JP3903112B2

JP3903112B2 - 陽電子寿命測定方法及び装置

Info

Publication number: JP3903112B2
Application number: JP2002011921A
Authority: JP
Inventors: 晴雄斎藤; 俊夫兵頭; 晃伸中條
Original assignee: 大栄無線電機株式会社; 晴雄斎藤; 俊夫兵頭
Priority date: 2002-01-21
Filing date: 2002-01-21
Publication date: 2007-04-11
Anticipated expiration: 2022-01-21
Also published as: JP2003215251A

Description

【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ＣＦＤ２６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（ＴＡＣ）３０及びマルチ・チャンネル・アナライザ（ＭＣＡ）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１．２７５ＭｅＶ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１０Ｂ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、ＴＡＣ３０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、陽電子寿命の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。
【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線を検出する複数のγ線検出手段と、該複数のγ線検出手段で共に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、陽電子寿命の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。
【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ＰＭＴ２４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ＰＭＴ１４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（１．２７５ＭｅＶ）を捕らえてスタート信号を得、他方のＰＭＴ２４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０．５１１ＭｅＶ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ＣＦＤ１６、２６を用いていたため、ＣＦＤ１６が１．２７５ＭｅＶ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）、５４（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ＦＥＴ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、６８、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ＰＭＴ１４、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、２４、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、１．２７５ＭｅＶ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０．５１１ＭｅＶ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０．５１１ＭｅＶ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、ＰＭＴ１−４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
【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

Claims

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、陽電子寿命の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。
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に記載の陽電子寿命測定方法。
陽電子の発生や消滅に伴って出されるγ線を検出する複数のγ線検出手段と、
該複数のγ線検出手段で共に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、陽電子寿命の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。
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３に記載の陽電子寿命測定装置。
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３又は４に記載の陽電子寿命測定装置。
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３又は４に記載の陽電子寿命測定装置。
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３又は４に記載の陽電子寿命測定装置。
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３乃至７のいずれかに記載の陽電子寿命測定装置。