JP4875892B2

JP4875892B2 - 陽電子寿命測定装置及び測定方法

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Publication number: JP4875892B2
Application number: JP2005378553A
Authority: JP
Inventors: 晴雄斎藤; 圭介浅井; 正典越水; 憲悟澁谷; 憲夫加勢; 庸郎本多
Original assignee: University of Tokyo NUC
Current assignee: University of Tokyo NUC
Priority date: 2005-12-28
Filing date: 2005-12-28
Publication date: 2012-02-15
Anticipated expiration: 2025-12-28
Also published as: JP2007178329A

Description

本発明は、陽電子寿命測定装置及び測定方法に関し、さらに詳しくは、被測定試料である物質中の格子欠陥やポジトロニウムの検知および評価、あるいはポリマーの自由体積測定等に用いられる陽電子寿命測定装置及び測定方法に関する。

陽電子寿命測定装置は、金属、半導体、化合物等の物質中に存在する空孔や転位等の格子欠陥を検出し、研究する手法としてもっとも高感度で有力な手法の一つである。陽電子が被測定試料に入射した時刻と、入射した陽電子が被測定試料中の電子と衝突して消滅した時刻とをそれぞれ検出し、その時刻差の頻度分布をとって陽電子の寿命を求める。

例えばアニ−ルした銅板などの被測定試料１２２は、図８に示すように^２２Ｎａ陽電子線源１２０を挟んで密着して配置される（図８では離して描かれている）。^２２Ｎａ陽電子線源１２０から陽電子が放射されると１．２７５ＭｅＶの核γ線が発生し、この陽電子が被測定試料１２２中で消滅すると一対の０．５１１ＭｅＶの陽電子消滅γ線が発生する。陽電子が被測定試料１２２中に入射した時刻をスタート時刻、その入射陽電子が被測定試料１２２中で消滅した時刻をストップ時刻とよぶことにすると、１．２７５ＭｅＶの核γ線を捕捉した時刻をスタート時刻と、０．５１１ＭｅＶの陽電子消滅γ線を捕捉した時刻をストップ時刻とみなし、ストップ時刻とスタート時刻の差から被測定試料１２２において陽電子が存在した時間の長さを測定することができる。

図７に従来型の陽電子寿命測定装置１００の一例を示す（特許文献１を参照）。陽電子寿命測定装置１００は、上記^２２Ｎａ陽電子線源１２０と、これを挟んで密着して配置される被測定試料１２２と、これらから発生するγ線を捕捉するγ線検出装置１０５とから構成される。γ線検出装置１０５は、陽電子線源１２０からの１．２７５ＭｅＶの核γ線（スタート信号）を捕らえて光に変換するシンチレータ１１１と、被測定試料１２２中で消滅した陽電子の放出する０．５１１ＭｅＶの陽電子消滅γ線（ストップ信号）を捕らえて光に変換するシンチレータ１１０とを含む。シンチレータ１１０、１１１は、例えばＢａＦ_２などで形成される。

また、γ線検出装置１０５において、シンチレータ１１０、１１１で発生した光は光電子増倍管（ＰＭＴ）１１２で電気信号に変換され、デジタルオシロスコープ１１４またはデジタイザ１１６等によりデジタル化され、このデジタルデータが例えばパーソナルコンピュータ（ＰＣ）１１８に転送される。

光電子増倍管の波形は例えば図９のようになり、この波形から各シンチレータ１１０、１１１がγ線を捕らえた時刻を特定することができる。まず、各点の間隔は一般に約数百ピコ秒（ｐｓ）あるので、数点の合計で平均して鈍らせる等して波形を平滑化した後、補間して、連続波形に変換する。次に波形のピーク値を求め、最後に波形がピーク値の例えば２５％となる位置を求めて、γ線の捕捉時刻とすることができる。

上記のように各２種類のγ線の捕捉時刻を特定することにより、各陽電子のストップ時刻とスタート時刻を計測することができ、その寿命を求めることができる。そして、上記ステップを繰り返すことにより、図１０のような陽電子寿命のヒストグラムを得ることができる。この得られたヒストグラムの半値幅から、陽電子寿命測定装置の時間分解能（半値幅）を以下のように求めることができる。

まず、得られた陽電子寿命のヒストグラムを、次の関数でフィッティングする。

であり、Θ（ｔ−ｔ’）はヘビサイド関数である。

数１において、τ_１は被測定試料１２２中における陽電子の減衰定数、τ_２は^２２Ｎａ陽電子線源１２０中における陽電子の減衰定数、τ_ｒｅｓはガウス分布の半値幅をそれぞれ表す。τ_１は被測定試料中における陽電子寿命と、τ_ｒｅｓを陽電子寿命測定装置の時間分解能（の半値幅）と定義することができる。

特開２００３−２１５２５１号公報特開２００１−７４６７３号公報特開２００１−１１６７０６号公報電子技術総合研究所研究報告第９２８号鈴木良一１９９１第５章

以上、一例として^２２Ｎａ陽電子線源１２０のβ⁺崩壊を利用する陽電子寿命測定方法、すなわち^２２Ｎａ陽電子線源１２０からの陽電子の放出と同時に放出される１．２７ＭｅＶのγ線を選択的に捕らえることにより、スタート時刻を知る方法を説明した。しかし、この方法には以下のような問題点があった。

非密封の陽電子線源１２０を被測定試料１２２に密着させて使用する必要があるため、放射線管理区域を必要とし、法律上の手続が煩雑である。また、被測定試料１２２を高温など特別な環境において測定すると、^２２Ｎａが拡散するという問題が生じる。

そこで、陽電子ビームをＲＦで短パルス化（バンチング）して用いる方法が開発されている（例えば、非特許文献１を参照）。

しかし、この方法を用いると装置が非常に大掛かりになる。加速器を用いれば高い性能が得られるが、数十億円の費用がかかる。陽電子線源１２０を用いれば数千万円程度に費用は抑制できるが、陽電子の数が減るので測定に時間がかかる。

また、上記文献２及び３には、陽電子線源と、電磁レンズと、陽電子検出器と、γ線検出器とを具え、前記陽電子線源は前記電磁レンズの磁場内に設置されるとともに被測定材料から隔離して設置され、前記陽電子検出器は前記陽電子線源と前記被測定材料の間に設置されるとともに、前記陽電子線源と前記被測定材料までの陽電子飛翔経路が真空に保持されている材料評価装置が開示されている。

すなわち、上記発明においては、陽電子線源から発生する陽電子を、プラスチックシンチレーターまたはＡＰＤ（アバランシェフォトダイオード）を透過させてスタート時刻を得ている。本方法によれば、陽電子線源を被測定試料に密着させて使用する必要がなく、有効陽電子数を大幅低下させることなく上記陽電子線源と被測定試料を隔離して陽電子寿命を測定することができる。

しかし、ＡＰＤを通過した陽電子のエネルギーのばらつきが大きく、それが時間のばらつきになってしまい、そのため、電磁レンズによるエネルギー選別が必要となる。また、時間分解能の半値幅が２４０ｐｓ程度で、あまりよくない。従来の非密封線源を使う上記装置では、文献値で１１８ｐｓや１１０ｐｓが可能である。

そこで本発明は、陽電子線源と被測定試料を隔離して陽電子寿命を測定することができ、時間分解能の半値幅が例えば１８０ｐｓ以下となる高性能の陽電子寿命測定装置及び測定方法を提供することを目的とする。

また、本発明の他の目的は、加速器などの大掛かりな装置を使用することなく、比較的安価な装置で被測定試料中の陽電子寿命を測定することができる陽電子寿命測定装置を提供することにある。

本発明の陽電子寿命測定装置は、装置陽電子線源と、前記陽電子線源との間に被測定試料を挟んで配置された光検出装置と、前記被測定試料に前記陽電子線源から入射された陽電子が、該被測定試料中で消滅する際に発生するγ線を検出するγ線検出装置と、を備え、前記光検出装置は、前記陽電子線源から前記陽電子が前記被測定試料中に入射された際に発生するチェレンコフ光を検出することを特徴とする。チェレンコフ光がスタート信号であり、γ線がストップ信号であり、両信号を検出した場合の時間差から、陽電子の被測定試料中での寿命を測定する。

前記被測定試料は、該被測定試料中で発生したチェレンコフ光を外部に取り出して検出する必要があるため、透明である。

また、本発明の陽電子寿命測定装置は、陽電子線源と、前記陽電子線源に対向して配置されたチェレンコフ発光体と、前記陽電子線源から放射された陽電子が、前記チェレンコフ発光体中を通過する際に発生するチェレンコフ光を検出する光検出装置と、前記チェレンコフ発光体を介して前記陽電子線源に対向して配置された被測定試料中で、該チェレンコフ発光体中を通過した前記陽電子が消滅する際に発生するγ線を検出するγ線検出装置と、を備え得る。この場合もチェレンコフ光がスタート信号であり、γ線がストップ信号となる。

前記被測定試料は、不透明であってもよい。スタート信号としてチェレンコフ発光体中で発生したチェレンコフ光を検出するためである。

本発明の陽電子寿命測定装置は、前記γ線検出装置は、複数のγ線検出手段を有してもよい。あるいは、２つの前記γ線検出手段が、前記被測定試料を挟んで対向する位置に配置されてもよい。

本発明の陽電子寿命測定装置は、前記光検出装置及び前記γ線検出装置が検出した波形信号をデジタル化するデジタル化手段と、前記デジタル化した波形信号を処理して時間スペクトルを得る波形解析手段と、を有し得る。デジタル化手段はデジタルオシロスコープであってよく、波形解析手段はパーソナルコンピュータによるソフトウエア解析であってよい。

本発明の陽電子寿命測定装置は、前記時間スペクトルの時間分解能の半値幅は８０ｐｓ以上１８０ｐｓ以下であることが望ましく、さらには８０ｐｓ以上１１０ｐｓ以下であることが望ましい。

本発明の陽電子寿命測定方法は、透明な被測定試料を準備するステップと、陽電子を放射させるステップと、前記陽電子を透明な被測定試料に入射させるステップと、前記被測定試料中に前記陽電子が入射された際に発生するチェレンコフ光をスタート信号として検出するステップと、前記陽電子が前記被測定試料中で消滅する際に発生するγ線をストップ信号として検出するステップと、前記ストップ信号と前記スタート信号の検出時刻の差を陽電子寿命として算出するステップと、
を含む。

以下、本明細書において、上記本発明の陽電子寿命方法を「内部チェレンコフトリガ法」という。

本発明の陽電子寿命測定方法は、被測定試料およびチェレンコフ発光体を準備するステップと、陽電子を放射させるステップと、前記陽電子を前記チェレンコフ発光体に入射させるステップと、前記チェレンコフ発光体中に前記陽電子が入射された際に発生するチェレンコフ光をスタート信号として検出ステップと、前記チェレンコフ発光体を通過した前記陽電子を前記被測定試料に入射させるステップと、前記被測定試料に入射した前記陽電子が、該被測定試料中で消滅する際に発生するγ線をストップ信号として検出するステップと、前記ストップ信号と前記スタート信号の検出時刻の差を陽電子寿命として算出するステップと、を含む。

以下、本明細書において、上記本発明の陽電子寿命方法を「外部チェレンコフトリガ法」という。外部チェレンコフトリガ法においては、前記被測定試料は不透明であってもよく、前記チェレンコフ発光体は透明物質で形成される。

本発明の陽電子寿命測定装置を用いれば、陽電子線源と被測定試料を隔離して陽電子寿命を測定することができる。従って、被測定試料を高温などの特殊な環境中においても被測定試料中の陽電子寿命を測定することができる。

また、本発明の陽電子寿命測定装置による陽電子寿命の測定においては、時間分解能の半値幅が１００ｐｓ乃至１５０ｐｓという極めて高い時間分解能を得ることができた。

また、本発明の陽電子寿命測定においては、従来のように陽電子線源内で陽電子が消滅して発生するγ線を捕捉することなくスタート信号を得ることができるので、ノイズの少ない、被測定試料中のみでの陽電子寿命の測定結果を得ることができる。

さらに、本発明の外部チェレンコフトリガ法による陽電子寿命測定においては、一定以上のエネルギーをもった陽電子のみがチェレンコフ光を発生し得るので、自動的に陽電子のエネルギーをある程度選別することができ、高精度の陽電子寿命測定を行なうことができる。

本発明に係る陽電子寿命測定装置の実施形態を図面に基づき説明する。従来の技術として既に述べた要素には、以下で同じ呼称を用いるが、その詳細な図示又は説明は省略する。また、図面の符号についても、図面を通して共通するものについては、同一の符号を用いる。

図１に示すように、本実施形態の陽電子寿命測定装置１０は、陽電子線源１２と、陽電子線源１２との間に被測定試料１８を挟んで配置された光検出装置１４と、被測定試料１８に陽電子線源１２から入射された陽電子が、当該被測定試料１８中で消滅する際に発生するγ線を検出するγ線検出装置１０５と、を備える。光検出装置１４は、陽電子線源１２から陽電子が被測定試料１８中に入射された際に発生するチェレンコフ光を検出し、陽電子が被測定材料１８に入射した時刻を得ることができる。従って、本実施形態においては、チェレンコフ光が上記スタート信号となり、γ線がストップ信号となる。

ここでチェレンコフ光とは、ガラスや水のような透明な物質中を荷電粒子が通過するとき、当該荷電粒子の速度がその物質中での光速を超えた場合に、通過する荷電粒子が作る電磁場の作用で当該物質から発生する紫外光および可視光をいう。

被測定試料１８は屈折率が大きく波長が短い光が内部を通過しやすい物質が好ましいが、特に限定されることはなく、例えばα−ＳｉＯ_２、氷、ガラス、石英、ルーサイトなどの、チェレンコフ光が外部に取り出せる透明な物質であればよい。

光検出装置１４は、例えばＭＣＰ内蔵光電子増倍管を用い、被測定試料１８中で陽電子の進行方向に発生したチェレンコフ光を捕捉する。光検出装置１４は、１光子当たりの時間分解能が例えば３０ｐｓと高く、光子の捕捉面が大きいものが望ましいが、特に限定されない。

陽電子線源１２は公知の装置であってよく、例えば^６８Ｇｅ線源をγ線シールドしたものを用いる。陽電子線源１２は、高いエネルギーの陽電子を発生させ得る装置が好ましいが、^２２Ｎａを用いた装置であってもよく、特に限定されない。

γ線検出装置１０５もまた、公知の装置を用いることができ、例えば従来技術で図７に示したγ線検出装置１０５を用いることができるが、以下に図３のγ線検出装置２０５を用いて陽電子寿命の測定方法を説明する。

本実施形態の陽電子寿命測定方法は、陽電子線源１２と、光検出装置１４と、γ線検出装置２０５と、を備えた陽電子寿命測定装置１０において、陽電子線源１２から放射した陽電子を被測定試料１８に入射させるステップと、光検出装置１４が被測定試料１８中に上記陽電子が入射された際に発生するチェレンコフ光を検出するステップと、上記陽電子が被測定試料１８中で消滅する際に発生するγ線をγ線検出装置２０５が検出するステップと、を含む。本実施形態の陽電子寿命測定方法は、上記のように「内部チェレンコフトリガ法」とよぶ。

上述のように被測定試料１８は透明物質である。

本実施形態の陽電子寿命測定装置１０は、光検出装置１４及びγ線検出装置２０５が検出した波形信号をデジタル化するデジタルオシロスコープ（デジタル化手段）１１４と、デジタルオシロスコープ１１４がデジタル化した波形信号を処理して時間スペクトルを得るパーソナルコンピュータ（波形解析手段）１１８と、を有する

図３において、光検出装置１４(例えばＭＣＰ内蔵光電子増倍管)と２つの光電子増倍管（以下「ＰＭＴ」という。）１１２を略Ｔ字型に配置し、各光検出装置１４とＰＭＴ１１２の出力に、例えばＦＥＴのボルテージフォロァ２１０，２１２，２１４をＦＥＴプローブとして設け、この出力をディスクリミネ−タ（以下「ｄｉｓｃ」という。）２２０，２２２，２２４を介して一致検出回路２３０に入力する。この一致検出回路２３０でｄｉｓｃ２２０とｄｉｓｃ２２２またはｄｉｓｃ２２４、あるいは３つのｄｉｓｃ２２０，２２２，２２４すべてのコインシデンスが取れた場合のみ、デジタルオシロスコープ１１４にトリガをかけて、光検出装置１４とＰＭＴ１１２の出力が取り込まれるようにしている。

光検出装置１４は例えばＭＣＰ内蔵光電子増倍管であり、２つのＰＭＴ１１２は被測定試料１８側にＢａＦ_２などのシンチレータを具えている。

本実施形態の陽電子寿命測定装置１０は、光検出装置１４がスタート信号のチェレンコフ光を検出する時刻と、ＰＭＴ１１２の少なくとも一方がストップ信号のγ線をほぼ同時（例えば１００ｎｓ以内）に検知した場合のみ、デジタルオシロスコープ１１４がスタート信号とストップ信号の波形を取り込む。但し、このような一致検出回路２３０、ｄｉｓｃ２２０，２２２，２２４等は必須の構成要素ではなく、省略可能である。

その後、光検出装置１４が得たスタート信号とＰＭＴ１１２が得たストップ信号は、従来技術で説明したようにパーソナルコンピュータ１１８において波形解析され、陽電子寿命測定を繰り返して被測定試料１８中における陽電子寿命のヒストグラムおよび時間スペクトル曲線を得ることができる。

次に、図２を用いて、本発明に係る別の実施形態の陽電子寿命測定装置について以下に説明する。

本実施形態の陽電子寿命測定装置５０は、陽電子線源１２と、陽電子線源１２に対向して配置されたチェレンコフ発光体１６と、陽電子線源１２から放射された陽電子がチェレンコフ発光体１６中を通過する際に発生するチェレンコフ光を検出する光検出装置１４と、チェレンコフ発光体１６を介して陽電子線源１２に対向して配置された被測定試料２０中でチェレンコフ発光体１６中を通過した陽電子が消滅する際に発生するγ線を検出するγ線検出装置１０５とを備えている。

本実施形態においても、チェレンコフ光がスタート信号であり、γ線がストップ信号である。

本実施形態と上記実施形態の異なるところは、陽電子線源１２と被測定試料２０間にチェレンコフ発光体１６を配置することである。チェレンコフ発光体１６は、透明な板である。チェレンコフ発光体１６は、チェレンコフ光が発生しやすいように屈折率が大きく、波長が短い光が内部を通過しやすい物質が好ましいが、特に限定されることはなく、例えばアクリル、氷、ガラス、石英などの透明物質が用いられる。チェレンコフ光は陽電子が入射した方向に進むので、チェレンコフ発光体１６の被測定試料２０側をアルミ箔などの反射膜で覆って（図示せず）、チェレンコフ光をＭＣＰ内蔵光電子増倍管などの光検出装置１４の方向へ反射させる。

ところで、チェレンコフ発光体１６中でチェレンコフ光を発生させることができる陽電子のエネルギーは一定以上に限られる。従って本実施形態においては、チェレンコフ発光体１６を選択することにより、一定以上の高速度で被測定試料１８中に入射した陽電子のみにスタート信号を発生させることができる。そのため従来（特許文献２、３）のように、低速の入射陽電子を排除する必要がなくなり、自動的に速度のそろった入射陽電子を選別することができる。

また、上記実施形態と異なり、本実施形態において被測定試料２０は不透明であってよい。チェレンコフ光は、陽電子線源１２と被測定試料２０間に配置されたチェレンコフ発光体１６で発生されるため、被測定試料２０から取り出す必要がないからである。本実施形態においては、被測定試料２０からは、陽電子が消滅する際に発生するγ線のみ検出できればよい。

陽電子線源１２から放出された陽電子は、まずチェレンコフ発光体１６中に入射し、一定以上のエネルギーで入射した陽電子はチェレンコフ発光体１６中でチェレンコフ光を発生させる。チェレンコフ光は、チェレンコフ発光体１６の前方の反射膜で反射され、ＭＣＰ内蔵光電子増倍管などの光検出装置１４により検出される。チェレンコフ発光体１６および反射膜を通過した陽電子は被測定試料２０に入射し、被測定試料２０中で消滅する際に発生するγ線をγ線検出装置１０５で検出する。

本実施形態の陽電子寿命測定装置５０において用いる、陽電子線源１２、光検出装置１４、γ線検出装置１０５は、基本的に上記実施形態で説明した装置と同様でよい。

また本実施形態の陽電子寿命測定方法も、上記のようにチェレンコフ発光体１６中で発生したチェレンコフ光を反射させて光検出装置１４により検出させる以外は上記実施形態の陽電子寿命測定方法と同様である。すなわち、陽電子線源１２と、光検出装置１４と、γ線検出装置１０５とを備えた陽電子寿命測定装置５０において、陽電子線源１２から放射した陽電子をチェレンコフ発光体１６に入射させるステップと、光検出装置１４がチェレンコフ発光体１６中に陽電子が入射された際に発生するチェレンコフ光を検出するステップと、チェレンコフ発光体１６を通過した上記陽電子が被測定試料２０中で消滅する際に発生するγ線をγ線検出装置１０５が検出するステップと、を含む。本実施形態の陽電子寿命測定方法は、上記のように「外部チェレンコフトリガ法」とよぶ。

上記実施形態で説明したγ線検出装置２０５を用いてもよく、光検出装置１４が得たスタート信号とＰＭＴ１１２が得たストップ信号の波形解析を行い、陽電子寿命測定を繰り返して被測定試料２０中における陽電子寿命の時間スペクトル曲線を得ることができる。

以上、本発明の陽電子寿命測定装置および陽電子寿命測定方法の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態およびその他の実施例に限定されるものではない。図３においてγ線検出装置２０５は、２つのＰＭＴ（γ線検出手段）１１２が被測定試料１１８（１８，２０）を挟んで対向する位置に配置されるが、１または３個以上のＰＭＴ（γ線検出手段）を有してもよい。被測定試料１８、２０等の周辺にＰＭＴを多く配置する方が時間当たりの陽電子寿命測定回数が増加し、効率良く測定を行なうことができる。

また、本発明の陽電子寿命測定装置１０，５０は、デジタルオシロスコープ１１４またはデジタイザ１１６等を用いてＰＭＴ１１２からの信号をデジタル化したが、特にこのような限定は必要ではない。シンチレータ１１０、１１１はＢａＦ_２に限定されず他の種類のシンチレータを使用してもよく、デジタルオシロスコープ１１４に代えてアナログのコンスタント・フラクション・ディスクリミネ−タ（ＣＦＤ）などのタイミングディスクリミネ−タ、時間差波高変換機（ＴＡＣ）、マルチ・チャンネル・アナライザー（ＭＣＡ）により構成してもよい。

その他、本発明の陽電子寿命測定装置は、陽電子線源１２、光検出装置１４の種類も特に限定されず、チェレンコフ発光体１６、反射膜、被測定試料を形成する物質も上記の範囲で特に限定されるものではなく、その主旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づき種々の改良、修正、変更を加えた態様で実施できるものである。

図１に示す本発明の陽電子寿命測定装置１０により陽電子寿命測定を行なった（内部チェレンコフトリガ法）。陽電子線源１２として^６８Ｇｅ線源をγ線シールドしたもの、光検出装置１４としてＭＣＰ内蔵光電子増倍管、シンチレータ１１０は２８φ×１０ｍｍのＢａＦ_２、被測定試料はα−ＳｉＯ_２を用いた。デジタルオシロスコープ１１４にはＬｅＣｒｏｙ社製のＷａｖｅＰｒｏ７１００を、光電子増倍管（ＰＭＴ）１１２には浜松フォトニクス製Ｈ３３７８を使用した。

陽電子線源１２と被測定試料１８間の距離は２０ｍｍ、被測定試料１８と光検出装置１４間の距離は２０ｍｍとし、２つのシンチレータ１１０間は４０ｍｍとして被測定試料１８を挟んで対向させた。

図３に示すγ線検出装置２０５を用いて、上記の実施形態に記載のように被測定試料１８中における陽電子寿命の測定を行い、図４のような陽電子寿命の時間スペクトルを得た。

図４の陽電子寿命スペクトルにおいて、横軸はチャンネルであり、１チャンネルが１０ｐｓに対応する。縦軸はそのチャンネルにおけるカウント数（イベント数）である。ピーク付近から右方向の傾斜が陽電子の寿命を表す。ピークが鋭いほど装置の性能がよいことになる。上記のように、ピークの幅と陽電子の崩壊曲線をデータに最小自乗法でフィッティングして、装置の時間分解能（半値幅）τ_ｒｅｓと陽電子の寿命τ_１が求まる（数１参照）。

本実施例においては、時間分解能（半値幅）τ_ｒｅｓとして１０８ｐｓと、従来の陽電子寿命測定装置と比べて大変よい時間分解能が得られた。

図２に示す本発明の陽電子寿命測定装置５０を用いて、外部チェレンコフトリガ法より陽電子寿命測定を行なった。陽電子線源１２、光検出装置１４、シンチレータ１１０、デジタルオシロスコープ１１４、および光電子増倍管（ＰＭＴ）１１２には実施例１と同一の装置を用いた。チェレンコフ発光体１６はアクリル板を用い、被測定試料１８側をアルミ箔で覆って反射膜とした。

また、陽電子線源１２とチェレンコフ発光体１６間の距離は１０ｍｍ、チェレンコフ発光体１６と被測定試料１８間の距離は１０ｍｍと、光検出装置１４とチェレンコフ発光体１６間の距離は２０ｍｍとし、２つのシンチレータ１１０間は４０ｍｍとして被測定試料２０を挟んで対向させた。

被測定試料２０として、アニ−ルを行なわない状態のＣｕと、これをアニ−ルしたＣｕとを用いた。両被測定試料２０について被測定試料２０中における陽電子寿命の測定を行い、それぞれ図５、図６のような陽電子寿命の時間スペクトルを得た。

図５は前者のアニ−ルを行なわない状態のＣｕ中の陽電子寿命スペクトルである。陽電子寿命τ_１として１９３±２ｐｓ、時間分解能（半値幅）τ_ｒｅｓとして１５０ｐｓを得た。

また、図６は後者のアニ−ルしたＣｕ中の陽電子寿命スペクトルである。陽電子寿命τ_１として１５４±３ｐｓ、時間分解能（半値幅）τ_ｒｅｓとして１４４ｐｓを得た。

以上のように、本発明の陽電子寿命測定装置をもちいて、内部チェレンコフトリガ法では１１０ｐｓ以下の、外部チェレンコフトリガ法では１５０ｐｓ以下の、何れも非常に優れた時間スペクトルの時間分解能の半値幅を得ることができた。内部チェレンコフトリガ法を用いれば、被測定試料２０の選定や、装置の高性能化により、さらに８０ｐｓ程度の時間分解能の半値幅が期待できる。以下表１に、本願発明の陽電子寿命測定方法（内部チェレンコフトリガ法及び外部チェレンコフトリガ法）と、上記従来例の陽電子寿命測定方法を比較する。

表１より明らかなように、本発明の陽電子寿命測定装置は、陽電子寿命スペクトルの時間分解能（半値幅）、装置の大きさ及びコスト、特殊環境における測定、密封線源の使用可能と、何れの観点からも優れた装置であることがわかる。

本発明に係る技術は、原子空孔、転位などの結晶中の欠陥の存否やその位置を検知する陽電子寿命測定装置として有益である。また、被測定試料中のポジトロニウムの検知および評価、あるいはポリマーの自由体積測定等に利用できる。

本発明の実施形態に係る、内部チェレンコフトリガ法を行なう陽電子寿命測定装置の要部を示す平面図。本発明の他の実施形態に係る、内部チェレンコフトリガ法を行なう陽電子寿命測定装置の要部の平面図。本発明の実施形態に係る陽電子寿命測定装置の全体を示す平面概念図。内部チェレンコフトリガ法による、α−ＳｉＯ_２中の陽電子寿命スペクトルである。外部チェレンコフトリガ法による、アニ−ルを行なわない状態のＣｕ中の陽電子寿命スペクトルである。外部チェレンコフトリガ法による、アニ−ルしたＣｕ中の陽電子寿命スペクトルである。従来の陽電子寿命測定装置の平面概念図。 ^２２Naを用いた陽電子寿命測定装置の概念図。光電子増倍管（PMT）の検知したγ線の波形。アニ−ルしたCu中の陽電子寿命スペクトル（ヒストグラム）。

符号の説明

１０、５０：本発明の陽電子寿命測定装置
１２：陽電子線源
１４：光検出装置
１６：チェレンコフ発光体
１８、２０、１２２：被測定試料
１００、２００：従来の陽電子寿命測定装置
１０５、２０５：γ線検出装置
１１０、１１１：シンチレータ
１１２：光電子増倍管（ＰＭＴ）
１１４：デジタルオシロスコープ
１１６：デジタイザ（ＡＤＣ）
１１８：パーソナルコンピュータ（ＰＣ）
１２０：^２２Ｎａ陽電子線源
２１０：ディスクリネ−ター
２１２：一致検出回路

Claims

陽電子線源と、
前記陽電子線源との間に透明な被測定試料を挟んで配置された光検出装置と、
前記被測定試料に前記陽電子線源から入射された陽電子が、該被測定試料中で消滅する際に発生するγ線をストップ信号として検出するγ線検出装置と、を備え、
前記光検出装置は、前記陽電子線源から前記陽電子が前記被測定試料中に入射された際に発生するチェレンコフ光をスタート信号として検出して、
前記ストップ信号と前記スタート信号の検出時刻の差を陽電子寿命として算出することを特徴とする陽電子寿命測定装置。
陽電子線源と、
前記陽電子線源に対向して配置されたチェレンコフ発光体と、
前記陽電子線源から放射された陽電子が、前記チェレンコフ発光体中を通過する際に発生するチェレンコフ光をスタート信号として検出する光検出装置と、
前記チェレンコフ発光体を介して前記陽電子線源に対向して配置された被測定試料中で、該チェレンコフ発光体中を通過した前記陽電子が消滅する際に発生するγ線をストップ信号として検出するγ線検出装置と、
を備え、
前記ストップ信号と前記スタート信号の検出時刻の差を陽電子寿命として算出することを特徴とする陽電子寿命測定装置。
前記被測定試料は不透明である、請求項２に記載された陽電子寿命測定装置。
前記γ線検出装置は、複数のγ線検出手段を有する請求項１乃至請求項３のいずれか１つに記載された陽電子寿命測定装置。
２つの前記γ線検出手段が、前記被測定試料を挟んで対向する位置に配置された請求項４に記載された陽電子寿命測定装置。
前記光検出装置及び前記γ線検出装置が検出した波形信号をデジタル化するデジタル化手段と、
前記デジタル化した波形信号を処理して時間スペクトルを得る波形解析手段と、
を有する請求項１乃至請求項５のいずれか１つに記載された陽電子寿命測定装置。
前記時間スペクトルの時間分解能の半値幅は８０ｐｓ以上１８０ｐｓ以下である、請求項６に記載された陽電子寿命測定装置。
前記時間スペクトルの時間分解能の半値幅は８０ｐｓ以上１１０ｐｓ以下である、請求項６に記載された陽電子寿命測定装置。
透明な被測定試料を準備するステップと、
陽電子を放射させるステップと、
前記陽電子を前記被測定試料に入射させるステップと、
前記被測定試料中に前記陽電子が入射された際に発生するチェレンコフ光をスタート信号として検出するステップと、
前記陽電子が前記被測定試料中で消滅する際に発生するγ線をストップ信号として検出するステップと、
前記ストップ信号と前記スタート信号の検出時刻の差を陽電子寿命として算出するステップと、
を含む陽電子寿命測定方法。
被測定試料およびチェレンコフ発光体を準備するステップと、
陽電子を放射させるステップと、
前記陽電子を前記チェレンコフ発光体に入射させるステップと、
前記チェレンコフ発光体中に前記陽電子が入射された際に発生するチェレンコフ光をスタート信号として検出ステップと、
前記チェレンコフ発光体を通過した前記陽電子を前記被測定試料に入射させるステップと、
前記被測定試料に入射した前記陽電子が、該被測定試料中で消滅する際に発生するγ線をストップ信号として検出するステップと、
前記ストップ信号と前記スタート信号の検出時刻の差を陽電子寿命として算出するステップと、
を含む陽電子寿命測定方法。