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POSITRON ANNIHILATION LIFETIME MEASURING DEVICE, ADJUSTMENT METHOD OF RADIATION DETECTOR AND RADIATION DETECTOR

Patent code P190016237
File No. 14130
Posted date Aug 2, 2019
Application number P2017-239693
Publication number P2019-105598A
Date of filing Dec 14, 2017
Date of publication of application Jun 27, 2019
Inventor
  • (In Japanese)平出 哲也
  • (In Japanese)安藤 太一
  • (In Japanese)真鍋 賢介
  • (In Japanese)上田 大介
Applicant
  • (In Japanese)国立研究開発法人日本原子力研究開発機構
Title POSITRON ANNIHILATION LIFETIME MEASURING DEVICE, ADJUSTMENT METHOD OF RADIATION DETECTOR AND RADIATION DETECTOR
Abstract PROBLEM TO BE SOLVED: To perform accurate measurement by simultaneously and parallelly using a plurality of radiation detector.
SOLUTION: Time differences Δt between a pulse output P0A from a start detector 11A as well as a pulse output P0B from a start detector 11B and a pulse output P1 from a stop detector are measured to generate a histogram of Δt. The time interval between the pulse output P1 and the pulse output P0B is set to uniformly spread for a shift time T in addition to the original time interval ΔtB with respect to the pulse output P0A as the reference. In Fig. 2 (iii) which is a measured histogram of Δt, since the shift time T is uniformly added to the original time interval ΔtB, the distribution of a peak on the left corresponds to the histogram of ΔtA, and the distribution of a peak on the right side corresponds to the histogram of ΔtB. By shifting the histogram of ΔtB in the horizontal axis direction, the histogram of ΔtB is overlapped with the histogram of ΔtA.
Outline of related art and contending technology (In Japanese)

陽電子の物質中における寿命を測定することによって、金属,半導体等の結晶中の空孔や各種の点欠陥に関する情報が得られる。また,高分子等の絶縁物中ではサブナノからナノスケールの空隙の情報が得られる。このため、陽電子を物質に照射し、物質中でのその寿命を測定する陽電子消滅寿命測定法が用いられている。陽電子消滅寿命測定法は、特に原子空孔等のサブナノからナノスケールの構造評価に対して有効であることが知られている。

陽電子消滅寿命測定法においては、陽電子が物質中の電子と反応して対消滅によって消滅する際の約511keVのエネルギーのγ線を測定することによって、陽電子が消滅したタイミングが認識される。一方、この寿命を計測するための開始タイミングは、陽電子が物質に入射した時点となる。通常の陽電子消滅寿命測定法においては、陽電子源として22Naが用いられ、22Naの原子核がβ崩壊する際に発生する陽電子が測定に用いられる。陽電子源は試料となる物質と接して設けられるため、陽電子が物質に入射したタイミングは、22Na内において原子核がβ崩壊によって発生したタイミングとみなすことができる。このβ崩壊に際しては、陽電子と同時に1.27MeVのエネルギーのγ線が発生するため、このγ線を計測したタイミングが、前記の寿命計測の開始タイミングとされる。このため、1.27MeVのγ線をスタート信号用のγ線(スタート用γ線)とし、約511keVのγ線をストップ信号用のγ線(ストップ用γ線)とし、これらの検出タイミングの時間差を測定することによって、試料中における陽電子の寿命を測定することができる。

陽電子消滅寿命測定装置の一般的な構成については、例えば非特許文献1に記載されている。図16は、この陽電子消滅寿命測定装置900の概要を簡略化して示す図である。ここでは、小さな試料Sの中に前記のような陽電子源が設置されているものとする。このため、上記のような2種類のγ線は小さな試料Sから発せられる。スタート信号用γ線γ1を検出するためのγ線検出器(スタート用検出器91)と、ストップ信号用γ線γ2を検出するためのγ線検出器(ストップ用検出器92)が用いられる。どちらのγ線検出器においても、シンチレータと光電子増倍管を組み合わせたものが用いられる。この場合、γ線がシンチレータに入射することによって発生した光パルスを光電子増倍管が検出することによって、1個のγ線光子が入射する度にパルス出力が得られる。また、このパルス出力のパルス高によってγ線のエネルギーが認識できるため、上記のような2種類のγ線の識別が可能であり、波高による弁別を行うことによって、スタート用検出器91がスタート信号用γ線γ1のみを検知し、ストップ用検出器92がストップ信号用γ線γ2のみを検知するような設定とすることができる。

このため、図16に示されるように、スタート用検出器91におけるパルス出力P0の直後でストップ用検出器92におけるパルス出力P1が検出される。ここで、パルス出力P1のパルス出力P0からの遅延時間が陽電子の寿命に対応するが、この時間差は実際には非常に小さく、より長いタイムスケールで見た場合には、パルス出力P1とパルス出力P0はほぼ同時であると認識することができる。このため、図16の構成においては、一致検出回路93によってこれらの同時性が認識された場合に、パルス出力P0、パルス出力P1は単一の陽電子発生・消滅イベントに対応していると推定される。このため、一致検出回路93は、これらの同時性が認識された場合にデジタルオシロスコープ94にトリガ信号を発し、デジタルオシロスコープ94がトリガ信号を受信することによって、パルス出力P0、P1がデジタルオシロスコープ94に取り込まれる。ここで、デジタルオシロスコープの代わりに、以下に説明する機能を同様に実現できるデジタイザ等の計測機器を用いることもできる。この際、この測定を容易とするためにパルス出力P1に対して遅延回路95によって一定の遅延時間が付与され、デジタルオシロスコープ94においては、図16に示されるように、パルス出力P0、P1の実際の検出時間の時間差Δtが計測される。一致検出回路93によって同時性が認識されたパルス出力P0、P1が得られる毎にこの測定が行われる。なお、パルス出力P1のパルス出力P0からの遅延時間が陽電子の寿命に対応するが、統計的ゆらぎにより、実際にはこの遅延時間は測定毎に変動する。

実際にはスタート用検出器91、ストップ用検出器92においては、スタート信号用γ線γ1、ストップ信号用γ線γ2とは異なる放射線成分(バックグラウンド成分等)やノイズ成分も多く検出されるが、その中から、上記のように同時性が認識されたパルス出力P0、P1のみが有効な成分となる。また、陽電子源あるいは試料Sにおいて実際に発生したスタート信号用γ線γ1、ストップ信号用γ線γ2のうち、上記のスタート用検出器91、ストップ用検出器92で検出されるのは実際にはその一部であり、これらの2つの検出器で対として検出されなかった成分は、上記の陽電子消滅寿命測定には全く寄与しない。これらの理由により、スタート用検出器91、ストップ用検出器92で検出されたパルス出力のうち、陽電子消滅寿命測定に寄与する成分は実際には非常に少ない。

このため、上記のように同時性が認識されたパルス出力P0、P1が得られる度にΔtを計測し、デジタルオシロスコープ94と接続されたPC(パーソナルコンピュータ)96は、図16に示されるように、測定されたΔtのヒストグラムを生成し、このヒストグラムから、周知の統計的手法によって、陽電子消滅寿命の平均値やそのばらつきを認識することができる。この場合、統計的誤差を小さくして陽電子消滅寿命の測定精度を高めるためには、このヒストグラムにおけるイベント数を多くすることが必要であるため、スタート用検出器91、ストップ用検出器92でのカウント数(サンプル数)を多くすることが有効であり、このためには、測定時間を十分に長くとることが必要となる。実際にこのために要求される測定時間は、例えば4時間以上と長くなった。すなわち、陽電子消滅寿命測定において、十分な測定精度を確保するためには、十分なサンプル数を得るために長い測定時間を要した。

このため、図16の構成において陽電子消滅寿命を高精度で計測することは実際には容易ではない。こうした点を改善するための技術は、例えば特許文献1に記載されている。ここで記載された構成においては、上記のΔtの測定精度を高めるために、スタート用検出器91、ストップ用検出器92の出力のパルス波形がそれぞれデジタル処理された。

更に、陽電子消滅寿命測定に有効なγ線を効率的に検出してサンプル数を十分に確保するために、特許文献1には、試料の周囲に多く(3つ以上)のγ線検出器を配置することも記載されている。この構成によって、陽電子の発生・消滅に際して発せられるγ線の検出効率を高め、認識される陽電子の発生・消滅のイベント数を多くすることができる。スタート用検出器が2つ用いられた陽電子消滅寿命測定装置910の構成を図16に対応させて図17に示す。この場合には、同一仕様のスタート用検出器91A、91Bが用いられ、これらのパルス出力P0A、P0Bが共に一致検出回路93、デジタルオシロスコープ94に入力する。この場合には、パルス出力P0Aとパルス出力P1との同時性、パルス出力P0Bとパルス出力P1との同時性が認識され、パルス出力P1と、これと同時性が認識されたパルス出力P0A又はP0Bがデジタルオシロスコープ94に取り込まれ、前記と同様に、Δtが算出され、そのヒストグラムを用いてPC96で寿命が算出される。図17の例ではスタート用検出器が2つ用いられたが、3つ以上を用いることによって陽電子発生の際のγ線の検出効率を更に高めることもできる。あるいは、スタート用検出器を複数用いる代わりにストップ用検出器を複数用いることによって、陽電子消滅の際のγ線の検出効率を高め、認識される陽電子の発生・消滅のイベント数を同様に増やすこともできる。また、スタート用検出器やストップ用検出器を大きくしてそれぞれの検出可能な空間範囲を広げ、同様に検出効率を高めることもできる。すなわち、こうした構成によって、短い測定時間で高精度で陽電子消滅寿命を測定することができると期待される。

また、対消滅で発せられるストップ信号用γ線γ2のエネルギースペクトルにおける約511keVの周りの広がり(ドップラー広がり)は、陽電子と反応して対消滅した電子の運動量を反映するため、この広がりを測定することによって、試料Sとなった物質中の電子についての情報が得られる。このため、上記の測定において、更にストップ信号用γ線γ2のエネルギースペクトルを詳細に測定するAMOC(陽電子消滅寿命・運動量相関)測定も行われる。AMOC測定においては、前記のようなタイミングの検出のためにのみ用いられるスタート用検出器、ストップ用検出器(共にシンチレータ+光電子増倍管)と共に、時間分解能はこれよりも劣るが高いエネルギー分解能でγ線のエネルギースペクトルを高精度で測定することができるスペクトル測定用検出器(半導体検出器)が用いられる。このため、AMOC測定においては、3系統でγ線が検出される。一般的に、陽電子の対消滅の際にはほぼ逆向きに2つの光子が発せられるため、この半導体検出器は、試料に対してストップ用検出器とは逆の位置に設置される。

図16、17のような単純な陽電子消滅寿命の測定のためには、スタート用検出器91、ストップ用検出器92の2系統における検出の同時性が要求されたが、AMOC測定の場合には、上記に加えて更にスペクトル測定用検出器が加わった3系統での検出の同時性が要求される。このため、AMOC測定においては特に検出効率が低くなり、更に長い測定時間が要求され、実際には、一つの測定に1週間以上を要する場合もあった。このため、図17の構成のように、同一の用途(スタート用、ストップ用)で複数の検出器を用いて検出効率を高めることができれば、AMOC測定においては特に有効である。

Field of industrial application (In Japanese)

本発明は、物質内における陽電子の寿命を測定することによって物質の各種の構造を解析するための陽電子消滅寿命測定装置に関する。また、複数の放射線検出器を同時に用いて放射線の計測を行う際の放射線計測器の調整方法に関する。また、複数の放射線検出器が同時に用いられる放射線計測器に関する。

Scope of claims (In Japanese)
【請求項1】
 
陽電子の発生に伴って発生するγ線を検出しパルス出力をするスタート用検出器と、陽電子の消滅に伴って発生するγ線を検出しパルス出力をするストップ用検出器と、を具備し、前記スタート用検出器の前記パルス出力のタイミングからの前記ストップ用検出器の前記パルス出力のタイミングの遅延時間を陽電子の発生・消滅の複数のイベントに対して計測し、計測された前記遅延時間のヒストグラムから陽電子の寿命を認識する陽電子消滅寿命測定装置であって、
前記スタート用検出器又は前記ストップ用検出器として、複数のγ線検出器が、複数の前記γ線検出器の出力を各々における時間軸上の前記パルス出力間の関係が維持された状態で混合した単一の入力信号を生成するように接続されて用いられ、
前記入力信号中の前記パルス出力を認識し前記パルス出力に対応した前記遅延時間を認識する共通計数部と、
前記遅延時間のヒストグラムを生成するヒストグラム生成部と、
前記遅延時間のヒストグラムより前記寿命を算出する寿命算出部と、
を具備し、
前記遅延時間のヒストグラムが前記ヒストグラム生成部で前記γ線検出器毎に得られるように、前記入力信号を生成する前に複数の前記γ線検出器のうちの少なくとも一つ以外の出力に対して識別性を付与する識別性生成部を更に具備し、
前記ヒストグラム生成部は、前記γ線検出器毎に得られた前記遅延時間のヒストグラムである個別ヒストグラムの少なくとも一つを前記遅延時間に対して一様にシフトさせた操作を行った上で、他の前記個別ヒストグラムに重畳させた全体ヒストグラムを生成し、
前記寿命算出部は、前記全体ヒストグラムより、前記寿命を算出することを特徴とする陽電子消滅寿命測定装置。

【請求項2】
 
前記識別性生成部において、前記識別性を付与するために、前記パルス出力のパルス形状を前記γ線検出器毎に定められた態様とすることを特徴とする請求項1に記載の陽電子消滅寿命測定装置。

【請求項3】
 
前記識別性生成部において、前記パルス出力に対して前記γ線検出器毎に定められた一定の時間差となるシフト時間を付与し、
前記ヒストグラム生成部は、前記入力信号を用いて得られた前記ヒストグラムから、前記個別ヒストグラムを前記遅延時間の時系列に応じて分離することにより得ることを特徴とする請求項1又は2に記載の陽電子消滅寿命測定装置。

【請求項4】
 
陽電子の発生に伴って発生するγ線を検出しパルス出力をするスタート用検出器と、陽電子の消滅に伴って発生するγ線を検出しパルス出力をするストップ用検出器と、を具備し、前記スタート用検出器の前記パルス出力のタイミングからの前記ストップ用検出器の前記パルス出力のタイミングの遅延時間を陽電子の発生・消滅の複数のイベントに対して計測し、計測された前記遅延時間のヒストグラムから陽電子の寿命を認識する陽電子消滅寿命測定装置であって、
前記スタート用検出器又は前記ストップ用検出器として、複数のγ線検出器が、複数の前記γ線検出器の出力を各々における時間軸上の前記パルス出力間の関係が維持された状態で混合した単一の入力信号を生成するように接続されて用いられ、
前記入力信号中の前記パルス出力を認識し前記パルス出力に対応した前記遅延時間を認識する共通計数部と、
前記遅延時間のヒストグラムを生成するヒストグラム生成部と、
前記遅延時間のヒストグラムより前記寿命を算出する寿命算出部と、
を具備し、
前記共通計数部は、前記入力信号中における前記パルス出力を波形によって複数の前記γ線検出器毎に弁別することによって前記遅延時間を前記γ線検出器毎に認識し、
前記ヒストグラム生成部は、前記γ線検出器毎に得られた前記遅延時間のヒストグラムである個別ヒストグラムを生成し、前記個別ヒストグラムの少なくとも一つを前記遅延時間に対して一様にシフトさせた操作を行った上で、他の前記個別ヒストグラムに重畳させた全体ヒストグラムを生成し、
前記寿命算出部は、前記全体ヒストグラムより、前記寿命を算出することを特徴とする陽電子消滅寿命測定装置。

【請求項5】
 
各々が放射線を検出してパルス出力をする複数の放射線検出器を同時に用いて放射線を検出する放射線計測器の調整方法であって、
前記放射線検出器が検出する第1放射線を基準タイミングから略一定の時間間隔で発する線源を用い、前記放射線検出器の各々が前記第1放射線を検出する複数のイベントにおいて、
複数の前記放射線検出器の出力を、各々における時間軸上の前記パルス出力間の関係が維持された状態で混合した単一の入力信号を生成して、当該入力信号中の前記パルス出力及び前記パルス出力に対応した時間差を認識する際に、
認識された前記時間差のヒストグラム中において複数の前記放射線検出器の各々の出力に対応したヒストグラムが識別可能となるように、複数の前記放射線検出器のうちの少なくとも一つ以外の出力に対して識別性を付与して前記入力信号を生成し、
前記放射線検出器毎に得られた前記ヒストグラムである個別ヒストグラムの少なくとも一つを前記遅延時間に対して一様にシフトさせた操作を行った上で、他の前記個別ヒストグラムに重畳させる際のシフト量である総シフト時間を算出し、
前記総シフト時間を用いて前記各放射線検出器の検出タイミングを補正することを特徴とする放射線計測器の調整方法。

【請求項6】
 
前記線源は前記第1放射線とは異なる第2放射線を前記第1の放射線と略一定の時間間隔で発し、
前記放射線検出器と別体で前記第2放射線を検出する参照用放射線検出器を用い、前記参照用放射線検出器が前記第2放射線を検出したタイミングを前記基準タイミングとすることを特徴とする請求項5に記載の放射線計測器の調整方法。

【請求項7】
 
前記識別性を付与するために、前記パルス出力のパルス形状を前記放射線線検出器毎に定められた態様とすることを特徴とする請求項5又は6に記載の放射線計測器の調整方法。

【請求項8】
 
前記入力信号を生成するに際し、前記パルス出力に対して前記放射線検出器毎に定められた一定の時間差となるシフト時間を付与し、
前記個別ヒストグラムを生成するに際し、前記入力信号を用いて得られた前記時間差のヒストグラムから、前記個別ヒストグラムを前記時間差の時系列に応じて分離することにより得ることを特徴とする請求項5から請求項7までのいずれか1項に記載の放射線計測器の調整方法。

【請求項9】
 
各々が放射線を検出してパルス出力をする複数の放射線検出器を同時に用いて放射線を検出する放射線計測器であって、
複数の前記放射線検出器が、各々における時間軸上の前記パルス出力間の関係が維持された状態で混合した単一の入力信号を生成するように接続されて用いられ、
前記入力信号より、前記パルス出力に関する測定結果を得る測定部と、
前記測定部において前記測定結果が複数の前記放射線検出器毎に得られるように、前記入力信号を生成する前に前記パルス出力に対する前記複数の放射線検出器の各々に対応した識別性を生成する識別性生成部と、
を具備し、
前記測定部で、前記識別性に基づいて前記測定結果を複数の前記放射線検出器の各々に分離して認識することを特徴とする放射線計測器。

【請求項10】
 
前記識別性生成部は、前記パルス出力のパルス形状を前記放射線検出器毎に定められた態様とすることを特徴とする請求項9に記載の放射線計測器。

【請求項11】
 
前記識別性生成部は、前記パルス出力に対して前記放射線検出器毎に定められた一定のシフト時間を付与することを特徴とする請求項10に記載の放射線計測器。

【請求項12】
 
前記識別性生成部は、
複数の前記放射線検出器の各々からの前記パルス出力が入力されるに際し、複数の前記放射線検出器毎に設定された識別信号を当該パルス出力と同期して出力して生成した判定用信号を出力し、
前記測定部は、前記判定用信号を参照して前記入力信号から複数の前記放射線検出器毎に前記パルス出力を認識することを特徴とする請求項9から請求項11までのいずれか1項に記載の放射線計測器。

【請求項13】
 
複数の前記放射線検出器は配列して設置され、前記測定部は前記入力信号中の前記パルス出力と共に前記パルス出力をした前記放射線検出器の配列中における位置情報を認識することを特徴とする請求項9から請求項12までのいずれか1項に記載の放射線計測器。

【請求項14】
 
複数の前記放射線検出器は測定対象を囲む環状に配置されたことを特徴とする請求項13に記載の放射線計測器。
IPC(International Patent Classification)
F-term
Drawing

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JP2017239693thum.jpg
State of application right Published
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