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高エネルギーLCSガンマ線誘起陽電子を用いたバルク物質の非破壊陽電子消滅測定装置の開発

杉田 健人 大阪府立大学 DOI:info:doi/10.24729/00017364

2021.04.21

概要

本研究では放射光施設の高エネルギー電子と光子との衝突により生成し一般利用が可能な高エネルギーの LCS ガンマ線を用いて、材料研究用としての高速陽電子生成-直接ビーム型の高速陽電子消滅測定装置を開発した。この仕組みでの高速陽電子利用や高エネルギーガンマ線直接入射での物性評価例はこれまで前例がない。この装置には従来法であるドップラー拡がり測定と陽電子寿命測定系を組みこみ、装置の実証実験としてバルク材に対する陽電子消滅測定を行った。特に陽電子寿命には、パルス化されていない LCS ガンマ線を使ったデジタルオシロスコープによる時間計測を用いた回路を新たに構築した。また、高エネルギーLCS ガンマ線誘起陽電子によるバルク試料内部簡易欠陥評価を侵入深さのシミュレーションとともに確率した。本研究の各章の内容を以下に総括しまとめる。

第 1 章では陽電子消滅法の材料研究への適用と従来の陽電子線源について述べ、MeV 領域のエネルギーを持つ高速陽電子の利点と、簡便な仕組みで高速陽電子生成−消滅測定を行う本研究の目的を述べた。従来は放射性同位元素により作成した陽電子線源、もしくは陽電子を加速する低速陽電子ビームが一般的な陽電子線源として使用されており、陽電子が観察する対象となるのは材料表面近傍〜表面であったが、今後の材料研究や産業利用を前提とした評価法として高エネルギー陽電子などによる非破壊での内部評価法の必要性について説明した。そのための方法として高エネルギーガンマ線から生成した直接高速陽電子利用した装置の開発の発想に至る過程について述べた。

第 2 章では一般的な陽電子の説明と陽電子消滅法による物性評価の原理について詳しく解説した。

第 3 章では、一般的な高エネルギーガンマ線を用いた陽電子の発生原理についてまとめた。まず、高エネルギガンマ線を生成するための方法としてのレーザーコンプトン散乱の原理と、その条件として放射光施設の蓄積リンク内の高エネルギー電子を利用することによって MeV 級のガンマ線の発生について解説した。そのための実験施設として NewSUBARU放射光施設を利用することで本研究の目的を達成できることを示した。さらに、 NewSUBARU での実験可能な具体的な実験のための、高エネルギーガンマ線の発生条件を例示した。

第 4 章では第 3 章で述べた高エネルギーの LCS ガンマ線による高エネルギー陽電子生成と、対生成時に発生する電子との分離方法として磁場を用いた陽電子の抽出実験について述べた。これを実際の実験によってエネルギー分布をもつ陽電子として抽出可能であることを示した。次に実際に開発構築した陽電子生成−消滅測定のための対生成ターゲット、電磁石、試料チャンバーを乗せた可動式の架台が一体となった高速陽電子直接発生装置の詳細について解説した。この装置の特徴として、陽電子消滅測定実験を行わない場合には実験ハッチから撤去し、実験する際にのみビームラインに簡単に据付できる装置とすることで LCS ガンマ線を利用する他の実験と共存できる利点がある。また、この装置での高速陽電子シミュレーションを行い、NewSUBARU での実験で 6-8 MeV の高速陽電子を発生させて実験に利用できることを示した。

第 5 章でははじめに第 4 章で開発した装置に陽電子消滅の計測回路であるドップラー拡がり測定と陽電子寿命測定系を組み込み、高速陽電子を用いた陽電子消滅測定の実証実験として複数のバルク材に対して行った陽電子消滅測定例を示した。はじめにドップラー拡がり測定によるバルク材の腐食導入空孔欠陥の検出である。この実験ではブロック状の鉄に腐食過程で水素の侵入によって生成すると考えられている空孔型の欠陥がブロック内部に発生していることを示した。次に、電子ビーム成形法の 3D プリンタによる金属バルク体内の欠陥評価を行い、成形後の HIP 処理の有無によって空隙型の微小欠陥が減少することを確認することに成功した。それらの結果から開発した本装置によって様々な種類のバルク試料内部の欠陥の挙動を非破壊で観察することが可能であることを実証した。

さらに章の後半では、同じ装置に付加したデジタルオシロスコープ回路を用いた陽電子寿命測定系においてバルクのシリコン単結晶内に高速陽電子を直接入射して陽電子寿命スペクトルの取得に成功した。しかし、解析の結果シリコンの陽電子寿命成分は確認できたが、遮蔽が十分でないことに起因した大量のバックグラウンドノイズ成分が含まれており、そのシミュレーションから遮蔽材によるバックグラウンドの低減と消滅ガンマ線の同時計測による陽電子消滅事象の補償信号回路の作成などの改善が必要性を検討し、今後の改良を提言した。

本章の最後には、高速陽電子の試料への侵入深さ同定を行うため 2 種類の板材を用いたブロック試料を用いたドップラー拡がり実験とモンテカルロ法による実験シミュレーションを行った。その結果、鉄板材の中に 1 枚だけシリコン板の位置をかえながら積層させた試料を測定し、17 MeV の高エネルギーガンマ線で生成した高速陽電子を大気中で陽電子消滅させた場合の深さを実験的に評価し、シミュレーションとも良い一致を示した。そのため、本装置の高速陽電子を用いることで大気中での陽電子消滅測定は試料表面から数 mm の深さまで観察できることを実証した。

第 6 章では高エネルギーの LCS ガンマ線を試料に直接入射し試料内部で生成−消滅する陽電子を用いた陽電子消滅測定（GiPS）装置を新たに構築しドップラー拡がり測定を行った。本研究では、従来行われている電子線加速器の制動放射や超短パルス LCS ガンマ線などを用いた GiPS に比べ数倍以上高いエネルギーの LCS ガンマ線を用いており、従来法に比べ試料内部で効率よく陽電子が生成されるといった利点をもつ。このような LCS ガンマ線を線源とした DIHE-GiPS システムを構築し、数センチメートル厚のサイズのバルク物質をドップラー拡がり測定し、純シリコンと純鉄の比較、同じ組成合金での結晶質と非晶質の違いを非破壊で評価することに成功した。

以上のように、本研究では第 3 章で行った高速陽電子生成を第 4 章において高速陽電子−生成消滅を一体化する装置を構築した。第 5 章ではこの装置による高速陽電子ビームを用いたドップラー拡がり測定・陽電子寿命測定陽電子消滅評価システムを構築し、その実証実験としてバルク材の測定を行った。この様な高速陽電子ビームを簡便に取り扱えるシステムは例が無く、陽電子寿命測定によるバルク材の非破壊測定に有効な手法である。また第 6章では高エネルギーLCS ガンマ線の試料への直接入射による DIHE-GiPS によってセンチメートル厚さのバルク材内部の空隙の検出に成功した。本研究で開発した装置はビームラインの実験ハッチ内に設置可能なコンパクトなサイズで、従来の RI 線源法や低速陽電子法では困難であったバルク材の大気中での非破壊測定を可能にした。

以上を踏まえて、本装置はシステムがシンプルなため、装置を簡単に改良・オプション化も可能であり、今後さらに以下の様な研究利用への応用展開も期待される。

1. 環境負荷中での陽電子消滅測定
本研究の高速陽電子ビームは大気中での測定が可能で、理論上はガス雰囲気、溶液中、融解状態（液体）、高温状態などのあらゆる雰囲気下での測定が可能である。

2. 欠陥分布測定
装置の試料ホルダーに電動ステージを設置することで高速陽電子ビームもしくは GiPS 測定時の LCS ガンマ線のビームの照射領域を制御し、試料の位置ごとの陽電子消滅を測定し 3 次元的な欠陥分布測定へ高度化することも検討している。

3. 欠陥以外の物性評価
LCS ガンマ線はその発生法から光子の偏光を自在に調節できる性質をもつため、偏極特性を利用した陽電子として本手法に取り入れることも可能である。それにより本装置を改良することで偏光 LCS ガンマ線誘起偏極陽電子による磁性測定への応用も可能である。

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参考文献

第1章

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