(57)【要約】【課題】  偏極陽電子ビームの偏極率を評価することは偏極陽電子ビームを利用するためには必要不可欠であるが、その比較的短時間で行える評価方法は存在しないので、比較的短時問で偏極陽電子ビームの偏極率の評価が行えることが必要である。【解決手段】  極低温、強磁場中で不対電子を偏極させ、入射偏極陽電子と反応させることにより形成される結合状態、ポジトロニウムのスピン状態を陽電子消滅法により観測し、偏極陽電子ビームの偏極率の評価を行う方法。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
極低温、強磁場中で不対電子を偏極させ、入射偏極陽電子と反応させることにより形成される結合状態、ポジトロニウムのスピン状態を陽電子消滅法により観測し、偏極陽電子ビームの偏極率の評価を行う方法。
【請求項２】
放射線又は紫外線を標準試料に入射し、その照射により試料中に浅く束縛された不対電子を蓄積させ、不対電子密度が高くなった試料を極低温、強磁場中に配置することにより不対電子のスピンを偏極させ、その試料に偏極陽電子ビームを入射して不対電子と入射陽電子とを反応させ、入射陽電子により生じたオルソーホジトロニウム、磁場により摂動を受けたパラーホジトロニウム及び磁場により摂動を受けたオルソーホジトロニウムを形成させて測定し、その際に測定された各ホジトロニウムの形成率の磁場強度存性より入射陽電子の偏極率を測定する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は試料中に常磁性種として存在する不対電子（電子が１つで存在する状態）が極低温、強磁場中で偏極して存在することを利用し、それら不対電子と入射陽電子を反応させることによって形成されたポジトロニウム（Ｐｓ）のスピン状態を陽電子消滅法（陽電子は、電子の反粒子であり、物質中に陽電子を入射させると物質中の電子と共に質量エネルギー分の複数のγ線を放出しながら１００ピコ秒から数ナノ秒で消滅して行く、この消滅γ線のエネルギー、放出方向、寿命等を測定することで物質の分析を行う方法）により評価し、その結果から入射された陽電子の偏極率を評価するものである。
【０００２】
このことにより、いろいろな材料開発分野で利用される偏極陽電子ビームの偏極率の評価を簡便に行うことが可能となる。
【背景技術】
【０００３】
現在までに偏極陽電子ビームの偏極率の評価方法は確立されていないが、研究は行われている。例えば、偏極陽電子を磁場中に置いた試料に入射し、磁場を変化させることで、陽電子と電子が対消滅する際に放出されるγ線のエネルギー分布が変化し、その様子が陽電子のスピン偏極率に依存することがわかっている。従来はこの手法がもっとも実用化に近い手法であったと考えられる。しかし、その手法は評価に比較的長時間の測定が必要であり、また、精度を高くすることが困難である、など、いろいろな問題点が存在する。
【０００４】
それに対し、本発明による偏極陽電子ビームの偏極率評価方法は比較的短時間で評価が行え、日常的な評価法としても有効である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
偏極陽電子ビームは既に開発されており、実用可能な状態になりつつある。しかしながら、その偏極率を評価することは偏極陽電子ビームを利用するためには必要不可欠である。現在でも、比較的短時間で行える評価方法は存在せず、実用に向けて一つの障害となっていた。本発明では比較的短時問で偏極陽電子ビームの偏極率の評価が行え、この問題を解決することができる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
電子は通常２つがペアをつくり、同じ軌道を占有する。しかし、電子が１つで存在する状態を作ることは可能である。１つの例としては放射線や紫外線などでイオン化を起こし、放出される電子はペアを作らない。これら電子を陽電子が引き抜いてポジトロニウム（Ｐｓ）という電子と陽電子の結合状態を作ることが可能であれば、本発明に応用することが可能となる。実際にはＰｓの物質中での結合エネルギーはおおよそ５ｅＶ程度であり、それ（５ｅＶ）より弱く電子が束縛されていることが必要である。１つの例としては２００Ｋ程度よりも低温域では高分子や分子固体（分子が凝集力によって固体となっているもの）中で、０．５〜３ｅＶ程度で電子が束縛され、長時間存在することが可能となる。このような低温で放射線や紫外線照射などで誘起された電子は浅く束縛され、長時間存在するため、不対電子として蓄積していくことが可能である。
【０００７】
浅く束縛された不対電子の密度が十分高くなった状態で、極低温、強磁場中に置いてやるとそれまで不規則であった電子のスピンの方向が、ゼーマン分裂（電子、原子核、原子、分子等の固有の物理量である磁気量子数に由来する磁気モーメントが磁場と相互作用することで、磁場が無いときに同じエネルギー状態であったものが磁場の存在でそれぞれ異なったエネルギー状態へ移る現象）した２つのエネルギー状態の低い方により多く、占有することとなる。つまり、不対電子のスピンを偏極させることが可能となる。例えば、１．３Ｋ、４，０００ガウスでは２０％以上、２０，０００ガウスでは７０％以上のスピン偏極率となる。
【０００８】
このような極低温、強磁場中で不対電子を偏極させ、そこにある偏極率の陽電子を入射させると形成されるＰｓはオルソ−Ｐｓ、磁場により摂動をうけたパラ−Ｐｓとオルソ−Ｐｓに分かれることになる。オルソ−Ｐｓは最長寿命として陽電子消滅寿命測定で強度評価が可能である。摂動とは、力学系の運動を規定する方程式で正確な解が求まる主な部分のほかに小さい付加項を含む場合、付加項を前者の定める運動の小さい補正を加えるものとみなして摂動と称している。
【０００９】
消滅γ線のエネルギー測定による評価の場合、自己２光子消滅する成分がより分布の狭いγ線ピークを与えるため、摂動されたパラーＰｓ成分と摂動されたオルソーＰｓ成分からの自己消滅が大きく寄与する。
【００１０】
表１に１．３Ｋ、２００００ガウスの時のそれぞれのＰｓ状態の形成比を載せてある。このように大きな変化が予測され、実際の陽電子のスピン偏極率を評価する方法として十分可能である。
【００１１】
【表１】
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【発明の効果】
【００１２】
本発明により偏極陽電子ビームの偏極率の評価が比較的短時間で行えるようになり、その結果、評価のためにビームを長時間運転する必要がなく、経済性が向上する。また、偏極湯電子ビームを用いた研究開発において定量的な議論を行うことが可能となり、物質科学研究や材料開発分野での成果が期待できる。
【発明の実施するための最良の形態】
【００１３】
実際のビームの評価に用いる場合、標準となる試料を決める必要がある。条件としては
１． 浅く束縛された電子と陽電子によるＰｓ形成が全体のＰｓ形成の中で占める比率が高い方が精度が良い。
【００１４】
２． 最長寿命成分をしめすオルソ−Ｐｓ寿命が長い方がより精度が高くなるなどであ
る。
標準試料に偏極陽電子ビームが当たるように取り付け、試料を極低温に冷却し、陽電子ビーム自身により照射を行うか、Ｘ線、紫外線などで試料を照射することにより、浅く束縛された不対電子を試料中に導入する。この状態で実施可能な陽電子消滅法で磁場方向を変化させて測定し、その結果から、陽電子のスピン偏極率を求めることとなる。
【実施例】
【００１５】
偏極陽電子ビームの終端に液体ヘリウムクライオスタット等で極低温まで温度を下げられるようにした試料を取り付け、この試料にＸ線を照射する。照射はチャンバー中で可視光が存在しないようにして行う。この照射によって試料中に不対電子を蓄積させていく。蓄積されたことは、入射された陽電子が消滅された際に放出されるγ線を用いて陽電子消滅法で観測する。ある程度の照射後、不対電子濃度は飽和するので、その後は測定中に濃度変化は起こらない。この状態で試料に２万ガウス程度の磁場をかけ、蓄積した不対電子を偏極させ、その方向を変化させることで、例えば、陽電子消滅寿命測定で評価する場合は最長寿命成分であるオルソーＰｓの形成強度変化を測定して、その結果を解析することで入射陽電子のスピン偏極率を求める。
【００１６】
図１にはＲＩ（ラジオアイソトープ）から放出される偏極陽電子ビームをそのまま用い、Ｎａ−２２（ＲＩ）から放出される陽電子の半立体角をアルミニウムで覆い、残りの半立体角をポリエチレン（試料）で覆い実験を行った。Ｎａ−２２から半立体化角に放出される陽電子のスピン偏極率は３３．５％程度である。アルミニウム中ではＰｓ形成は全く起こらないので、ポリエチレン中に入射された陽電子についてのみＰｓ形成を評価することができる。この状態で４．２Ｋ、暗黒中に数日間放置し、上記したＸ線の代わりに入射陽電子自身による照射効果により試料中に浅く束縛された不対電子を導入した。この状態で１．３Ｋ、４０００ガウス中で陽電子消滅寿命が１ナノ秒より長かったものをカウントし、全体のカウントで標準化して、評価した。４０００ガウスの磁場では最長寿命成分であるオルソ−Ｐｓと磁場による摂動を受けているオルソ−Ｐｓ成分の分離が難しく、各寿命成分への分離による評価が出来ないためであるが、図１に示すように効果は観測された。磁場が上記のように２万ガウスと強ければ、各成分への分離も容易であり、精度よく陽電子のスピン偏極率の測定が可能となる。
【００１７】
図1は、使用した磁場強度が４０００ガウス程度と弱く、実際の偏極率の定量的測定には磁場強度を２万ガウス程度まで上げることが望ましいが、偏極電子と偏極陽電子によるＰｓ形成反応が実験で観測することが可能であることを実証し、この手法で陽電子ビームの偏極率の評価が可能であることを示している。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】１ナノ秒より遅い消滅の磁場方向依存性を示す図である（磁場強度約４０００ガウス、測定温度１．３Ｋ）。
【図１】
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