JP4189836B2 - 光子誘起による陽電子消滅γ線分光及び短寿命原子核準位の測定法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基本的には、レーザー逆コンプトン高エネルギーＸ線による陽電子・電子対生成を陽電子消滅γ線分光分析に結びつけたものであり、従来の陽電子を試料外部から導入していた手法では陽電子を試料内部まで導入する事は不可能であったが、透過性の高いレーザー逆コンプトン高エネルギーＸ線を用い、試料内部から陽電子を生成させる事により、試料内部深いところでの陽電子消滅γ線分光を行うことが可能である。
【０００２】
このことにより、従来の陽電子消滅γ線分光では不可能であった、非破壊による構造体内部の測定を可能とし、また、内部の３次元情報までも得られるというメリットがある。また、試料を真空中に置く陽電子ビームによる手法では難しかった揮発性の高い試料や、放射性同位元素の蒸発による飛散が懸念される高温で測定する必要性がある試料に関しても、容易に安全に測定を行えるというメリットがある。
【０００３】
さらに、レーザー逆コンプトン高エネルギーＸ線は直進性に優れ、ビームの広がりはほとんどない。レーザー逆コンプトンによって生成された１０ＭｅＶ程度以上のＸ線が試料に照射された際に、試料からの散乱Ｘ線は電子対生成によるものがほとんどである。このことからＸ線のビーム径から外れて出てくるＸ線は試料内部で散乱されたものであり、この散乱Ｘ線の検出は試料内部での対生成を示している。この散乱Ｘ線との同時計測を行う事で、陽電子消滅γ線分光におけるＳ／Ｎ比の向上や陽電子消滅寿命測定などへ利用できる。つまり、従来行われてきた手法で、陽電子の試料中への入射の情報を、散乱Ｘ線の検出により行えるメリットがある。
【０００４】
また、レーザー逆コンプトン高エネルギーＸ線の極れた直進性により、不要なＸ線の放出はなく、大掛かりな遮蔽は必要ない。
【０００５】
【従来の技術】
従来行われてきた陽電子消滅γ線分光分析法は、放射性同位元素から直接得られる陽電子を用いるか、放射性同位元素や高エネルギー放射線による電子対生成によって得られる陽電子を引出し、輸送あるいは蓄積し、陽電子ビームとして用いるものであった。これらの手法はどれも、試料外部から陽電子を試料内部に入射する事により試料の分析を行う方法である。
【０００６】
しかし、陽電子は透過性が悪く、試料の深い部分の測定を行う事は不可能であり、非破壊で構造体内部の分析を行う事は不可能であった。また陽電子の試料内部への導入も、真空中で陽電子ビームを形成して入射させるか、試料表面に放射性同位元素を密着させ、直接試料内部へ陽電子を導入させる必要があった。これらの方法では試料を真空中に置くか、試料温度を上昇させると同時に放射性同位元素も同様に温度上昇させる必要性があった。
【０００７】
また、構造体内部の見えない部分の状態を知る方法としては高エネルギーＸ線による透過像による方法があるが、この方法では３次元構造を知る事は不可能である。
【０００８】
従来、試料深部の陽電子消滅γ線分光を行うため、高エネルギーのＸ線を得る方法としては、電子線をターゲットにぶつけることによる制動Ｘ線や高エネルギーγ線を放出する核種の利用などがあるが、それらはどれもレーザー逆コンプトン高エネルギーＸ線に比べ、高エネルギーＸ線・γ線が放出される立体角が広く、多くのＸ線が無駄になり遮蔽も必要となる。また直進性も悪く、離れた場所での測定は不可能であり、対生成の情報、特に時間情報を得ることは難しい。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
試料内部深くの陽電子消滅γ線分光分析を行うことは、陽電子を試料外部から導入すると困難であり、試料の表面近傍（数ｍｍ程度）の分析しか行えないので、試料内部の深い部分を非破壊で陽電子消滅γ線分光分析を行う事は不可能である。
【００１０】
また、従来の陽電子消滅γ線分光では、放射性同位元素を用いるか、陽電子ビームを用いる必要がある。放射性同位元素を用いる場合、放射性同位元素を試料内部に置く必要があり、例えば、高温での測定の際には放射性同位元素の蒸発による飛散の危険性があり、容易には行えない。陽電子ビームを用いる際には陽電子を真空中を輸送する必要があり、そのために試料を真空中に置く必要がある。その結果、揮発性が高い試料では測定が難しく、やはり高温での測定には限界がある。
【００１１】
一方、構造体の二次元透過像は従来得ることが出来ているが、三次元像を得る手法を利用することは難しかった。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明では、試料内部から陽電子を発生させ、しかもこの陽電子発生のために透過性に優れたレーザー逆コンプトン高エネルギーＸ線を用いているので、試料内部深くの測定が可能となる。レーザー逆コンプトンＸ線を１ｍｍまで細くすることは可能であり、陽電子分光に使う消滅γ線をコリメートする（線束を平行にする）ことにより、試料内部の１ｍｍ³オーダーの微細な部分の測定を行うことも可能である。同様に、他の実験手法、例えば、試料に負荷をかけながらその場で陽電子消滅γ線分光を行うことは困難であったが、この方法では容易に行うことができる。
【００１３】
また、試料が空気中やガス中に置かれても問題なくレーザー逆コンプトンＸ線を試料に誘導できるため測定が容易に行える。
一方、試料から放出されるγ線は、ほとんど陽電子・電子の２光子対消滅により放出される５１１ｋｅＶの消滅γ線であり、これは従来からポジトロン・エミッション・トモグラフィー（ＰＥＴ）により３次元情報を取り出すのに用いられている。試料内部でのレーザー逆コンプトンＸ線による陽電子・電子対生成はそれぞれの部位の元素に依存し、重い元素ほど効率は高くなる傾向があり、構造体の見えない部分の３次元情報を得ることも可能である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
レーザー逆コンプトン光エネルギーＸ線のビーム上に試料を設置することにより、内部に陽電子が生成される。他はほぼ通常の陽電子消滅γ線分光と同じ方法でドップラー広がり法、同時計測ドップラー広がり法等の測定が可能である。
【００１５】
陽電子消滅寿命測定に関しては二つの方法が考えられ、１）レーザー逆コンプトン高エネルギーＸ線をサブピコ秒までパルス化し、パルスの信号と消滅γ線の時刻情報を得ることで寿命測定を行う。その時刻情報は、パルス化された前記Ｘ線が陽電子を生成させ、その陽電子が消滅する際に発生するγ線の時刻情報である。２）レーザー逆コンプトン高エネルギーＸ線のビーム軌道からわずかにずれた外部で、陽電子・電子対生成時に散乱されたＸ線を検知し、その時刻情報と、消滅γ線の時刻情報により陽電子消滅寿命を測定する、と言うものである。
【００１６】
陽電子消滅γ線分光の位置依存性を測定するにはビームをコリメートし、消滅γ線もコリメートする事で可能である。
構造体の３次元画像を得るには、試料をレーザー逆コンプトン高エネルギーＸ線ビーム上に置き、通常のＰＥＴによる手法で陽電子の消滅した部位を知り、その情報を蓄積する事で構造体内部の画像を得ることができる。
【００１７】
本発明において用いられるレーザー逆コンプトン高エネルギーＸ線、短寿命原子核準位、電子対生成、及び陽子・電子の２光子対消滅について説明する。
（１）レーザー逆コンプトン高エネルギーＸ線について
コンプトン散乱では、電子に高エネルギーＸ線が衝突し、電子が弾き飛ばされると共に、Ｘ線が散乱する。高エネルギーＸ線は、持っていたエネルギーの一部を電子に与えるため、散乱後のエネルギーは小さくなる。そこで、レーザー逆コンプトン散乱とは、この現象とは逆で、高速で運動する電子からレーザー光がエネルギーを得て、高エネルギーＸ線となる現象である。その特長は、高輝度、エネルギー可変、準単色、高指向性で、物質を介在しないで生成される。その結果、放射化などがなく極めてクリーンな光源であり、指向性が良いことから遮蔽なども大掛かりな必要がない。
【００１８】
（２）短寿命原子核準位について
一般的に、γ線を吸収することによって、原子核は、その原子核に固有の状態（振動数）が変化する。この状態が励起状態であるが、これは原子核固有の、かつ、不連続な値となる。したがって、この振動数を準位と呼び、通常、エネルギーの単位で表される。また、ある準位から異なる準位へ移行することを遷移という。基底状態とは最もエネルギーが低い準位であり、通常、準位とは基底状態からどれだけエネルギーが高い状態にあるかを示している。そこで、励起状態にある原子核は、ある時間経つと、自然に基底状態に遷移する。これは確率的な現象で、通常、励起状態に存在する時間を「寿命」といい、「短寿命」とはこの時間が著しく短いことである。
【００１９】
（３）陽電子・電子対生成について
陽電子と電子の対が作られる過程をいい、高エネルギーのＸ線又はγ線が物質にぶつかる時にエネルギーが物質に変ったものと考えられる。アインシュタインの式Ｅ＝ｍｃ²でエネルギーと質量が換算できるが、電荷等の物理の保存量を満たした状態で高エネルギーＸ線、γ線又は高速粒子のエネルギーから電子と陽子の対が生成される。
【００２０】
（３）陽子、電子の２光子対消滅について
上記アインシュタインの式でエネルギーが物質に変換される過程で、陽電子・電子の対生成が起こるが、これとは逆の過程で物質がエネルギーにも変換される。一つの光子（γ線やＸ線）から対生成が起こったが、この際、運動量を保存するために外部の原子核等に運動量を与えないと対生成が起こらない。しかし、その逆の対消滅の場合は、複数の光子（消滅γ線）を放出することが可能であり、その結果、運動量を保存して消滅することが可能である。光子（消滅γ線）の数は少ないほど消滅の確率は高く（寿命が短い）、その結果、物質中ではほとんどが２つの光子（消滅γ線）を放出して陽電子・電子の対消滅が起こる。この場合、放出される光子は、運動量を保存するため、ほぼ反対方向に放出され、ポジトロン・エミッション・トモグラフィー（ＰＥＴ）では、この２つの光子を観測することで、消滅した部分の情報を得ることができる。これを３次元化することにより、試料の３次元情報を得ることができる。
【００２１】
【実施例】
ドップラー広がり測定をステンレス製ボルトについて行った。図３に示されるように、ステンレス製のボルトをレーザー逆コンプトン高エネルギーＸ線ビーム上に置き、その直角方向から半導体検出器（Ｇｅディテクター）により陽電子消滅γ線のエネルギーを測定した。半導体検出器周辺はほとんどバックグランドがなく、遮蔽もまったく置かずに測定を行った。
【００２２】
その結果を図１（レーザー逆コンプトン光エネルギーＸ線による陽電子消滅γ線ピークの測定）に示す。今までの陽電子消滅γ線分光法では、このような部品の内部の陽電子消滅γ線のドップラー広がりを測定する事はできなかった。
【００２３】
又、図２（レーザー逆コンプトン光エネルギーＸ線による陽電子消滅γ線２光子同時計測によるピークの測定）には、放出される２つの消滅γ線を同時計測する事により、Ｓ／Ｎ比を改善した場合の実施例も示す。
【００２４】
図１では、陽電子が試料内部で形成され、消滅していることを示しており、又検出器周辺に特別な遮蔽等を施さずに得られた信号の周囲に雑音となる信号が無いことを示している。この信号自体、いろいろな情報を含んでおり、この信号の形からいろいろなことが議論でき、既に実用可能なものである。
【００２５】
図２は、陽電子消滅時に放出される２光子両方のエネルギー測定を行い、それを２次元化することで、バックグランドを著しく減少させ、信号の裾野まで見ることを可能にすることで、元素分析なども可能となる。
【００２６】
上記Ｓ／Ｎ比（Ｓｉｇｎａｌ−ｔｏ−Ｎｏｉｓｅ ｒａｔｉｏ）とは、有効な信号成分に対するノイズ成分の割合を示し、その値が大きいほどノイズが少ない良好な信号であることを意味している。
【００２７】
このＳ／Ｎ比については、実際に観測したいイベントが起きた場合、即ち、電子対生成又は原子核の励起が起きた場合は、Ｘ線が光軸から外れて散乱されてくるので、その散乱Ｘ線を検出することで、観測対象のイベントが起こったことを知り、その時だけ検出器に入って来た信号を取り込む（ゲートを開く）ことができるようにゲートを制御する。これに対し、観測したくない信号が（ノイズ）が来た時はゲートを閉めて取り込まないようにするためにゲートを制御する。その結果、ノイズ部分が減り、ＳＮ比の改善につながることになる。
【００２８】
【発明の効果】
従来、放射性同位元素や、陽電子ビームにより行われてきた陽電子消滅γ線分光は金属、半導体などの欠陥、ボイドなどに非常に敏感であり、多くの研究に利用されてきた。しかし、陽電子を試料内部深くに導入する事が困難であり、実際に使われる構造物に応用する事が出来なかった。
【００２９】
今回発明された手法で陽電子を試料内部から生成すると、試料内部の陽電子消滅γ線分光が可能となる。また、レーザー逆コンプトン高エネルギーＸ線は透過性、直進性に優れ、比較的離れた場所まで誘導でき、ビームの散乱は空気中ではほとんどなく、遮蔽を必要としない。そのため、例えば航空機の金属疲労の診断などにも利用が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 レーザー逆コンプトン光エネルギーＸ線による陽電子消滅γ線ピークの測定例を示す図である。
【図２】 レーザー逆コンプトン光エネルギーＸ線による陽電子消滅γ線２光子同時計測によるピークの測定例を示す図である。
【図３】 ステンレスボルト内部の陽電子消滅γ線エネルギーの測定例を示す図（上から見た図）である。

Claims (4)

1. Ｘ線を使用した試料内元素の陽電子消滅γ線分光分析を行う方法において、
   Ｘ線としてレーザー逆コンプトンによって生成された高エネルギーのＸ線を使用し、
   そのＸ線を、陽電子・電子対生成による発生陽電子の寿命よりも短い時間幅にパルス化して試料中に導入し、
   パルス化されたＸ線が試料内で陽電子を生成させ、その陽電子が消滅する際に発生するγ線の時刻情報を、半導体検出器（ Ge ディテクター）により陽電子消滅γ線のエネルギーを測定して得、
   そのＸ線のビーム軌道からはずれた外部で、陽電子・電子対生成時に散乱されたＸ線を検知して陽電子生成の時間情報を得、その時間情報と前記消滅γ線の時間情報より陽電子の消滅寿命を測定し、
   その際に、前記散乱されたＸ線が検出器に入って来た時だけの信号を取り込むために陽電子消滅γ線を測定する検出器のゲートを制御することにより、陽電子消滅寿命又は短寿命原子核準位を高いＳ/Ｎ比で測定することを特徴とする、前記方法。
2. レーザー逆コンプトンによって生成された高エネルギーのＸ線により起こる陽電子・電子対生成は試料の組成によって効率が異なり、重い元素では効率は高いことを利用することにより、ポジトロン・エミッション・トモグラフィー（ＰＥＴ）に基づいて陽電子の消滅した部位を知り、その情報を蓄積することで試料内部の画像を得ることにより試料内部の状態のＣＴ画像を得る請求項１記載の方法。
3. 透過性の高い直進性の良いレーザー逆コンプトン高エネルギーＸ線により試料内部から陽電子を発生させることにより、試料外部からの陽電子ビームによる方法のように高真空を必要とせずに、又レーザー逆コンプトン高エネルギーＸ線の優れた直進性により、不要なＸ線の放出がなく、被爆防止の遮蔽も大掛かりなものを必要とせずに、大気中の試料及び高い蒸気圧をもつ試料を測定することからなる請求項１記載の方法。
4. 入射するＸ線をコリメートし、陽電子消滅γ線も検出器前でコリメートすることにより、試料の陽電子消滅γ線分光の３次元情報を得る請求項１記載の方法。

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