JPH10206597A

JPH10206597A - 低速陽電子ビーム発生方法及び装置

Info

Publication number: JPH10206597A
Application number: JP1060297A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Nozaki; 正野崎; Yoshiko Ito; 芳子伊東; Hyogo Yoshida; 兵吾吉田
Original assignee: Japan Steel Works Ltd; RIKEN
Current assignee: Japan Steel Works Ltd; RIKEN
Priority date: 1997-01-23
Filing date: 1997-01-23
Publication date: 1998-08-07

Abstract

(57)【要約】【課題】モデレータに損傷を与えることなく、測定の
雑音となる要因を抑制した状態で高強度の低速陽電子ビ
ームを発生する。【解決手段】陽電子放出体生成部１０で液体ターゲット
に荷電粒子１１を照射して陽電子放出体を生成する。液
体ターゲットを配管２２，２３によりコレクター３１に
導き、陽電子放出体をコレクター上に捕集する。陽電子
放出体を捕集したコレクター３１（３２）をコレクター
移動機構５０により低速陽電子ビーム発生部７０のモデ
レータの近傍に移送することにより、低速陽電子ビーム
７１を発生する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、低速（低エネルギ
ー）の陽電子ビームを高強度で発生することのできる低
速陽電子ビーム発生方法及び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】低速陽電子ビームは、半導体や金属材料
の表面、界面の結晶欠陥評価に利用され、近年その利用
は益々盛んになってきている。現在、低速陽電子ビーム
は、陽電子放出体（ラジオアイソトープ）から放出され
た陽電子をモデレータに入射させて減速することで得て
いる。陽電子放出体を得るには、アルミニウムや窒化ホ
ウ素等の固体ターゲットをサイクロトロン等で加速した
陽子等の荷電粒子で照射し、固体ターゲット中に生成さ
せた陽電子放出体を使う方法が多くとられている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】低速陽電子ビームの利
用にあたっては、多くの場合ビーム強度の増大が不可欠
である。陽電子ビームの強度を増大させる方法にはモデ
レータ効率の改善、強力な陽電子源の使用等の方法が考
えられる。現在のところ、モデレータとしてはタングス
テン箔を２０００℃でアニールしたものが用いられてい
るが、１０^-4以上の効率は得られていない。モデレータ
の改善には多くの努力が払われているが飛躍的な実用上
の改善は望み薄なのが現状である。また、強力な陽電子
源のためには大規模で高価な装置を必要とする。

【０００４】高強度陽電子源のための固体ターゲットを
用いる方法では、大電流照射における熱除去の問題が大
きい。また、固体ターゲットは、ターゲット内に生成さ
れた陽電子放出体から放出される陽電子のモデレータへ
の入射効率を上げるためにモデレータに近接して配置さ
れる。このようにモデレータに近接した固体ターゲット
に放射線を照射すると、ターゲット照射によって発生す
る陽電子以外の２次放射線によってモデレータが損傷を
受けたり、放射化されるという問題がある。モデレータ
から離れた照射位置で固体ターゲットに放射線を照射
し、そののちターゲットをモデレータの位置まで運んで
固体ターゲット内に生成された陽電子放出体から放出さ
れる陽電子をモデレータに入射させることにより、ター
ゲット照射時の２次放射線の影響を回避する方法も考え
られるが、固体ターゲットには照射による発熱を除去す
るための冷却装置などが付随しており、固体ターゲット
を移送しようとすると装置が大がかりなものになってし
まい実際的ではない。

【０００５】本発明は、このような従来技術の問題点に
鑑みてなされたもので、モデレータに損傷を与えること
なく高強度の低速陽電子ビームを発生することのできる
方法及び装置を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、陽電子放
出体を生成するためのターゲットとして流体を用いるこ
とを検討した。流体は配管を通して任意の場所に移送す
ることが容易なため、流体ターゲットを照射してその中
に陽電子放出体を生成させ、その陽電子放出体を含む流
体を遠隔操作によって移動し、陽電子を使用する場所で
陽電子放出体だけを適当な大きさのコレクター上に捕集
することができれば、コレクターだけをモデレータの設
置位置まで運ぶことにより、ターゲット照射時の２次放
射線によるモデレータの損傷や測定ノイズの発生を防ぐ
ことができると考えられるからである。また、陽電子放
出体を捕集するコレクター上の領域を小さく限定するこ
とにより、陽電子放出体の密度を高めて高強度の低速陽
電子ビームを発生させることもできると考えられるから
である。

【０００７】流体ターゲットの候補としては気体と液体
があるが、気体の場合には特定の小さな場所にその中の
陽電子放出体を捕集するのが液体ターゲットの場合より
困難と考え、主に液体ターゲットの使用について検討し
た。

【０００８】本発明は、このような検討に基づいてなさ
れたものであり、発明による低速陽電子ビーム発生方法
は、液体ターゲットに荷電粒子を照射して陽電子放出体
を生成させ、生成した陽電子放出体を含有する液体をコ
レクターに通すことによって陽電子放出体をコレクター
上に捕集し、陽電子放出体を捕集したコレクターをモデ
レータの近傍に移送することを特徴とするものである。

【０００９】また、本発明による低速陽電子ビーム発生
方法は、液体ターゲットに荷電粒子を照射して陽電子放
出体を生成させ、生成した陽電子放出体を含有する液体
を配管によってモデレータの近傍に配置されたコレクタ
ーに輸送し、コレクター上に陽電子放出体を捕集するこ
とを特徴とするものである。

【００１０】また、本発明による低速陽電子ビーム発生
装置は、荷電粒子で照射される液体ターゲットが入れら
れる液体ターゲット容器と、陽電子放出体を捕集するコ
レクターと、陽電子を減速するモデレータと、コレクタ
ーを陽電子放出体捕集位置とモデレータ近傍の位置との
間に選択的に位置づけるコレクター移動機構と、液体タ
ーゲット容器と陽電子放出体捕集位置とを接続する配管
とを備えることを特徴とする。

【００１１】また、本発明による低速陽電子ビーム発生
装置は、荷電粒子が照射される液体ターゲットが入れら
れる液体ターゲット容器と、陽電子を減速するモデレー
タと、陽電子放出体を捕集するためにモデレータの近傍
に配置されたコレクターと、液体ターゲット容器とコレ
クターとを接続する配管とを備えることを特徴とする。

【００１２】液体ターゲットはＨ₂ ¹⁸Ｏとすることがで
きる。この場合、液体ターゲットＨ₂ ¹⁸Ｏを陽子照射す
ることにより、¹⁸Ｏ（ｐ，ｎ）¹⁸Ｆ反応によって陽電子
放出体¹⁸Ｆが生成する。¹⁸Ｆは、コレクター中に陰イオ
ン交換樹脂や水酸化マグネシウム等の無機酸化物を置い
て吸着捕集したり、Ｈ₂ ¹⁸Ｏを蒸留除去してコレクター
内に残留捕集したりすることができる。

【００１３】また、液体ターゲットとしてヘキサン等の
炭化水素を用い、それを重陽子照射することにより、¹²
Ｃ（ｄ，ｎ）¹³Ｎ反応によって陽電子放出体として¹³Ｎ
を生成させる。¹³Ｎは、コレクター中に陽イオン交換樹
脂やアルミナ、酸化チタン等の酸化物の粉末を置いて吸
着捕集することができる。その他、液体ターゲットとし
ては、アルコール類、液体アンモニア、普通の水等を用
いることができる。

【００１４】本発明によると、液体ターゲットを使用し
たためターゲットの移送が容易であり、必要な場所で液
体内に生成させた陽電子放出体を濃縮捕集することがで
きる。したがって、ターゲットを照射に一番都合のよい
位置で照射することができるため、例えばターゲット照
射ビーム強度の最も強い場所でターゲットを照射し、そ
の後配管によって陽電子放出体捕集位置あるいはモデレ
ータの位置まで輸送することが可能となる。また、一カ
所の照射位置で照射した液体ターゲットを配管で複数の
位置に分配することにより、複数の利用位置で低速陽電
子ビームを発生させることが可能となる。

【００１５】高強度の低速陽電子ビームを発生するには
陽電子放出体の密度を高め、それをモデレータの直前に
持っていくことが必要であるが、本発明によると、陽電
子放出体を含む液体をコレクター上に移送して陽電子放
出体を小さな領域に効率よく捕集することによりそれが
可能となる。特に、¹⁸Ｆは陰イオン交換濾紙等の効率の
よいコレクターによって９５％以上の捕集効率で吸着捕
集したり、Ｈ₂ ¹⁸Ｏを蒸留除去して小さなスポット上に
残留捕集することが可能である。また、本発明では、タ
ーゲット照射をモデレータから離れた場所で行うため、
ターゲット照射により発生する２次放射線の影響を受け
ることがない。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を説明する。図１は、本発明による陽電子ビー
ム発生装置の一例の概略図である。この例の陽電子ビー
ム発生装置は、陽電子放出体生成部１０、コレクター上
に陽電子放出体を捕集する陽電子放出体捕集部３０、コ
レクターを機械的に移動させるコレクター移動機構５
０、及びモデレータを備える低速陽電子ビーム発生部７
０を有する。陽電子放出体生成部１０では、液体ターゲ
ットに荷電粒子ビーム１１を照射して液体ターゲット中
に陽電子放出体（ラジオアイソトープ）を生成させる。
液体ターゲットは、液体ターゲット配管２２を通して陽
電子放出体捕集部３０に移送され、陽電子放出体捕集部
３０に配置されているコレクター上に捕集される。陽電
子放出体が除去されたＨ₂ ¹⁸Ｏは液体ターゲット配管２
３を通して陽電子放出体生成部１０に戻され、再利用さ
れる。陽電子放出体を捕集したコレクターは、コレクタ
ー移動機構５０によって低速陽電子ビーム発生部７０に
移動され、そこで陽電子放出体から放出される陽電子を
モデレータで減速して低速陽電子ビームとする。

【００１７】次に、各部の詳細について説明する。図２
は、陽電子放出体生成部１０の詳細を示す略断面図であ
る。図２に示した陽電子放出体生成部１０は、各々貫通
穴を有する上部ブロック１２と中間ブロック１３、及び
凹部を有する下部ブロックの３個のブロックを貫通穴及
び凹部の位置を合わせてねじ結合して構成されている。
中間ブロック１３には、貫通穴の上方をチタンフォイル
１５で閉じ、下方もチタンフォイル１６で閉じることに
より液体ターゲットが収容される空間（液体ターゲット
容器）１７が形成されている。

【００１８】荷電粒子ビーム１１は、上部ブロック１２
の開口１２ａ、チタンフォイル１５を通過して、容器１
７内に収容されている液体ターゲットに照射される。下
部ブロック１４に設けられた凹部１８には冷却水配管１
９ａ，１９ｂが接続され、冷却水配管１９ａ，１９ｂか
ら凹部１８に冷却水を流すことにより、荷電粒子ビーム
１１の照射を受けて発熱したターゲット液体を冷却す
る。また、容器１７には液体ターゲットを循環させるた
めの液体ターゲット配管２２，２３（ターゲット配管２
２は図２の紙面前後方向から容器１７に通じている）、
蒸留捕集用バイパス管２４、及びＮ₂ガスを導入するた
めのガス配管２１が接続されている。

【００１９】陽電子放出体生成部１０では、弁２２ａ，
２３ａを閉じ、容器１７内に液体ターゲットを貯留した
状態で荷電粒子ビーム１１を照射し、容器内の液体ター
ゲット中に陽電子放出体を生成させる。ここでは、液体
ターゲットとしてＨ₂ ¹⁸Ｏを用い、容器内のＨ₂ ¹⁸Ｏに加
速器で１６ＭｅＶに加速した陽子ビーム１１を照射する
ことにより、¹⁸Ｏ（ｐ，ｎ）¹⁸Ｆの反応によって¹⁸Ｆを
生成させる。陽子ビーム１１の照射は所定の時間、例え
ば３０分間行われる。その後、弁２２ａ，２３ａを開
き、弁２１ａを開いてガス配管２１から容器１７内にＮ
₂ガスを導入することにより、容器１７内のＨ₂ ¹⁸Ｏを液
体ターゲット配管２２を通じ陽電子放出体捕集部３０の
上部まで移送する。

【００２０】陽電子放出体捕集部３０には、液体ターゲ
ット配管２２，２３の端部に接続された可動な固定具３
３，３４を備え、固定具３３，３４を図示しない機構に
より図の矢印方向に移動することにより、固定具３３，
３４の間にコレクター３１を液密に介在させたり、固定
具３３，３４からコレクター３１を脱着することができ
る。液体ターゲット中に生成させた陽電子放出体を捕集
するときは、コレクター３１は固定具３３，３４間に液
密に固定される。

【００２１】図３はコレクター３１の略断面図である。
コレクター３１は金属製の筒からなる本体と、その上端
部に固定された陽電子放出体捕集部材からなる。陽電子
放出体捕集部材は、フィルター材４１とその上に設けら
れた捕集体４２、または単に捕集体４２のみからなる。
フィルター材４１はガラスフィルター、ガラスウール等
からなり、吸着捕集のときの水が通過できる吸着体の保
持具である。捕集体４２は、陽電子放出体である¹⁸Ｆを
捕集する機能を有するもので、例えば吸着捕集のときは
ＯＨ型陰イオン交換樹脂、蒸発捕集のときはテフロンコ
ートした緩い凹面部を一端とした金属棒等によって構成
することができる。陽電子放出体捕集部材は、その大き
さ（面積）によって陽電子源の大きさが定まるため小さ
い方が好ましく、例えば直径数ｍｍ以下の大きさのもの
とすることができる。

【００２２】コレクターの上方部に存在する¹⁸Ｆを含む
Ｈ₂ ¹⁸Ｏから¹⁸Ｆを捕集するには、吸着捕集の場合は絞
りポンプ２５を作動させて、設定した流速でＨ₂ ¹⁸Ｏを
吸着物質の層を通過移動させればよい。蒸留捕集のとき
は、コレクター上に予め微量（１００μｇ程度）の炭酸
ナトリウムを置いておき、これを溶解したＨ₂ ¹⁸Ｏを熱
風などにより外部加熱して気化させ、バイパス配管２４
を通して送り出すことにより、¹⁸Ｆを残留捕集する。

【００２３】コレクター３１による陽電子放出体の捕集
が終了すると、液体ターゲット配管２２，２３の端部の
固定具３３，３４をコレクター３１から離し、コレクタ
ー移動機構５０によりコレクター３１を陽電子放出体捕
集部３０から低速陽電子ビーム発生部７０に移動する。
コレクター移動機構５０は、モータ等の駆動手段５１と
アーム５２を備え、アーム５２の先端にコレクター３１
が固定されている。アーム５２は、その両端に各々同一
構造のコレクターを保持していてもよいし、一端にコレ
クターを保持し他端にはコレクターと同一の外形を有す
るダミーを保持してもよい。陽電子放出体を捕集したコ
レクター３１が低速陽電子ビーム発生部７０に位置して
いるとき、液体ターゲット配管２２，２３の間はアーム
５２の他端に保持されたコレクター又はダミーによって
密閉される。

【００２４】図４は、低速陽電子ビーム発生部７０の詳
細を示す断面図である。段部７３を有する真空容器７２
の端部は強度補強用のチタンフォイル７５及びモデレー
タ７６によって閉じられており、その前方にはグリッド
７７が配置されている。グリッド７７には、電源７８に
より−３０Ｖ程度の電圧が印可されている。モデレータ
７６は厚さ約１０μｍのタングステンフォイルからな
る。コレクター３２は、真空容器７２の段部７３に係合
することでモデレータに対して位置決めして配置され
る。

【００２５】この状態でコレクター３２の陽電子放出体
捕集部材に捕集された陽電子放出体から放出された陽電
子は、チタンフォイル７５を透過して真空容器７２内に
入る。その後、陽電子はモデレータ７６に入射して減速
され、グリッド７７によって発生される電界によって加
速され、コイル７９（図１参照）の発生する磁界に沿っ
て低速陽電子ビーム７１となって利用位置に輸送され
る。

【００２６】図５は、本発明の他の実施の形態を示す説
明図である。先に説明した実施の形態は、コレクター上
に陽電子放出体を捕集する陽電子放出体捕集部と低速陽
電子ビーム発生部とが離れた場所にあり、コレクター移
動機構によって２つの場所の間にコレクターを移動して
いた。ここで説明する実施の形態は、低速陽電子ビーム
発生部に陽電子放出体捕集部が位置する例である。

【００２７】この例では、液体ターゲットとしてヘキサ
ン等の炭化水素を用い、それを重陽子照射したとき¹²Ｃ
（ｄ，ｎ）¹³Ｎ反応により生成される¹³Ｎを陽電子放出
体として利用する。¹³Ｎは、ほとんどアンモニアとアミ
ンの化学形となり、陽イオン交換樹脂あるいはアルミ
ナ、酸化チタン等の多くの酸化物の粉末に効率よく吸収
されるため、陽電子放出体を捕集するコレクターとして
陽イオン交換樹脂や酸化物の粉末を用いる。

【００２８】陽電子放出体生成部１０ａは先の実施の形
態と同様の構成を有し、荷電粒子（重陽子）ビーム１１
の照射によって生成された陽電子放出体を含有する炭化
水素は、液体ターゲット配管８０を介して陽電子モデレ
ータ９６に近接させて配置した吸着体カラム８３に徐々
に流される。吸着体カラム８３を通過した炭化水素は、
ポンプ８２によって液体ターゲット配管８１を介して陽
電子放出体生成部１０ａに戻される。すなわち、連続的
に液体ターゲットを照射しながら、陽電子放出体生成部
１０ａと吸着体カラム８３との間を循環させる。

【００２９】吸着体カラム８３に吸着された陽電子放出
体から放出された陽電子は、その前方に位置する真空容
器９２の端面を封止しているチタンフォイル９５を透過
して真空容器９２内に入射し、タングステンフォイルか
らなるモデレータ９６で減速され、電源９８に接続され
て負の電位とされたグリッド９７の発生する電界によっ
て加速され、コイル９９によって発生される磁界に沿っ
て低速陽電子ビーム９１となって利用位置に輸送され
る。

【００３０】

【発明の効果】本発明によると、モデレータに損傷を与
えることなく高強度の低速陽電子ビームを発生すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による陽電子ビーム発生装置の一例を示
す概略図。

【図２】陽電子放出体生成部の詳細を示す略断面図。

【図３】コレクターの略断面図。

【図４】低速陽電子ビーム発生部の詳細を示す断面図。

【図５】本発明による陽電子ビーム発生装置の他の例を
示す概略図。

【符号の説明】

１０，１０ａ…陽電子放出体生成部、１１…荷電粒子ビ
ーム、１２…上部ブロック、１２ａ…開口、１３…中間
ブロック、１３ａ，１３ｂ…Ｏリング、１４…下部ブロ
ック、１４ａ…Ｏリング、１５…チタンフォイル、１６
…チタンフォイル、１７…液体ターゲット容器、１８…
凹部、１９ａ，１９ｂ…冷却水配管、２１…ガス配管、
２２，２３…液体ターゲット配管、２４…ターゲット蒸
留回収用配管、２５…絞りポンプ、３０…陽電子放出体
捕集部、３１，３２…コレクター、３３，３４…固定
具、４１…フィルター材、４２…捕集体、５０…コレク
ター移動機構、５１…駆動手段、５２…アーム、７０…
低速陽電子ビーム生成部、７１…低速陽電子ビーム、７
２…真空容器、７３…段部、７５…チタンフォイル、７
６…モデレータ、７７…グリッド、７８…電源、８０，
８１…液体ターゲット配管、８２…ポンプ、８３…吸着
体カラム、９１…低速陽電子ビーム、７９…コイル、９
２…真空容器、９５…チタンフォイル、９６…モデレー
タ、９７…グリッド、９８…電源、９９…コイル

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】液体ターゲットに荷電粒子を照射して陽
電子放出体を生成させ、生成した陽電子放出体を含有す
る前記液体より陽電子放出体をコレクター上に捕集し、
陽電子放出体を捕集した前記コレクターをモデレータの
近傍に移送することを特徴とする低速陽電子ビーム発生
方法。
【請求項２】液体ターゲットに荷電粒子を照射して陽
電子放出体を生成させ、生成した陽電子放出体を含有す
る前記液体を配管によってモデレータの近傍に配置され
たコレクターに輸送し、前記コレクター上に陽電子放出
体を捕集することを特徴とする低速陽電子ビーム発生方
法。
【請求項３】前記液体ターゲットはＨ₂ ¹⁸Ｏであるこ
とを特徴とする請求項１又は２記載の低速陽電子ビーム
発生方法。
【請求項４】荷電粒子により照射される液体ターゲッ
トが入れられる液体ターゲット容器と、陽電子放出体を
捕集するコレクターと、陽電子を減速するモデレータ
と、前記コレクターを陽電子放出体捕集位置と前記モデ
レータ近傍の位置との間に選択的に位置づけるコレクタ
ー移動機構と、前記液体ターゲット容器と前記陽電子放
出体捕集位置とを接続する配管とを備えることを特徴と
する低速陽電子ビーム発生装置。
【請求項５】荷電粒子により照射される液体ターゲッ
トが入れられる液体ターゲット容器と、陽電子を減速す
るモデレータと、陽電子放出体を捕集するために前記モ
デレータの近傍に配置されたコレクターと、前記液体タ
ーゲット容器と前記コレクターとを接続する配管とを備
えることを特徴とする低速陽電子ビーム発生装置。
【請求項６】前記液体ターゲットはＨ₂ ¹⁸Ｏであるこ
とを特徴とする請求項４又は５記載の低速陽電子ビーム
発生装置。
【請求項７】前記陽電子放出体は¹²Ｃ（ｄ，ｎ）¹³Ｎ
反応により生成された¹³Ｎであることを特徴とする請求
項４又は５記載の低速陽電子ビーム発生装置。