(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高エネルギーの陽電子をタングステン減速材に入射して該減速材表面での陽電子の再放出現象により陽電子を減速する陽電子減速装置において、
減速された低速陽電子が散乱されずに通過できかつ酸化が内部まで進行しない程度の微量の酸素ガス雰囲気中を形成する手段と、
タングステン減速材を加熱することにより、熱と表面での酸素の働きにより表面への炭素の堆積やポジトロニウムの形成を抑えるための加熱手段と、
から成る陽電子減速装置。
【請求項２】
前記タングステン減速材に入射する高エネルギーの陽電子は、電子加速器により加速された高エネルギー電子ビームを電子・陽電子コンバータに入射させることにより発生させるものである請求項１に記載の陽電子減速装置。
【請求項３】
前記タングステン減速材に入射する高エネルギーの陽電子は、放射線源から放出される高エネルギー陽電子である請求項１に記載の陽電子減速装置。
【請求項４】
前記タングステン減速材に入射する高エネルギーの陽電子は、一度減速した低速陽電子ビームを加速収束手段により加速収束したものである請求項１に記載の陽電子減速装置。
【請求項５】
前記タングステン減速材の加熱は、摂氏３００度以上１２００度以下の温度で行われる請求項１〜請求項４のいずれかに記載の陽電子減速装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、高エネルギー陽電子を高効率で低速陽電子に減速する陽電子減速装置に関し、特に金属、半導体、高分子など多様な薄膜の微視的構造評価や固体表面の分析などに利用されている低速陽電子を得るため、高エネルギーの陽電子を高効率で減速する陽電子減速装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
陽電子は、電子加速器などで発生した高エネルギーガンマ線からの電子対生成や放射性同位元素からのβ＋線から得ることができるが、そのエネルギーは数百キロ電子ボルト以上まで広く分布している。このエネルギーの高い陽電子は、固体中に入射すると数ピコ秒でエネルギーを失って熱エネルギー程度（熱化）になり、その後固体内を拡散し一部は表面に戻ってくる。この時、固体表面の陽電子の仕事関数が負であると表面に来た陽電子は固体表面から外に再放出される。この時の陽電子の放出エネルギーは陽電子の仕事関数程度のエネルギー（数電子ボルト以下）である。この性質を利用して、高エネルギーの陽電子を減速させることができる。
【０００３】
従来、この負の仕事関数を有する固体として表面を清浄にしたタングステンが陽電子の減速材として最も一般的に利用されてきた。従来のタングステン減速材を利用した陽電子減速装置では、高エネルギー陽電子を減速材に入射して減速材から再放出される低速陽電子を取り出すことによって陽電子を減速してきた。従来の陽電子減速装置では、タングステン減速材は通常加熱などを行わず、室温で用いられてきた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
入射した陽電子が拡散してタングステンの表面に来ると、表面から放出する場合と陽電子と電子の束縛状態であるポジトロニウムを形成する場合がある。表面で形成したポジトロニウムは表面に捕獲されて消滅するか、表面からポジトロニウムとして放出するが、いずれの場合もすぐに電子と消滅するため、ポジトロニウムの形成によって再放出する陽電子の割合が制限されるという問題があった。また、表面に欠陥などがあってそこに陽電子が捕獲されて再放出せずに表面で消滅し、再放出する陽電子の割合が制限されるという問題もあった。さらに、加速器などを用いて陽電子を生成する場合、イオン加速器のイオンビームや電子加速器の高エネルギー電子ビーム入射時に生じる放射線などによって、減速材の内部に微視的な欠陥ができ、陽電子がそこに捕獲されて表面に戻ってくる割合が少なくなり、陽電子の減速効率が下がるという問題があった。
【０００５】
さらに、高エネルギー電子ビームなどを入射時真空中の残留ガスである二酸化炭素や一酸化炭素や炭化水素ガスが電子ビームによって分解して炭素が表面に堆積したり、減速材の温度が高い場合減速材の中に含まれている炭素が表面に拡散してきて堆積する場合があり、これらの表面の炭素によって減速効率が下がるという問題もあった。この表面に堆積した炭素を超高真空中で除去するには摂氏２０００度以上で加熱が必要である。しかし、減速材を使用状態で摂氏２０００度以上に加熱するには、加熱機構および生じた熱の冷却機構が大規模になり、実用的でないという問題があった。表面の炭素を低温で除去する方法として水素ガスを導入して放電させてイオンあるいは原子状の水素を発生させ、それと炭素を結合させて炭素を除去するという方法が知られているが（Ｈ．  Ｔａｎａｋａ，  Ｔ．  Ｍｉｃｈｉｓｈｉｔａ，  Ｔ．  Ｙｕｙａｍａ，  Ｋ．  Ｔａｋａｍｉ，  Ｙ．  Ｋａｗａｓｅ  ａｎｄ  Ａ．  Ｍｏｈｒｉ：  Ｊｐｎ．  Ｊ．  Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  ３１  （１９９２）  ４０２９．）、この方法では、内部の欠陥を除去することができないという問題があった。
【０００６】
そこで、本発明は、高い効率で陽電子を減速することができるとともに、長期間安定的に使用することができる陽電子減速装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明を適用する陽電子減速装置は、タングステン減速材１、タングステン減速材１を加熱する加熱機構２、酸素導入機構３から構成されている。タングステン減速材１は、低速陽電子５が通過できかつ酸化が内部まで進行しない程度の極微量の酸素雰囲気中で摂氏３００度以上１２００度以下に加熱されると共に、これに高エネルギーの陽電子４が入射される。これによって、熱と表面での酸素の働きにより表面への炭素の堆積やポジトロニウムの形成を抑え、陽電子の再放出現象により表面から再放出される陽電子を取り出すことにより、高効率の陽電子の減速を実現する。
【０００８】
【実施の形態】
図１は、本発明を適用する陽電子減速装置の概念図を示している。図において、陽電子減速装置は、タングステン減速材１、タングステン減速材１を加熱する加熱機構２、酸素導入機構３、及び真空容器６から構成されている。タングステン減速材１は、低速陽電子５が通過できかつ酸化が内部まで進行しない程度の極微量の酸素雰囲気中で摂氏３００度以上１２００度以下に加熱されると共に、これに高エネルギーの陽電子４が入射される。これによって、熱と表面での酸素の働きにより表面への炭素の堆積やポジトロニウムの形成を抑え、陽電子の再放出現象により表面から再放出される陽電子を取り出すことにより、高効率の陽電子の減速を実現する。また、導入する酸素の量は、温度、タングステン内部の炭素の含有量、真空中の残留ガスの量などによって変わるが、表面の炭素などの不純物を除去できること、大部分の陽電子が酸素分子と衝突せずに通過できること、酸化が内部まで進行しないことなどの条件を満たす量が必要である。
【０００９】
この陽電子減速装置では、以下のような複合的な作用によって陽電子の減速効率が従来よりも高められる。
【００１０】
１．  タングステン減速材表面の炭素は、高温では酸素と結合し、一酸化炭素または二酸化炭素を形成して、ガスとなって表面から飛び出すことから、表面の炭素を除去することができる。ほかの不純物も酸素と結合して表面から放出されることから、除去することができる。
【００１１】
２．  タングステン表面に存在する酸素によって、ポジトロニウムの形成が抑制されることから、従来の方法で問題となっていたポジトロニウムによる再放出率の低下を抑えることができ、これに伴って陽電子として放出する割合が増加する。
【００１２】
３．  高温中では、放射線などによってできる微視的な欠陥はできてもすぐに構造が緩和して消失する。
【００１３】
４．  高温中では、表面および表面近傍の欠陥などに浅く捕獲されていた陽電子も熱的に励起され、表面から放出しやすくなる。
【００１４】
以上のように、本発明の陽電子減速装置によれば、熱とタングステン表面の酸素の作用により、陽電子の減速効率が高められる。タングステンの温度は、摂氏３００度以上にすると室温に比べて顕著な熱による効果がみられるが、摂氏１２００度以上では、表面の酸素が解離して酸素の作用が消失する。そのため、タングステンの温度は摂氏３００度以上１２００度以下でなければならない。
【００１５】
【実施例】
図２は、電子・陽電子コンバータ７と共に用いる本発明の陽電子減速装置の第一の実施例を示している。図２において、１はタングステン減速材、２は加熱機構、３は酸素ガス導入機構、６は真空容器、７は電子・陽電子コンバータ、８は真空排気装置である。図示しない電子加速器により加速された高エネルギー電子ビーム９は、電子・陽電子コンバータ７に入射し、電子対生成によって生成される高エネルギー陽電子４をタングステン減速材１に入射し、陽電子を減速して低速陽電子ビーム５を得る。タングステン減速材１は、炭素を少量含有しているものでも可能であるが、加熱時に表面の炭素を除去するための酸素ガスの量が陽電子が散乱される程度またはそれ以上になる場合、使用前に真空中あるいは微量の酸素雰囲気中にて熱処理をして炭素の含有量を下げる必要がある。加熱機構２では、タングステンフィルムに電流を流して加熱する直接通電加熱、ヒーターからの熱を輻射あるいは熱伝導によってタングステンに伝える傍熱加熱、赤外線ランプからの赤外線などのエネルギーを有する量子の照射による加熱などのほかに、電子・陽電子コンバータ７を通過した高エネルギー電子ビームによって加熱する方法を用いても良い。酸素ガス導入機構３は、真空容器中に微量の酸素ガスを導入できるような流量可変のバルブが必要であり、導入する酸素ガスは純酸素が望ましいが、コストを抑えるため大気を導入する方式も可能である。
【００１６】
酸素導入機構３と加熱機構２により微量の酸素雰囲気中で加熱したタングステン減速材１に入射した高エネルギー陽電子４は、減速材内でエネルギーを失い拡散によって表面に戻ってきて、熱と表面の酸素の作用により従来の陽電子減速装置よりも高い効率で低速の陽電子が表面から放出する。図２のような電子加速器の高エネルギー電子ビーム９を入射する電子・陽電子コンバータ７では高エネルギーの電子ビーム入射時に中性子が発生し、これがその直後にあるタングステン減速材１に入射して室温では減速材の中に微視的欠陥ができる。この欠陥の回復温度は摂氏８００度程度であることが知られており、タングステンの温度を摂氏８００度以上１２００度以下の温度に保ち、微量の酸素を導入すれば、微視的欠陥や表面の炭素不純物などによる劣化がなく、従来よりも高い効率で安定的に陽電子の減速が可能になる。また、冷却系を簡略化するため、通常の使用時には摂氏３００度以上８００度以下で用いて放射線損傷による劣化がある程度進行した時点で一時的に温度を８００度以上に上げて損傷を回復させることにより、減速効率の著しい低下を防ぎながら使用することも可能である。
【００１７】
図２に図示した電子・陽電子コンバータ７は真空容器の外にあり真空窓を通して高エネルギー陽電子４はタングステン減速材１に入射するが、電子・陽電子コンバータ７を真空容器６の中に置き、この中で発生した高エネルギー陽電子４を減速材１に入射しても同様の効果がある。
【００１８】
図３は、高エネルギーの陽電子ビーム源として、放射線源を用いる本発明の陽電子減速装置の第二の実施例を示している。図において、１はタングステン減速材、２は加熱機構、３は酸素ガス導入機構、６は真空容器、７’は放射線源、８は真空排気装置である。本発明による高エネルギー陽電子の減速は、放射性同位元素から放出されるβ＋線や大線量ガンマ線から生成される高エネルギー陽電子の減速にも使用できる。図３において、放射性同位元素などの放射線源７’から放出される高エネルギー陽電子４をタングステン減速材１に入射し、陽電子を減速して低速陽電子ビーム５を得る。タングステン減速材１、加熱機構２、酸素ガス導入機構３は、前述の例と同様なものを使用し、摂氏３００度以上１２００度以下の温度に保ち、微量の酸素を導入することによって熱と酸素の作用により従来よりも高い効率で陽電子の減速ができる。この例においては、図２を参照して前述した例のような中性子による放射線損傷はないことから、摂氏３００度以上８００度以下の温度でも安定的に使用できる。
【００１９】
図４は、加速収束機構と共に用いる本発明の陽電子減速装置の第三の実施例を示している。図において、１はタングステン減速材、２は加熱機構、３は酸素ガス導入機構、６は真空容器、７”は加速収束機構である。この例において、一度減速した低速陽電子ビーム５は加速収束機構７’’により数キロ電子ボルトまで加速し収束させて、この陽電子ビーム４をタングステン減速材１に入射し、陽電子を減速して陽電子ビームの径、エネルギーの広がり、角度の広がりを小さくし高輝度化した低速陽電子ビーム５’を得ることができる。この例においても、前述したのと同様な方法で微量の酸素雰囲気中でタングステンを加熱することにより、タングステン表面での熱と酸素の作用により、従来よりも高い減速効率で陽電子を減速することができる。
【００２０】
図４は、入射する面と同じ方向から陽電子を再放出させた例であるが、タングステン薄膜を用いて入射した面と反対の面から陽電子を再放出させることも可能である。
【００２１】
【発明の効果】
本発明は、微量の酸素ガス雰囲気中で、タングステン減速材を加熱することにより、微量の酸素の作用により表面に炭素が来ても、酸素と結合して一酸化炭素あるいは二酸化炭素ガスとなって除去されることから、表面の炭素や微視的欠陥による陽電子の減速効率の劣化を抑えることができる。さらに、タングステン表面の酸素によりポジトロニウムの形成が抑制され、表面に浅くトラップされていた陽電子も熱的に励起されて表面から再放出することから、従来のタングステン減速材の表面よりも陽電子の表面から再放出する割合が大きくなる。
【００２２】
このように、本発明の陽電子減速装置を用いることにより、従来の装置よりも、高い効率で陽電子を減速することができるとともに、長期間安定的に使用することができる。
【００２３】
また、本発明によれば、タングステン減速材の温度を高温に保つことにより従来問題となっていたタングステン減速材内の微視的欠陥の生成が抑制されるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用する陽電子減速装置の概念を例示する図である。
【図２】本発明の陽電子減速装置の第一の実施例を示す図である。
【図３】本発明の陽電子減速装置の第二の実施例を示す図である。
【図４】本発明の陽電子減速装置の第三の実施例を示す図である。
【符号の説明】
１    タングステン減速材
２    加熱機構
３    酸素ガス導入機構
４    高エネルギー陽電子ビーム
５    低速陽電子ビーム
５’    高輝度化された低速陽電子ビーム
６    真空容器
７    電子・陽電子コンバータ
７’    放射線源
７’’  加速・収束機構
８    真空排気装置
９    高エネルギー電子ビーム
【図１】
0003627001.tif 000002
【図２】
0003627001.tif 000003
【図３】
0003627001.tif 000004
【図４】
0003627001.tif 000005