, density, and unevenness of a sample as a measurement object. It is. In addition, the present invention uses a contrast image with the number of annihilation gamma rays detected together with a conventional analysis image such as a positron lifetime image or a scattered particle image, thereby obtaining a highly accurate image in which information on the measurement object is integrated. It is intended. It is another object of the present invention to confirm the alignment of a sample when irradiating with a positron beam by using a conventional gamma ray detector.

そして、本発明は、上記目的を達成するために、次の特徴を有するものである。   And in order to achieve the said objective, this invention has the following characteristics.

本発明の陽電子ビームを用いた画像化方法は、陽電子ビームを測定対象物に走査して照射し、前記陽電子ビームの照射により放出される消滅ガンマ線又は散乱粒子を検出して測定対象物の第１の分析画像を作成するとともに、陽電子が消滅することにより発生する消滅ガンマ線の検出数を求めて前記検出数をコントラストとした消滅ガンマ線検出数画像を作成して、前記第１の分析画像及び前記消滅ガンマ線検出数画像に基づき、第２の分析画像を作成することを特徴とするものである。また、前記第１の分析画像は、前記陽電子ビームの照射により放出される散乱粒子を検出して得た散乱粒子画像であることを特徴とする。さらに、前記第２の分析画像は、消滅ガンマ線検出数と散乱粒子検出数の比をコントラストとする画像であることを特徴とする。本発明における、「コントラストとする画像」とは単色の濃淡のみでなく、カラー化することも含むものである。本発明で、「消滅ガンマ線検出数」とは、消滅ガンマ線の検出数または消滅ガンマ線の単位時間当たりの検出数（検出率または強度ともいう）をいう。また、本発明で、「散乱粒子検出数」とは、散乱粒子の検出数また散乱粒子の単位時間当たりの検出数（検出率または強度ともいう）をいう。   The imaging method using a positron beam according to the present invention scans and irradiates a measurement object with a positron beam, detects annihilation gamma rays or scattered particles emitted by the irradiation of the positron beam, and detects the first of the measurement object. And generating an annihilation gamma ray detection number image with the detection number as a contrast by obtaining a detection number of annihilation gamma rays generated by the annihilation of positrons, and generating the first analysis image and the annihilation The second analysis image is created based on the gamma ray detection number image. Further, the first analysis image is a scattered particle image obtained by detecting scattered particles emitted by irradiation with the positron beam. Further, the second analysis image is an image having a contrast between the number of detected annihilation gamma rays and the number of detected scattered particles. In the present invention, the “contrast image” includes not only a single color shade but also colorization. In the present invention, the “number of detected annihilation gamma rays” refers to the number of annihilation gamma rays detected or the number of annihilation gamma rays detected per unit time (also referred to as detection rate or intensity). In the present invention, the “number of scattered particles detected” refers to the number of scattered particles detected or the number of scattered particles detected per unit time (also referred to as detection rate or intensity).

また、本発明の陽電子ビームを用いた画像化方法は、前記陽電子ビームの照射により放出される消滅ガンマ線に基づく陽電子寿命画像を同時に作成することを特徴とする。   The imaging method using a positron beam according to the present invention is characterized in that a positron lifetime image based on annihilation gamma rays emitted by the irradiation of the positron beam is created simultaneously.

また、前記第２の分析画像は、陽電子ビーム照射装置のノイズを除去した分析画像であることを特徴とする。   Further, the second analysis image is an analysis image from which noise of the positron beam irradiation apparatus is removed.

また、前記第１の分析画像は、前記陽電子ビームの照射により放出される消滅ガンマ線に基づく陽電子寿命画像であることを特徴とする。   The first analysis image is a positron lifetime image based on annihilation gamma rays emitted by irradiation with the positron beam.

本発明の陽電子ビームを用いた画像化方法は、陽電子ビームを測定対象物に走査して照射し、陽電子が消滅することにより発生するガンマ線を検出して、消滅ガンマ線の検出数を求めるとともに、前記測定対象物から散乱される粒子を検出して、散乱粒子検出数を求め、前記消滅ガンマ線検出数と前記散乱粒子検出数の比に基づく画像を作成することを特徴とする。   The imaging method using a positron beam of the present invention scans and irradiates a measurement object with a positron beam, detects gamma rays generated by the disappearance of positrons, obtains the number of detected annihilation gamma rays, and Particles scattered from the measurement object are detected, the number of scattered particles detected is obtained, and an image based on the ratio between the number of detected annihilation gamma rays and the number of detected scattered particles is created.

本発明の陽電子ビームを用いた画像化装置は、測定対象物に陽電子ビームを走査して照射する手段と、陽電子が消滅することにより発生する消滅ガンマ線を検出する消滅ガンマ線検出器と、前記消滅ガンマ線の検出数を計数する手段と、前記測定対象物からの散乱粒子を検出する検出器と、前記散乱粒子の検出数を計数する手段と、前記消滅ガンマ線の検出数と散乱粒子の検出数の比に基づく画像を作成する手段とからなることを特徴とする。   The imaging apparatus using a positron beam according to the present invention includes means for scanning and irradiating a measurement object with a positron beam, an annihilation gamma ray detector for detecting an annihilation gamma ray generated by the annihilation of the positron, and the annihilation gamma ray. A means for counting the number of detected particles, a detector for detecting scattered particles from the measurement object, a means for counting the number of detected scattered particles, and a ratio between the number of detected annihilation gamma rays and the number of detected scattered particles. And means for creating an image based on the above.

本発明によれば、測定対象物である試料等の材料・密度・凹凸の表面情報をより高性能でノイズのない画像を得ることができる。また、本発明によれば、陽電子寿命画像や散乱粒子画像などの従来の分析画像とともに消滅ガンマ線検出数のコントラスト画像を用いることにより、測定対象物の情報が集積化された、高精度な画像を得ることができる。また、陽電子ビームを走査して照射する際の、試料の位置合わせの確認を、従来からあるガンマ線検出器を利用することにより簡便に実施できる。   According to the present invention, it is possible to obtain a high-performance and noise-free image of the surface information of the material, density, and unevenness of a sample as a measurement object. Further, according to the present invention, by using a contrast image with the number of detected annihilation gamma rays together with a conventional analysis image such as a positron lifetime image and a scattered particle image, a high-accuracy image in which information of a measurement object is integrated is obtained. Obtainable. Also, confirmation of sample alignment when irradiating with a positron beam can be easily performed by using a conventional gamma ray detector.

本発明の第１の実施の形態で用いる陽電子ビーム照射装置。The positron beam irradiation apparatus used in the first embodiment of the present invention. 本発明の第２の実施の形態で用いる陽電子ビーム照射装置。The positron beam irradiation apparatus used in the second embodiment of the present invention. 本発明を説明するための陽電子ビームが照射された際の消滅ガンマ線の発生を示す図。The figure which shows generation | occurrence | production of the annihilation gamma ray when the positron beam for demonstrating this invention is irradiated. 本発明の消滅ガンマ線の検出数の測定を説明する図。The figure explaining the measurement of the detection number of the annihilation gamma ray of this invention. 本発明の消滅ガンマ線の検出数の測定回路。3 is a circuit for measuring the number of detected annihilation gamma rays according to the present invention. 本発明の消滅ガンマ線の検出数の他の測定回路。The other measurement circuit of the detection number of the annihilation gamma ray of this invention. 本発明の消滅ガンマ線の検出数の他の測定回路。The other measurement circuit of the detection number of the annihilation gamma ray of this invention. 試料の作成を説明する図。The figure explaining preparation of a sample. 試料の側面及び正面を示す図。The figure which shows the side surface and front surface of a sample. 本発明の画像の図。The figure of the picture of the present invention. 本発明の他の画像の図。FIG. 4 is another image of the present invention. 本発明の試料及び画像を示す図。The figure which shows the sample and image of this invention. 本発明の比をコントラストとした画像を示す図。The figure which shows the image which made the ratio of this invention contrast. 本発明の実験結果の画像の図。The figure of the image of the experimental result of this invention. 従来のガンマ線のエネルギー分布の測定回路を示す図。The figure which shows the conventional measurement circuit of the energy distribution of a gamma ray. 従来のガンマ線のエネルギー分布を示す図。The figure which shows the energy distribution of the conventional gamma ray. 従来のＶパラメーターを説明する図。The figure explaining the conventional V parameter. 従来の陽電子寿命分布の測定回路を示す図。The figure which shows the measurement circuit of the conventional positron lifetime distribution. 従来の陽電子寿命分布を示す図。The figure which shows the conventional positron lifetime distribution.

本発明は、陽電子ビームを試料等に照射し、その際陽電子が消滅することにより発生する消滅ガンマ線の検出数を求めて、検出数に基づくガンマ線検出数画像を作成し、これを従来の分析画像と組み合わせて画像化する方法及び装置である。   The present invention irradiates a sample or the like with a positron beam, determines the number of annihilation gamma rays generated by annihilation of the positron, and creates a gamma ray detection number image based on the number of detections. And an image forming method and apparatus.

（第１の実施の形態）
本発明の装置及び方法を第１の実施の形態を図１を参照して説明する。本発明の装置は、図１の概略図に示すように、陽電子ビーム源Ａ、陽電子ビームＢ、ビーム走査システム、消滅ガンマ線検出器Ｇ、散乱粒子検出器Ｊ、測定試料Ｅ及びこれらを囲む真空壁Ｈから主に構成される。ビーム走査システムは、ＸＹビーム偏向器ＣまたはＸＹ可動式試料ステージＤなどを利用する。陽電子ビーム源Ａから発射される陽電子ビームＢを試料Ｅに照射し、その際陽電子が消滅することにより発生する消滅ガンマ線Ｆを消滅ガンマ線検出器Ｇにより検出する。また、陽電子ビームＢを試料Ｅに照射した際、同時に放出される散乱陽電子Ｉ及び散乱粒子Ｉ２（電子とイオン）を散乱粒子検出器Ｊで検出する。得られる消滅ガンマ線の検出数または消滅ガンマ線の単位時間当たりの検出数（検出率または強度ともいう）をコントラストとしたイメージ（消滅ガンマ線検出数画像という）を取得する。また、散乱粒子検出器により検出した散乱粒子の検出数（検出率・強度）をコントラストとしたイメージ（散乱粒子画像という）を取得する。散乱粒子検出器とガンマ線検出器を同時に用いることにより、消滅ガンマ線の検出数、あるいは検出率（強度）をコントラストとしたイメージは、散乱粒子検出数（検出率・強度）をコントラストとしたイメージと同時に得ることができる。そして、同時に得られた消滅ガンマ線の検出数画像と散乱粒子画像を組み合わせることにより新たな分析画像を得る。例えば、消滅ガンマ線の検出数画像と散乱粒子画像のコントラストの比をとることによりノイズの相殺された分析画像を得ることができる。また、消滅ガンマ線の検出数画像は試料表面の材料の種類、凹凸を画像化でき、一方散乱粒子画像は凹凸の画像化が不安定であるところから、両者を組み合わせることにより、安定した表面情報を画像化することができる。 (First embodiment)
A first embodiment of the apparatus and method of the present invention will be described with reference to FIG. As shown in the schematic diagram of FIG. 1, the apparatus of the present invention includes a positron beam source A, a positron beam B, a beam scanning system, an annihilation gamma ray detector G, a scattered particle detector J, a measurement sample E, and a vacuum wall surrounding them. Mainly composed of H. The beam scanning system uses an XY beam deflector C, an XY movable sample stage D, or the like. A sample E is irradiated with a positron beam B emitted from a positron beam source A, and an annihilation gamma ray F generated by annihilation of the positron at that time is detected by an annihilation gamma ray detector G. When the sample E is irradiated with the positron beam B, the scattered positron I and the scattered particles I2 (electrons and ions) simultaneously emitted are detected by the scattered particle detector J. An image (referred to as an annihilation gamma ray detection number image) in which the number of detected annihilation gamma rays or the number of annihilation gamma rays detected per unit time (also referred to as detection rate or intensity) is used as a contrast is acquired. Also, an image (referred to as a scattered particle image) is acquired with the number of scattered particles detected (detection rate / intensity) detected by the scattered particle detector as a contrast. By using the scattering particle detector and gamma ray detector at the same time, the image with the number of annihilation gamma rays detected or the detection rate (intensity) as contrast is the same as the image with the number of scattered particle detections (detection rate / intensity) as contrast. Obtainable. A new analysis image is obtained by combining the annihilation gamma ray detection number image obtained simultaneously with the scattered particle image. For example, an analysis image in which noise is canceled can be obtained by taking the ratio of the contrast between the number of detected annihilation gamma rays and the scattered particle image. In addition, the number of detected annihilation gamma rays can be used to image the type of material and irregularities on the sample surface, while the scattered particle image is unstable due to unstable imaging. By combining the two, stable surface information can be obtained. Can be imaged.

（第２の実施の形態）
第２の実施の形態を図２を参照して説明する。図２の概略図に示すように、陽電子ビーム源Ａ、陽電子ビームＢ、ビーム走査システム（ＸＹ可動式試料ステージ）、消滅ガンマ線検出器Ｇ、散乱粒子検出器Ｊ、測定試料Ｅ及びこれらを囲む真空壁Ｈ、さらに、陽電子ビームを集束して試料に入射するためのビームレンズ（集束レンズ）Ｋ、及びビームの打ち込み深さを調整するためのビーム加速部Ｌを主とする構成である。さらに、陽電子ビームをパルス化するために、パルス化装置Ｍを備えている。陽電子寿命をコントラストとしたイメージを取得する時には、陽電子ビームをパルス化することが好ましい。陽電子ビーム源Ａから発射されパルス化装置Ｍによりパルス化された陽電子ビームＢを試料Ｅに照射し、その際陽電子が消滅することにより発生する消滅ガンマ線Ｆを消滅ガンマ線検出器Ｇにより検出する。また、陽電子ビームＢを試料Ｅに照射した際、同時に放出される散乱陽電子Ｉ及び散乱粒子Ｉ２（電子とイオン）を散乱粒子検出器Ｊで検出する。消滅ガンマ線を検出することにより、陽電子の寿命スペクトル（陽電子の寿命分布ともいう）を測定して、陽電子寿命分布を特徴づけるパラメーター（平均陽電子寿命、複数成分に分解された場合の陽電子寿命やその強度）をコントラストとしたイメージ（陽電子寿命画像という）を取得する。また、得られる消滅ガンマ線の検出数または消滅ガンマ線の単位時間当たりの検出数（検出率または強度ともいう）をコントラストとしたイメージ（消滅ガンマ線検出数画像）を取得する。また、散乱粒子検出器により検出した散乱粒子の検出数（検出率・強度）をコントラストとしたイメージ（散乱粒子画像）を取得する。このように、散乱粒子検出器とガンマ線検出器を同時に用いることにより、消滅ガンマ線の検出数、あるいは検出率（強度）をコントラストとしたイメージは、散乱粒子検出数（検出率・強度）をコントラストとしたイメージと同時に得ることができる。また、消滅ガンマ線の検出数、あるいは検出率をコントラストとしたイメージは、陽電子寿命分布を特徴づけるパラメーターをコントラストとしたイメージと同じ消滅ガンマ線検出器を用いて同時に得ることができる。 (Second Embodiment)
A second embodiment will be described with reference to FIG. As shown in the schematic diagram of FIG. 2, a positron beam source A, a positron beam B, a beam scanning system (XY movable sample stage), an annihilation gamma ray detector G, a scattered particle detector J, a measurement sample E, and a vacuum surrounding them. The structure mainly includes a wall H, a beam lens (focusing lens) K for focusing the positron beam to enter the sample, and a beam accelerating portion L for adjusting the beam implantation depth. Furthermore, a pulsing device M is provided for pulsing the positron beam. When acquiring an image having a positron lifetime as a contrast, it is preferable to pulse the positron beam. A sample E is irradiated with a positron beam B emitted from a positron beam source A and pulsed by a pulse generator M, and an annihilation gamma ray F generated by annihilation of positrons at that time is detected by an annihilation gamma ray detector G. When the sample E is irradiated with the positron beam B, the scattered positron I and the scattered particles I2 (electrons and ions) simultaneously emitted are detected by the scattered particle detector J. Parameters that characterize positron lifetime distribution (average positron lifetime, positron lifetime and its intensity when decomposed into multiple components) by measuring positron lifetime spectrum (also called positron lifetime distribution) by detecting annihilation gamma rays ) Is used as a contrast image (referred to as a positron lifetime image). In addition, an image (an annihilation gamma ray detection number image) having the contrast of the number of detected annihilation gamma rays or the number of annihilation gamma rays detected per unit time (also referred to as detection rate or intensity) is acquired. Also, an image (scattered particle image) is acquired with the number of scattered particles detected (detection rate / intensity) detected by the scattered particle detector as a contrast. In this way, by using the scattering particle detector and the gamma ray detector at the same time, an image with the number of annihilation gamma rays detected or the detection rate (intensity) as contrast, the number of scattered particles detected (detection rate / intensity) as contrast. Can be obtained at the same time as the done image. Further, an image with the contrast of the number of detected annihilation gamma rays or the detection rate can be obtained at the same time using the same annihilation gamma ray detector as the image having the contrast characterizing the positron lifetime distribution.

（第３の実施の形態）
第３の実施の形態では、第２の実施の形態で示した陽電子寿命の測定に代えて、もしくはさらに加えて、消滅ガンマ線のエネルギー分布を測定することも同時に行う。陽電子ビームを材料等に走査して照射し、その際陽電子が消滅することにより発生する消滅ガンマ線のエネルギー分布（エネルギースペクトルともいう）を測定することにより、消滅ガンマ線のエネルギー分布の形状を特徴づけるパラメーター（Ｓパラメーター、Ｗパラメーター、Ｖパラメーター等）をコントラストとしたイメージを取得する。これと一緒に、消滅ガンマ線の検出数または消滅ガンマ線の単位時間当たりの検出数（検出率または強度ともいう）をコントラストとしたイメージ（消滅ガンマ線検出数画像）を取得する。また、散乱粒子検出器により検出した散乱粒子の検出数（検出率・強度）をコントラストとしたイメージ（散乱粒子画像）を取得する。消滅ガンマ線の検出数、あるいは検出率をコントラストとしたイメージは、消滅ガンマ線のエネルギー分布の形状を特徴づけるパラメーターをコントラストとしたイメージと同じ消滅ガンマ線検出器を用いて同時に得ることができる。 (Third embodiment)
In the third embodiment, instead of or in addition to the measurement of the positron lifetime shown in the second embodiment, the energy distribution of annihilation gamma rays is also measured at the same time. A parameter that characterizes the shape of the energy distribution of annihilation gamma rays by measuring the energy distribution of annihilation gamma rays (also referred to as energy spectrum) generated by irradiating the material with a positron beam. An image with contrast (S parameter, W parameter, V parameter, etc.) is acquired. Along with this, an image (an annihilation gamma ray detection number image) having the number of annihilation gamma rays detected or the number of annihilation gamma rays detected per unit time (also referred to as a detection rate or intensity) as a contrast is acquired. Also, an image (scattered particle image) is acquired with the number of scattered particles detected (detection rate / intensity) detected by the scattered particle detector as a contrast. An image with the number of annihilation gamma rays detected or the detection rate as contrast can be obtained simultaneously using the same annihilation gamma ray detector as the image with contrast as a parameter characterizing the shape of the energy distribution of the annihilation gamma rays.

（第４の実施の形態）
第２の実施の形態では陽電子寿命画像と散乱粒子画像とガンマ線検出数画像の３画像を取得したが、これに換えて、第４の実施の形態では、陽電子寿命画像とガンマ線検出数画像と２画像を取得し、これに基づいて新たな分析画像を作成する。ガンマ線検出数画像は、陽電子寿命画像にない試料の表面情報を有しているので、陽電子寿命画像に、ガンマ線粒子画像の表面情報を組み合わせることにより、新たな分析画像が得られる。 (Fourth embodiment)
In the second embodiment, three images of a positron lifetime image, a scattered particle image, and a gamma ray detection number image are acquired. Instead, in the fourth embodiment, a positron lifetime image, a gamma ray detection number image, and 2 An image is acquired, and a new analysis image is created based on the acquired image. Since the gamma ray detection number image has surface information of the sample which is not in the positron lifetime image, a new analysis image can be obtained by combining the surface information of the gamma ray particle image with the positron lifetime image.

（消滅ガンマ線検出数画像について）
本発明の特徴である消滅ガンマ線検出数画像について詳しく述べる。消滅ガンマ線の検出数や消滅ガンマ線の単位時間当たりの検出数（検出率または強度）をコントラストとしたイメージを取得することにより、試料での陽電子の消滅のしやすさ、あるいは陽電子の反射のしやすさに関する情報を得ることができ、試料の分析や、陽電子ビームの試料の照射部を確認するのに有用である。これは、次のように説明できる。陽電子ビームＢを試料Ｅに照射した際に、散乱した陽電子Ｎは、多くの場合、試料から離れた真空壁Ｈで消滅して消滅ガンマ線Ｏを発生する。陽電子が試料Ｅで消滅することにより発生する消滅ガンマ線Ｆと、散乱した陽電子Ｎが試料以外（真空壁Ｈ等）で消滅することにより発生する消滅ガンマ線Ｏとは、消滅ガンマ線の発生する場所が異なるために、消滅ガンマ線の検出器により検出される確率が異なる（図３）ためと考えられる。また、消滅ガンマ線の検出数、あるいは検出率をコントラストとしたイメージは、消滅ガンマ線のエネルギー分布を特徴づけるパラメーター・陽電子寿命分布を特徴付けるパラメーターをコントラストとしたイメージからは得られない材料の密度・表面の凹凸といった情報を知ることができるため、材料分析や研究に有用であり、また、陽電子ビームの照射（走査）位置を確認するのにも有用である。また、散乱粒子画像により得られる試料表面の情報が複雑であるのに対して、消滅ガンマ線の検出数（検出率・強度）のイメージは、散乱電子や脱離イオンが関与せず、散乱陽電子のみが関与した結果得られる情報であるために解釈がより容易であり、試料表面に付着した不純物の影響を受けにくい。 (About annihilation gamma ray detection number images)
The annihilation gamma ray detection number image, which is a feature of the present invention, will be described in detail. Easier positron annihilation or reflection of positrons on the sample by acquiring images with contrast of the number of annihilation gamma rays detected and the number of annihilation gamma rays detected per unit time (detection rate or intensity) It is useful for analyzing the sample and confirming the irradiation part of the sample of the positron beam. This can be explained as follows. When the sample E is irradiated with the positron beam B, the scattered positrons N often disappear at the vacuum wall H away from the sample and generate annihilation gamma rays O. An annihilation gamma ray F generated by annihilation of positrons in the sample E and an annihilation gamma ray O generated by annihilation of the scattered positrons N other than the sample (vacuum wall H or the like) are different in places where the annihilation gamma rays are generated. Therefore, it is considered that the probability of detection by the annihilation gamma ray detector is different (FIG. 3). In addition, the image with the number of annihilation gamma rays detected or the detection rate as contrast is a parameter that characterizes the energy distribution of annihilation gamma rays, the density of the material that cannot be obtained from the image with contrast as the parameter that characterizes the positron lifetime distribution, and the surface density. Since information such as unevenness can be known, it is useful for material analysis and research, and also useful for confirming the irradiation (scanning) position of a positron beam. In addition, while the information on the sample surface obtained from the scattered particle image is complex, the image of the number of detected annihilation gamma rays (detection rate / intensity) does not involve scattered electrons or desorbed ions, but only scattered positrons. This is information obtained as a result of the involvement of, so that it is easier to interpret and less affected by impurities attached to the sample surface.

（消滅ガンマ線の検出数の求め方）
（１）従来技術のＳパラメーター、Ｗパラメーター、Ｖパラメーターは共に、統計的な揺らぎを除けばガンマ線の検出数に依存しないで、ガンマ線エネルギースペクトル（分布）の形状に依存した値である。一方、消滅ガンマ線の検出数を求める場合には、あるエネルギー範囲の検出数（面積）を求めればよい。例えば、測定したガンマ線エネルギー分布の評価法を図示した図４において、511keVピーク全体の検出数（斜線の面積）を求めればよい。また例えば、図１７において、0keV近くから511keVピーク全体の検出数（面積）を含む高エネルギー側の範囲までのガンマ線の全検出数を求めればよい。あるいは、消滅ガンマ線の検出率（強度）を求める場合には、あるエネルギー範囲の検出数（面積）を測定時間で割ったものを求めればよい。陽電子ビームの照射位置の情報とガンマ線の検出数（検出率・強度）を同時に得ることにより、陽電子消滅ガンマ線の検出数（検出数・強度）をコントラストとしたイメージングを行うことができる。 (How to determine the number of annihilation gamma rays detected)
(1) The S parameter, W parameter, and V parameter of the prior art are values that depend on the shape of the gamma ray energy spectrum (distribution) without depending on the number of detected gamma rays except for statistical fluctuations. On the other hand, when the number of detected annihilation gamma rays is obtained, the number (area) of detection in a certain energy range may be obtained. For example, in FIG. 4 illustrating the evaluation method of the measured gamma-ray energy distribution, the number of detected 511 keV peaks (area of hatched lines) may be obtained. Further, for example, in FIG. 17, the total number of detected gamma rays from near 0 keV to the range on the high energy side including the total number of detected 511 keV peaks (area) may be obtained. Alternatively, when obtaining the detection rate (intensity) of annihilation gamma rays, the number of detections (area) in a certain energy range divided by the measurement time may be obtained. By obtaining information on the irradiation position of the positron beam and the number of detected gamma rays (detection rate / intensity) at the same time, imaging with the number of detected positron annihilation gamma rays (detection number / intensity) as contrast can be performed.

（２）半導体検出器と呼ばれるガンマ線検出器を用いてガンマ線の検出数（あるいは検出率・強度）を測定する場合に、マルチチャンネル波高分析器を用いてガンマ線のエネルギー分布を測定しなくとも、カウンタやスケーラを用いて直接計数することによりシンプルな回路を用いて測定することができる。図５のように、ガンマ線検出器により消滅ガンマ線が検出された信号を、前置増幅器、比例増幅器、波高分析器を介してカウンタ又はスケーラに入力して、カウンタ又はスケーラにより検出数を計数し、かつコンピューターによりビーム照射位置を制御する。
（３）陽電子寿命測定のための装置構成を用いて、消滅ガンマ線の検出数を求める場合には、陽電子寿命スペクトルのある時間範囲の検出数（面積）を求めればよい。例えば、図１９に示す陽電子寿命スペクトル全体の面積を求めて検出数とすればよい。陽電子寿命測定のための装置構成を用いて、単位時間あたりの消滅ガンマ線の検出数を求める場合には、陽電子寿命スペクトルのある時間範囲の検出数（面積）を測定時間で割ればよい。 (2) When measuring the number of detected gamma rays (or detection rate / intensity) using a gamma ray detector called a semiconductor detector, even if the gamma ray energy distribution is not measured using a multichannel wave height analyzer, the counter It is possible to measure using a simple circuit by directly counting using a scaler. As shown in FIG. 5, the signal from which the annihilation gamma ray is detected by the gamma ray detector is input to the counter or the scaler via the preamplifier, the proportional amplifier, and the wave height analyzer, and the number of detections is counted by the counter or the scaler. The beam irradiation position is controlled by a computer.
(3) When determining the number of annihilation gamma rays detected using the apparatus configuration for positron lifetime measurement, the number of detections (area) in a certain time range of the positron lifetime spectrum may be determined. For example, what is necessary is just to obtain | require the area of the whole positron lifetime spectrum shown in FIG. When the number of annihilation gamma rays detected per unit time is obtained using an apparatus configuration for positron lifetime measurement, the number of detections (area) in a certain time range of the positron lifetime spectrum may be divided by the measurement time.

（４）シンチレーション検出器を用いてガンマ線の検出数（あるいは検出率・強度）を測定する場合に、マルチチャンネル波高分析器を用いて陽電子の寿命分布を測定しなくとも、カウンタやスケーラを用いるよりシンプルな回路を用いて測定することができる。図６のように、ガンマ線検出器により消滅ガンマ線が検出された信号を、微分型波高分析器、時間波高変換器を介してカウンタに入力して、カウンタにより検出数を計数し、かつコンピューターによりビーム照射位置を制御する。または、図７のように、ガンマ線検出器により消滅ガンマ線が検出された信号を、微分型波高分析器を介してカウンタに入力して、カウンタにより検出数を計数する。 (4) When measuring the number of detected gamma rays (or detection rate / intensity) using a scintillation detector, a counter or scaler is used instead of measuring the positron lifetime distribution using a multichannel wave height analyzer. It can be measured using a simple circuit. As shown in FIG. 6, a signal in which annihilation gamma rays are detected by a gamma ray detector is input to a counter via a differential wave height analyzer and a time wave height converter, the number of detections is counted by the counter, and a beam is obtained by a computer. Control the irradiation position. Alternatively, as shown in FIG. 7, a signal in which annihilation gamma rays are detected by the gamma ray detector is input to the counter via the differential wave height analyzer, and the number of detections is counted by the counter.

（実施例）
消滅ガンマ線画像と散乱粒子画像と陽電子寿命画像とを取得し新しい分析画像を得た実施例を示す。 (Example)
An example in which an annihilation gamma ray image, a scattered particle image, and a positron lifetime image are acquired and a new analysis image is obtained will be shown.

図２に示すような、陽電子寿命をコントラストとしたイメージを測定するための装置を用いた。ビーム径100マイクロメートルほどの陽電子ビームＢをパルス化装置Ｍを通してパルス化陽電子ビームに変換して、試料Ｅ上を50マイクロメートルステップで走査して、１ステップの測定時間を２秒に設定して、消滅ガンマ線を検出する。走査には、ＸＹ可動式試料ステージＤを用いる。パルス化装置Ｍのパルス化信号と、ガンマ線検出器Ｇのガンマ線検出信号の時間差を用いて陽電子寿命を測定することにより、陽電子寿命（陽電子の平均寿命）をコントラストとしたイメージを得る。陽電子寿命をコントラストとしたイメージを測定する際に、同時に消滅ガンマ線の検出数（検出率・強度）を記録して、記録した消滅ガンマ線の検出率数（検出率・強度）をコントラストとしたイメージを得る。   An apparatus for measuring an image having a positron lifetime as a contrast as shown in FIG. 2 was used. A positron beam B having a beam diameter of about 100 micrometers is converted into a pulsed positron beam through the pulse device M, and the sample E is scanned in 50 micrometer steps, and the measurement time for one step is set to 2 seconds. Detect annihilation gamma rays. An XY movable sample stage D is used for scanning. By measuring the positron lifetime using the time difference between the pulsed signal of the pulsing device M and the gamma ray detection signal of the gamma ray detector G, an image with the contrast of the positron lifetime (average lifetime of positron) is obtained. When measuring an image with positron lifetime as contrast, record the number of detected annihilation gamma rays (detection rate / intensity) at the same time, and record an image with the recorded annihilation gamma ray detection rate (detection rate / intensity) as contrast. obtain.

この実施例では、本発明の効果を示すために次のような試料を作成した。試料の準備を図８及び図９に示す次の手順により行う。石英ガラスに150keVのアルゴンイオンビームを１０１５／ｃｍ２ （単位平方センチメートル当たり１０１５個）程度を、金属メッシュマスク１０（線形２５０マイクロメートル）を通して照射した。アルゴンのイオンビームの照射で、マスクされていない部分の石英表面は掘り下げられて、イオンビーム照射のなかった部分１１と表面が掘り下げられた部分１２が生じた。表面段差計で数ナノメートル程度掘り下げられていることを確認した。アルゴンイオンは、深さ200nm程度に打ち込まれ、同程度の深さまで、照射欠陥を生成する。また、図９には、試料を側面と上面からみた図を示す。試料は、石英ガラス２４の２辺には、縦長２１と横長２２に角で重なるように、タンタルリボンで覆う。タンタルの重なる箇所には段差２３がある。 In this example, the following samples were prepared to show the effects of the present invention. The sample is prepared according to the following procedure shown in FIGS. Quartz glass was irradiated with about 10 15 / cm 2 (10 15 per square centimeter) of argon ion beam of 150 keV through a metal mesh mask 10 (linear 250 micrometers). Irradiation with an argon ion beam dug down the unmasked portion of the quartz surface, resulting in a portion 11 where no ion beam was irradiated and a portion 12 where the surface was dug down. It was confirmed that it was dug down about several nanometers with a surface level gauge. Argon ions are implanted to a depth of about 200 nm and generate irradiation defects to the same depth. FIG. 9 shows a view of the sample from the side and top. The sample is covered with a tantalum ribbon so that the two sides of the quartz glass 24 overlap the vertically long 21 and the horizontally long 22 at the corners. There is a step 23 where tantalum overlaps.

図２の装置に、石英ガラス試料にセットして、陽電子ビームを走査して入射し、陽電子寿命（陽電子平均寿命）をコントラストとしたイメージと、陽電子平均寿命をコントラストとしたイメージと同時に取得した消滅ガンマ線の検出率（強度）をコントラストとしたイメージと、散乱粒子イメージとを同時に得た。陽電子ビームのエネルギーは、4.6keV程度に設定する。得られた画像を、写真に代えて模式的に図１０に示す。図１０（ａ）は陽電子寿命画像で、陽電子寿命の長い箇所（白部）、中間の箇所（斜線部）、短い箇所（黒部）が画像化される。同（ｂ）はガンマ線検出数画像（ガンマ線検出率画像又はガンマ線強度画像ともいう）で、消滅ガンマ線強度（検出数）の強い箇所（白部）、中間の箇所（斜線部）、弱い箇所（黒部）が画像化される。同（ｃ）は散乱粒子画像で、散乱粒子強度のとても強い箇所（点部）、強い箇所（白部）、中間の箇所（斜線部）、弱い箇所（黒部）が画像化される。各画像がすべて異なるイメージであり、異なる情報を提供していることが分かる。陽電子寿命画像は、イオン照射した箇所が、鮮明に検出することができ、内部に照射欠陥が形成されていることを明らかにする。ガンマ線強度画像では、イオンの照射痕を検出せずに、材料の違いのみを明らかにする。散乱粒子画像では、表面の微小な凹凸の一部を示す。このように、ガンマ線強度画像は、陽電子寿命画像や散乱粒子画像とは異なる画像になる場合があり、特に未知の試料に対して陽電子寿命画像による診断を行う場合には、事前に試料に対しての十分な情報を得ていない場合が想定され、試料分析のための貴重で有用なヒントを与える。   The annihilation acquired at the same time as the image in which the positron lifetime (positron average lifetime) is contrasted and the image in which the positron average lifetime is contrasted is set on the quartz glass sample and incident on the apparatus of FIG. An image with a contrast of the detection rate (intensity) of gamma rays and a scattered particle image were obtained simultaneously. The energy of the positron beam is set to about 4.6 keV. The obtained image is schematically shown in FIG. 10 instead of a photograph. FIG. 10A is a positron lifetime image in which a portion with a long positron lifetime (white portion), an intermediate portion (shaded portion), and a short portion (black portion) are imaged. (B) is a gamma ray detection number image (also referred to as a gamma ray detection rate image or a gamma ray intensity image), where the annihilation gamma ray intensity (number of detections) is strong (white part), the middle part (shaded part), and the weak part (black part). ) Is imaged. (C) is a scattered particle image, where a very strong scattered particle intensity (dot), a strong (white), an intermediate (shaded) area, and a weak (black) are imaged. It can be seen that each image is a different image and provides different information. The positron lifetime image clearly shows that the ion-irradiated part can be detected clearly and an irradiation defect is formed inside. In the gamma ray intensity image, only the difference in the material is clarified without detecting the ion irradiation trace. In the scattered particle image, a part of minute unevenness on the surface is shown. As described above, the gamma ray intensity image may be different from the positron lifetime image and the scattered particle image. In particular, when diagnosing an unknown sample using a positron lifetime image, It is assumed that not enough information is available, giving valuable and useful tips for sample analysis.

散乱粒子画像は、ビームの集束レンズの設置条件のわずかな違いにより、表面の凹凸が識別できる図１０のような画像が得られる場合もあるが、表面の凹凸が識別できないで材料のみを識別するような図１１のような画像が得られる場合もある。図１１は、図１０と同様、得られた画像を、写真に代えて模式的に図示したものである。集束レンズの設置条件により散乱粒子画像は、表面の凹凸のわずかな違いを識別したり、識別しなかったりするために画質の安定度にかけるが、一方、ガンマ線強度の画像はレンズ位置の違いによりほとんど変化しないために、散乱粒子画像に、ガンマ線粒子画像の情報を組み合わせることにより、画質の安定度した情報が得られる。また、図１１（ａ）は陽電子寿命画像である。同（ｂ）はガンマ線検出数画像（ガンマ線検出率画像又はガンマ線強度画像ともいう）であり、消滅ガンマ線強度（検出数）の強い箇所（白部）、中間の箇所（斜線部）、弱い箇所（黒部）が画像化され、タンタルの段差が中間の箇所（斜線部）３３として画像化されている。同（ｃ）は散乱粒子画像で、散乱粒子強度の強い箇所（白部）、中間の箇所（斜線部）、弱い箇所（黒部）が画像化され、タンタルの段差が中間の箇所（斜線部）として画像化されている。このように、図１０及び図１１では、陽電子寿命画像には画像化されないタンタルの段差が、ガンマ線検出数画像には画像化されている。このように、ガンマ線強度画像は、陽電子寿命画像にない試料の表面情報を有している。陽電子寿命画像に、ガンマ線粒子画像の表面情報を組み合わせることにより、新たな分析画像が得られることが分かる。   The scattering particle image may be obtained as shown in FIG. 10 in which the unevenness of the surface can be identified due to slight differences in the installation conditions of the beam focusing lens, but only the material can be identified without being able to identify the unevenness of the surface. Such an image as shown in FIG. 11 may be obtained. FIG. 11 schematically shows the obtained image instead of a photograph, as in FIG. Depending on the installation conditions of the focusing lens, the scattered particle image is subject to the stability of the image quality in order to identify slight differences in surface irregularities or not, while the image of gamma ray intensity depends on the difference in lens position. Since it hardly changes, information with stable image quality can be obtained by combining the information of the gamma ray particle image with the scattered particle image. FIG. 11A is a positron lifetime image. (B) is a gamma ray detection number image (also referred to as a gamma ray detection rate image or a gamma ray intensity image), where the annihilation gamma ray intensity (number of detections) is strong (white part), intermediate part (hatched part), weak part ( The black portion) is imaged, and the step of tantalum is imaged as an intermediate portion (shaded portion) 33. (C) is a scattered particle image, where the scattered particle intensity is strong (white part), the middle part (shaded part), the weak part (black part) is imaged, and the tantalum step is the middle part (shaded part). It is imaged as. As described above, in FIGS. 10 and 11, tantalum steps that are not imaged in the positron lifetime image are imaged in the gamma ray detection number image. Thus, the gamma ray intensity image has the surface information of the sample that is not in the positron lifetime image. It can be seen that a new analysis image can be obtained by combining the surface information of the gamma ray particle image with the positron lifetime image.

図２の装置を用いて、石英ガラスの一部をタンタルで覆った図９の試料のガンマ線検出（検出率・強度）画像と散乱粒子画像を取得する際に、ビーム強度の時間的変動があると、得られるガンマ線検出画像と散乱粒子画像には、ビーム走査を下方向に沿ってノイズがのってしまう。図１２（ａ）は、試料に矢印で示す方向にビームを走査したときの、図１２（ｂ）に消滅ガンマ線検出率画像、同（ｃ）に散乱粒子画像を模式的に図示する。両画像において存在している斜線部の強度が中間である箇所は、陽電子ビーム強度が一時的に減少して変動した場合によるノイズであると考えられる。そこで、ガンマ線検出数（検出率、強度）と散乱粒子検出数（強度）の比をとり、該比をコントラストとした画像を作成する。図１３に、比をコントラストとした画像を模式的に図示する。このように、得られる画像は、ビームの変動にはよらないものとなる。図１３の（ａ）（ｂ）は、分母と分子を入れ替えた画像であり、ノイズのない画像を得ることができる。   When the gamma ray detection (detection rate / intensity) image and the scattering particle image of the sample of FIG. 9 in which a part of quartz glass is covered with tantalum are obtained using the apparatus of FIG. 2, there is a temporal variation in beam intensity. Then, noise is added to the obtained gamma ray detection image and scattered particle image along the beam scanning direction. FIG. 12A schematically shows an annihilation gamma ray detection rate image in FIG. 12B and a scattered particle image in FIG. 12C when the sample is scanned with a beam in the direction indicated by the arrow. A portion where the intensity of the shaded portion existing in both images is intermediate is considered to be noise caused when the positron beam intensity temporarily decreases and fluctuates. Therefore, a ratio between the number of detected gamma rays (detection rate and intensity) and the number of detected scattered particles (intensity) is taken, and an image with the ratio as a contrast is created. FIG. 13 schematically shows an image with a contrast ratio. Thus, the obtained image does not depend on beam fluctuations. FIGS. 13A and 13B are images in which the denominator and the numerator are exchanged, and an image without noise can be obtained.

実際に実験で得た画像を図１４に示す。ビームエネルギー７．８ｋｅＶで、図９と同様の試料を用いて、測定時間は１画素(0.05ｍｍ×0.05ｍｍ)を1秒で行い画像を取得した。図１４（ａ）は、ガンマ線強度（ガンマ線計測強度）Ｉγをコントラストとした画像、同（ｂ）は、散乱粒子強度（散乱粒子計測強度）ＩＭＣＰをコントラストとした画像である。同（ａ）と（ｂ）には、ノイズ（2本の縦筋）が見える。同（ｃ）は、ガンマ線強度と散乱粒子強度の比（ガンマ線強度が分子）をコントラストＩγ／ＩＭＣＰとした画像で、同（ｄ）は、散乱粒子強度とガンマ線強度の比（散乱粒子強度が分子）ＩＭＣＰ／Ｉγをコントラストとした画像である。このように、ノイズのない新しい画像を得ることができた。ノイズを除去した画像に基づいて、試料の表面情報をさらに高精度で画像化することができる。 Images actually obtained in the experiment are shown in FIG. Using a sample similar to that shown in FIG. 9 at a beam energy of 7.8 keV, the measurement time was 1 pixel (0.05 mm × 0.05 mm) in 1 second to obtain an image. 14A shows an image with gamma ray intensity (gamma ray measurement intensity) I γ as contrast, and FIG. 14B shows an image with scattering particle intensity (scattering particle measurement intensity) I MCP as contrast. In (a) and (b), noise (two vertical stripes) can be seen. (C) is an image in which the ratio of gamma ray intensity to scattered particle intensity (gamma ray intensity is molecule) is contrast I γ / I MCP, and (d) is the ratio of scattered particle intensity to gamma ray intensity (scattered particle intensity). Is an image in which I MCP / I γ is a contrast. In this way, a new image without noise could be obtained. Based on the image from which noise has been removed, the surface information of the sample can be imaged with higher accuracy.

上記実施例では、本発明の効果を示すために試料を工夫した。本発明の実施にあたっては、未知の測定対象物に陽電子ビームを照射して測定対象物を分析して微少な表面情報を画像化することができ、短時間で、ノイズのない高性能な画像を得ることができる。   In the above embodiment, the sample was devised to show the effect of the present invention. In carrying out the present invention, it is possible to analyze a measurement object by irradiating an unknown measurement object with a positron beam and to image minute surface information, and to produce a high-performance image without noise in a short time. Obtainable.

本発明の陽電子ビームを利用した画像化方法及び画像化装置は、従来の装置では得られなかった高性能の画像が得られるので、他の計測技術では測定困難な先端材料や未知な試料の分析に有用である。   The imaging method and imaging apparatus using the positron beam of the present invention can obtain high-performance images that could not be obtained by conventional apparatuses, so that it is possible to analyze advanced materials and unknown samples that are difficult to measure by other measurement techniques. Useful for.

Ａ、 陽電子ビーム源
Ｂ、 陽電子ビーム
Ｃ、 ＸＹビーム偏向器
Ｄ、 ＸＹ可動式試料ステージ
Ｅ、 測定試料
Ｆ、 消滅ガンマ線
Ｇ、 消滅ガンマ線検出器
Ｈ、 真空壁
Ｉ、 散乱陽電子
Ｉ２、 散乱粒子（電子とイオン）
Ｊ、 散乱粒子検出器
Ｋ、 集束レンズ
Ｌ、 ビーム加速部
Ｍ、 パルス化装置
１０、 金属メッシュマスク
２１、２２、 タンタルリボン
２３、 段差
２４、 石英ガラス
３３、 段差の画像 A, positron beam source B, positron beam C, XY beam deflector D, XY movable sample stage E, measurement sample F, annihilation gamma ray G, annihilation gamma ray detector H, vacuum wall I, scattered positron I2, scattered particle (electron And ion)
J, scattering particle detector K, focusing lens L, beam acceleration unit M, pulsing device 10, metal mesh mask 21, 22, tantalum ribbon 23, step 24, quartz glass 33, step image

Claims (8)

陽電子ビームを測定対象物に走査して照射し、
前記陽電子ビームの照射により放出される消滅ガンマ線又は散乱粒子を検出して測定対象物の第１の分析画像を作成するとともに、
陽電子が消滅することにより発生する消滅ガンマ線の検出数を求めて前記検出数をコントラストとした消滅ガンマ線検出数画像を作成して、
前記第１の分析画像及び前記消滅ガンマ線検出数画像に基づき、第２の分析画像を作成することを特徴とする陽電子ビームを用いた画像化方法。 Scanning and irradiating a measurement object with a positron beam,
Detecting annihilation gamma rays or scattered particles emitted by irradiation with the positron beam to create a first analysis image of the measurement object;
Detecting the number of annihilation gamma rays generated by the annihilation of positrons, creating an annihilation gamma ray detection number image with the detection number as a contrast,
An imaging method using a positron beam, wherein a second analysis image is created based on the first analysis image and the annihilation gamma ray detection number image. 前記第１の分析画像は、前記陽電子ビームの照射により放出される散乱粒子を検出して得た散乱粒子画像であることを特徴とする請求項１に記載された陽電子ビームを用いた画像化方法。   2. The imaging method using a positron beam according to claim 1, wherein the first analysis image is a scattered particle image obtained by detecting scattered particles emitted by irradiation with the positron beam. . 前記第２の分析画像は、消滅ガンマ線検出数と散乱粒子検出数の比をコントラストとする画像であることを特徴とする請求項２に記載された陽電子ビームを用いた画像化方法。   3. The imaging method using a positron beam according to claim 2, wherein the second analysis image is an image having a contrast between the number of annihilation gamma rays detected and the number of scattered particles detected. 前記画像化方法において、前記陽電子ビームの照射により放出される消滅ガンマ線に基づく陽電子寿命画像を同時に作成することを特徴とする請求項２に記載された陽電子ビームを用いた画像化方法。   3. The imaging method using a positron beam according to claim 2, wherein in the imaging method, a positron lifetime image based on annihilation gamma rays emitted by irradiation with the positron beam is created simultaneously. 前記第２の分析画像は、陽電子ビーム照射装置のノイズを除去した分析画像であることを特徴とする請求項１に記載された陽電子ビームを用いた画像化方法。   The imaging method using a positron beam according to claim 1, wherein the second analysis image is an analysis image from which noise of the positron beam irradiation apparatus is removed. 前記第１の分析画像は、前記陽電子ビームの照射により放出される消滅ガンマ線に基づく陽電子寿命画像であることを特徴とする請求項１に記載された陽電子ビームを用いた画像化方法。   2. The imaging method using a positron beam according to claim 1, wherein the first analysis image is a positron lifetime image based on annihilation gamma rays emitted by irradiation with the positron beam. 陽電子ビームを測定対象物に走査して照射し、
陽電子が消滅することにより発生するガンマ線を検出して、消滅ガンマ線の検出数を求めるとともに、
前記測定対象物から散乱される粒子を検出して、散乱粒子検出数を求め、
前記消滅ガンマ線検出数と前記散乱粒子検出数の比に基づく画像を作成することを特徴とする陽電子ビームを用いた画像化方法。 Scanning and irradiating a measurement object with a positron beam,
While detecting the gamma rays generated by the annihilation of positrons, the number of detected annihilation gamma rays is obtained,
Detecting particles scattered from the measurement object, to determine the number of scattered particles detected,
An imaging method using a positron beam, wherein an image is created based on a ratio between the number of detected annihilation gamma rays and the number of detected scattered particles. 測定対象物に陽電子ビームを走査して照射する手段と、
陽電子が消滅することにより発生する消滅ガンマ線を検出する消滅ガンマ線検出器と、
前記消滅ガンマ線の検出数を計数する手段と、
前記測定対象物からの散乱粒子を検出する検出器と、
前記散乱粒子の検出数を計数する手段と、
前記消滅ガンマ線の検出数と散乱粒子の検出数の比に基づく画像を作成する手段とからなることを特徴とする陽電子ビームを用いた画像化装置。 Means for scanning and irradiating a measurement object with a positron beam;
An annihilation gamma ray detector that detects annihilation gamma rays generated by the annihilation of positrons,
Means for counting the number of detected annihilation gamma rays;
A detector for detecting scattered particles from the measurement object;
Means for counting the number of detected scattered particles;
An imaging device using a positron beam, comprising means for creating an image based on a ratio between the number of detected annihilation gamma rays and the number of detected scattered particles.
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