(57)【要約】【課題】ＥＲＣＳ法により得られたＥＲＣＳスペクトルから、試料中に見出される水素の質量面密度、水素質量密度や、試料中に見出される包有物の大きさおよび密度を得る方法、さらには、ＥＲＣＳスペクトル歪みを補正する方法を提供する。【解決手段】高エネルギーの陽子ビームを試料に照射して、前記試料の組成を分析する陽子−陽子弾性散乱同時計数法において、前記試料に入射した前記陽子ビームの入射陽子が、前記試料中で弾性散乱されることにより生じる、散乱陽子と反跳陽子とを、測定して得られる、前記散乱陽子と前記反跳陽子とのエネルギー値の和であるサムエネルギーを示すＥＲＣＳスペクトルであって、該ＥＲＣＳスペクトルの前記サムエネルギーを示すエネルギー単位を、下記式１により、質量面密度の単位に関連づけることを特徴とする、ＥＲＣＳスペクトルの単位変換方法である。  【数１】2007178388.tif 000047【選択図】図６
2007178388.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高エネルギーの陽子ビームを試料に照射して、前記試料の組成を分析する陽子−陽子弾性散乱同時計数法において、前記試料に入射した前記陽子ビームの入射陽子が、前記試料中で弾性散乱されることにより生じる、散乱陽子と反跳陽子とを、測定して得られる、前記散乱陽子と前記反跳陽子とのエネルギー値の和であるサムエネルギーを示すＥＲＣＳスペクトルであって、該ＥＲＣＳスペクトルの前記サムエネルギーを示すエネルギー単位を、下記式１により、質量面密度の単位に関連づけることを特徴とする、ＥＲＣＳスペクトルの単位変換方法。
【数１】
2007178388.tif 000032
（式１の、ΔＥsumは前記ＥＲＣＳスペクトルにより得られるサムエネルギーの微小変化分を示し、また、Ｓ（Ｅsum／２）は出射時の陽子のエネルギーロスを示し、Ｓ（ＥA）は散乱位置でのエネルギーロスを示す。また、Δｔは前記試料の微小厚さの質量面密度（ｍｇ／ｃｍ2）を示す。）
【請求項２】
さらに、前記式１において、前記散乱位置でのエネルギーロスであるＳ（ＥA）を定数ｃと置くことを特徴とする請求項１記載のＥＲＣＳスペクトルの単位変換方法。
（ただし、前記定数ｃは、下記表１を満たす。）
【表１】
2007178388.tif 000033
【請求項３】
さらに、前記式１の、前記出射時の陽子のエネルギーロスＳ（Ｅsum／２）を、二つのパラメータａ、ｂを用いて、下記式２により近似することを特徴とする請求項１乃至２記載のＥＲＣＳスペクトルの単位変換方法。
【数２】
2007178388.tif 000034
（ただし、前記定数ａおよびｂは、下記表２を満たす。）
【表２】
2007178388.tif 000035
【請求項４】
前記式１および前記式２から導出される、下記式３により、前記ＥＲＣＳスペクトルの前記サムエネルギーを示すエネルギー単位を、質量面密度ｔ（Ｅsum）の単位に変換することを特徴とする、請求項１乃至３記載のＥＲＣＳスペクトルの単位変換方法。
【数３】
2007178388.tif 000036
【請求項５】
前記陽子ビームのエネルギー値Ｅが１〜１００ＭｅＶの範囲において、前記式３の、前記パラメータａ、ｂおよび定数ｃは、下記表３に示す範囲の値を用いることを特徴とする、請求項１乃至４記載のＥＲＣＳスペクトルの単位変換方法。
【表３】
2007178388.tif 000037
【請求項６】
高エネルギーの陽子ビームを試料に照射して、前記試料の組成を分析する陽子−陽子弾性散乱同時計数法であって、前記試料に入射した前記陽子ビームの入射陽子が、前記試料中で弾性散乱されることにより生じる、散乱陽子と反跳陽子とを、測定して得られる、ＥＲＣＳスペクトルにおいて、前記陽子ビームが、前記試料と、該試料を固定しかつ標準試料となるフォイルと、を通過する際に生じる、エネルギーロスによる、前記ＥＲＣＳスペクトルのスペクトル強度の、入射面側のピーク面積の減少を、下記式４により、補正することを特徴とする、ＥＲＣＳスペクトルの補正方法。
【数４】
2007178388.tif 000038
（式中、Ｈ0は前記スペクトル強度を示し、δtは出射面を基準とした弾性散乱位置の深度を示す。また、μは、下記式４'を満たし、Ａ1は入射面のフォイルのピーク面積、Ａ２は出射面のフォイルピーク面積、Ｐ1およびＰ2は、それぞれ入射面及び出射面のフォイルピークの位置を示す。）
【数５】
2007178388.tif 000039
【請求項７】
高エネルギーの陽子ビームを前試料に照射して、前記試料の組成を分析する陽子−陽子弾性散乱同時計数法において、記試料に入射した前記陽子ビームの入射陽子が、前記試料中で弾性散乱されることにより生じる、散乱陽子と反跳陽子とを、測定して得られる、ＥＲＣＳスペクトルのスペクトル強度を、下記式５により質量密度ｒ（質量％）に換算することを特徴とする、ＥＲＣＳスペクトルの単位変換方法。
【数６】
2007178388.tif 000040
（式中、ρは前記試料を固定するためのフォイルの水素濃度（ｍｇ／ｃｍ2）を示し、Ａ2は出射面のフォイルのピーク面積を示し、ｇはキャリブレーション（ｍｇ／ｃｍ2／チャンネル）を示し、Ｈは前記式４を満たす。）
【請求項８】
高エネルギーの陽子ビームを試料に照射して、前記試料の組成を分析する陽子−陽子弾性散乱同時計数法において、前記試料に入射した前記陽子ビームの入射陽子が、前記試料中で弾性散乱されることにより生じる、散乱陽子と反跳陽子とを、左右の検出器で測定して得られる、前記散乱陽子と前記反跳陽子とのエネルギー値の和であるサムエネルギーを示す二次元ＥＲＣＳスペクトルであって、前記陽子ビームの入射陽子によって、前記試料中で弾性散乱されることにより生じる、散乱陽子と反跳陽子との散乱角度が４５度からずれるに従って、生じる、前記二次元ＥＲＣＳスペクトルの湾曲線状の歪みを、下記式６により、放物線の式で記述することを特徴とする、二次元ＥＲＣＳスペクトルの補正方法。
【数７】
2007178388.tif 000041
（ただし、Ｘ＝Ｅ１−Ｅ２、Ｙ＝Ｅｓ−（Ｅ１＋Ｅ２）を満たし、Ｅ１は、左の検出器で検出された陽子のエネルギーを示し、Ｅ２は、右の検出器で検出された陽子のエネルギーを示す。また、Ｅｓは左右の散乱角度がともに４５度の二つの陽子のエネルギーの合計値を示し、ａは係数である。）
【請求項９】
さらに、前記式６において、前記係数ａを、下記式７により定義することを特徴とする、請求項７記載の二次元ＥＲＣＳスペクトルの補正方法。
【数８】
2007178388.tif 000042
（ｋ０とｋ１とは下記表４を満たす。）
【表４】
2007178388.tif 000043
【請求項１０】
前記式６および前記式７から導出される、下記式８により、前記二次元ＥＲＣＳスペクトルの歪みを補正することを特徴とする、二次元ＥＲＣＳスペクトルの補正方法。
【数９】
2007178388.tif 000044
（Ｅｓはサムエネルギー値を示し、Ｅ１は、左の検出器で検出された陽子のエネルギーを示し、Ｅ２は、右の検出器で検出された陽子のエネルギーを示す。また、ｋ０、ｋ１は、前記表４を満たす。）
【請求項１１】
さらに、前記式８を利用して、二次元スペクトル上で変形を行なうために、係数α１、α２を導入し、下記式９および式１０を用いることを特徴とする、請求項８乃至１０記載の二次元ＥＲＣＳスペクトルの補正方法。
【数１０】
2007178388.tif 000045
（ただし、α１、α２は、０．４５〜０．５５の範囲である。）
【請求項１２】
高エネルギーの陽子ビームを試料に照射して、前記試料の組成を分析する陽子−陽子弾性散乱同時計数法において、前記試料に入射した前記陽子ビームの入射陽子が、前記試料中で弾性散乱されることにより生じる、散乱陽子と反跳陽子とを、測定して得られる、ＥＲＣＳスペクトルのスペクトル強度から、既知物質の密度ρQと、前記既知物質の厚さｘQを基準として、前記試料中に見出される包有物の大きさｘ（μｍ）および密度ρ（ｇ／ｃｍ3）を、それぞれ、下記式１１および式１２より算出することを特徴とする、試料内包有物の大きさｘおよび密度の算出方法。
【数１１】
2007178388.tif 000046
（Ｐ１、Ｐ２、は前記既知物質のみのスペクトルの入射面と出射面との位置を示し、またＱ１、Ｑ２、はそれぞれ包有物を含むスペクトルの入射面と出射面を示し、また、Ｒ１、Ｒ２、はそれぞれ包有物と前記既知物質との境界面を示す。）
【請求項１３】
前記試料は水素を含む固体試料であることを特徴とする請求項１乃至１２記載のＥＲＣＳスペクトルによる水素測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高エネルギーの陽子ビームを試料に照射して、前記試料の組成を分析する陽子−陽子弾性散乱同時計数法により得られる、ＥＲＣＳスペクトルを用いた、地球科学の分析、岩石の分析、金属中の水素濃度の分析等における、試料の、組成分析、定量定性分析、水素含有量などの算出方法およびＥＲＣＳスペクトルの単位変換方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球惑星物質科学において、地球の進化・遷移や初期太陽系の形成史を解明するための重要な鍵として、隕石や地球深部物質中の水（水素）を含めた軽元素の存在量と分布状態の精密定量測定が要求されている。その一例として、島弧の酸性火山岩に捕獲されたガラス包有物中の水素の定量分析があり、これによって島弧マグマ中の水濃度、その横断方向の濃度変化など、地質学的に重要な研究の進展が期待される。
特に、鉱物試料などに含まれる水素の分析には、二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）や、赤外分光分析（ＦＴ−ＩＲ）や、３ＭｅＶ程度のＨｅによる弾性散乱分析法（ＥＲＤＡ）などの手法を用いることができる。特に、物質中の水素分布を正確に得る手法として、陽子−陽子弾性散乱同時計数法（以下ＥＲＣＳ法）がＣｏｈｅｎら（非特許文献１）により報告されている。
【０００３】
【非特許文献１】B.L.Cohen,  C.L.Fink,  J.H.Degnan (1972): Nondestructive analysis for trace amounts of hydrogen. J. Appl. Phys., Vol.43, 19-25
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような状況で、本発明者らは筑波大学研究基盤総合センター応用加速器部門のタンデム加速器から得られるエネルギー２０ＭｅＶの陽子ビームを利用し、ＥＲＣＳ法を実用化する様々な実験的手法の研究開発を行ってきた。しかし、上述のＥＲＣＳ法では、以下のような問題があった。
１、 通常、ＥＲＣＳスペクトルは横軸は、散乱陽子と反跳陽子とのサムエネルギー値を示すが、これを面密度の単位に変換する方法は知られていなかった。また、包有物の密度は、推定される組成から推測するしかなく、水素濃度の質量比の正確な値を算出することは不可能であった。
２、得られたＥＲＣＳスペクトルには、入射面と出射面にそれぞれ配置した、試料を固定しかつ標準試料となるフォイルである、２枚のマイラーからの、２つのピークが観測され、この２枚のマイラーからの散乱強度は、本来等しいはずであるが、試料中を通過中に散乱されるため、入射面側のピーク面積は減少してしまうという問題があった。
３、また、従来の陽子弾性散乱同時計数法（ＥＲＣＳ法）では、散乱陽子のエネルギースペクトルを得る際、左右の検出器は４５度を中心に±５度程度の広さを占めているが、同一の深さで散乱された陽子であってもこの角度の広がりのために散乱した陽子のエネルギーが変化してしまうという不都合があった。しかも、この影響は散乱位置の深さに依存し、その解析はまったく行なわれていなかった。そして、同一の深度から散乱された陽子線のサムエネルギーは散乱角度が４５度からずれるに従って、より小さいエネルギーとなり、二次元ＥＲＣＳスペクトル上で湾曲するため、スペクトルに歪みを生じていた。
４、また、サンプル中の包有物の大きさの測定値が必要であったが、これは顕微鏡観測などで推定するしか方法がなかった。
５、以上のような問題点があったため、石英などのガラス包有物中の水素の定量は実現されていなかった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
そこで、上記課題を解決し、得られたＥＲＣＳスペクトルのサムエネルギー値やスペクトル強度から、試料中に見出される水素の質量面密度、水素質量密度、などの、試料中の深さ方向の水素濃度分布に変換する変換手法や、試料中に見出される包有物の大きさｘ（μｍ）および密度ρ（ｇ／ｃｍ3）、さらには、ＥＲＣＳスペクトル歪みを補正するために、先ず、本発明の請求項１は、高エネルギーの陽子ビームを試料に照射して、前記試料の組成を分析する陽子−陽子弾性散乱同時計数法において、前記試料に入射した前記陽子ビームの入射陽子が、前記試料中で弾性散乱されることにより生じる、散乱陽子と反跳陽子とを、測定して得られる、前記散乱陽子と前記反跳陽子とのエネルギー値の和であるサムエネルギーを示すＥＲＣＳスペクトルであって、該ＥＲＣＳスペクトルの前記サムエネルギーを示すエネルギー単位を、下記式１により、質量面密度の単位に関連づけることを特徴とする、ＥＲＣＳスペクトルの単位変換方法である。
【数１２】
2007178388.tif 000003
（式１の、ΔＥsumは前記ＥＲＣＳスペクトルにより得られるサムエネルギーの微小変化分を示し、また、Ｓ（Ｅsum／２）は出射時の陽子のエネルギーロスを示し、Ｓ（ＥA）は散乱位置でのエネルギーロスを示す。また、Δｔは前記試料の微小厚さの質量面密度（ｍｇ／ｃｍ2）を示す。）
【０００６】
また、本発明の請求項２は、さらに、前記式１において、前記散乱位置でのエネルギーロスであるＳ（ＥA）を定数ｃと置くことを特徴とする請求項１記載のＥＲＣＳスペクトルの単位変換方法である。
（ただし、前記定数ｃは、下記表５を満たす。）
【表５】
2007178388.tif 000004
【０００７】
また、本発明の請求項３は、さらに、前記式１の、前記出射時の陽子のエネルギーロスＳ（Ｅsum／２）を、二つのパラメータａ、ｂを用いて、下記式２により近似することを特徴とする請求項１乃至２記載のＥＲＣＳスペクトルの単位変換方法である。
【数１３】
2007178388.tif 000005
（ただし、前記定数ａおよびｂは、下記表６を満たす。）
【表６】
2007178388.tif 000006
【０００８】
また、本発明の請求項４は、前記式１および前記式２から導出される、下記式３により、前記ＥＲＣＳスペクトルの前記サムエネルギーを示すエネルギー単位を、質量面密度ｔ（Ｅsum）の単位に変換することを特徴とする、請求項１乃至３記載のＥＲＣＳスペクトルの単位変換方法である。
【数１４】
2007178388.tif 000007
【０００９】
また、本発明の請求項５は、前記陽子ビームのエネルギー値Ｅが１〜１００ＭｅＶの範囲において、前記式３の、前記パラメータａ、ｂおよび定数ｃは、下記表７に示す範囲の値を用いることを特徴とする、請求項１乃至４記載のＥＲＣＳスペクトルの単位変換方法である。
【表７】
2007178388.tif 000008
【００１０】
また、本発明の請求項６は、高エネルギーの陽子ビームを試料に照射して、前記試料の組成を分析する陽子−陽子弾性散乱同時計数法であって、前記試料に入射した前記陽子ビームの入射陽子が、前記試料中で弾性散乱されることにより生じる、散乱陽子と反跳陽子とを、測定して得られる、ＥＲＣＳスペクトルにおいて、前記陽子ビームが、前記試料と、該試料を固定しかつ標準試料となるフォイルと、を通過する際に生じる、エネルギーロスによる、前記ＥＲＣＳスペクトルのスペクトル強度の、入射面側のピーク面積の減少を、下記式４により、補正することを特徴とする、ＥＲＣＳスペクトルの補正方法である。
【数１５】
2007178388.tif 000009
（式中、Ｈ0は前記スペクトル強度を示し、δtは出射面を基準とした弾性散乱位置の深度を示す。また、μは、下記式４'を満たし、Ａ1は入射面のフォイルのピーク面積、Ａ２は出射面のフォイルピーク面積、Ｐ1およびＰ2は、それぞれ入射面及び出射面のフォイルピークの位置を示す。）
【数１６】
2007178388.tif 000010
【００１１】
また、本発明の請求項７は、高エネルギーの陽子ビームを前試料に照射して、前記試料の組成を分析する陽子−陽子弾性散乱同時計数法において、記試料に入射した前記陽子ビームの入射陽子が、前記試料中で弾性散乱されることにより生じる、散乱陽子と反跳陽子とを、測定して得られる、ＥＲＣＳスペクトルのスペクトル強度を、下記式５により質量密度ｒ（質量％）に換算することを特徴とする、ＥＲＣＳスペクトルの単位変換方法である。
【数１７】
2007178388.tif 000011
（式中、ρは前記試料を固定するためのフォイルの水素濃度（ｍｇ／ｃｍ2）を示し、Ａ2は出射面のフォイルのピーク面積を示し、ｇはキャリブレーション（ｍｇ／ｃｍ2／チャンネル）を示し、Ｈは前記式４を満たす。）
【００１２】
また、本発明の請求項８は、高エネルギーの陽子ビームを試料に照射して、前記試料の組成を分析する陽子−陽子弾性散乱同時計数法において、前記試料に入射した前記陽子ビームの入射陽子が、前記試料中で弾性散乱されることにより生じる、散乱陽子と反跳陽子とを、左右の検出器で測定して得られる、前記散乱陽子と前記反跳陽子とのエネルギー値の和であるサムエネルギーを示す二次元ＥＲＣＳスペクトルであって、前記陽子ビームの入射陽子によって、前記試料中で弾性散乱されることにより生じる、散乱陽子と反跳陽子との散乱角度が４５度からずれるに従って、生じる、前記二次元ＥＲＣＳスペクトルの湾曲線状の歪みを、下記式６により、放物線の式で記述することを特徴とする、二次元ＥＲＣＳスペクトルの補正方法である。
【数１８】
2007178388.tif 000012
（ただし、Ｘ＝Ｅ１−Ｅ２、Ｙ＝Ｅｓ−（Ｅ１＋Ｅ２）を満たし、Ｅ１は、左の検出器で検出された陽子のエネルギーを示し、Ｅ２は、右の検出器で検出された陽子のエネルギーを示す。また、Ｅｓは左右の散乱角度がともに４５度の二つの陽子のエネルギーの合計値を示し、ａは係数である。）
【００１３】
また、本発明の請求項９は、さらに、前記式６において、前記係数ａを、下記式７により定義することを特徴とする、請求項７記載の二次元ＥＲＣＳスペクトルの補正方法である。
【数１９】
2007178388.tif 000013
（ｋ０とｋ１とは下記表８を満たす。）
【表８】
2007178388.tif 000014
【００１４】
また、本発明の請求項１０は、前記式６および前記式７から導出される、下記式８により、前記二次元ＥＲＣＳスペクトルの歪みを補正することを特徴とする、二次元ＥＲＣＳスペクトルの補正方法である。
【数２０】
2007178388.tif 000015
（Ｅｓはサムエネルギー値を示し、Ｅ１は、左の検出器で検出された陽子のエネルギーを示し、Ｅ２は、右の検出器で検出された陽子のエネルギーを示す。また、ｋ０、ｋ１は、前記表８を満たす。）
【００１５】
また、本発明の請求項１１は、さらに、前記式８を利用して、二次元スペクトル上で変形を行なうために、係数α１、α２を導入し、下記式９および式１０を用いることを特徴とする、請求項８乃至１０記載の二次元ＥＲＣＳスペクトルの補正方法である。
【数２１】
2007178388.tif 000016
（ただし、α１、α２は、０．４５〜０．５５の範囲である。）
【００１６】
また、本発明の請求項１２は、高エネルギーの陽子ビームを試料に照射して、前記試料の組成を分析する陽子−陽子弾性散乱同時計数法において、前記試料に入射した前記陽子ビームの入射陽子が、前記試料中で弾性散乱されることにより生じる、散乱陽子と反跳陽子とを、測定して得られる、ＥＲＣＳスペクトルのスペクトル強度から、既知物質の密度ρQと、前記既知物質の厚さｘQを基準として、前記試料中に見出される包有物の大きさｘ（μｍ）および密度ρ（ｇ／ｃｍ3）を、それぞれ、下記式９および式１０より算出することを特徴とする、試料内包有物の大きさｘおよび密度の算出方法である。
【数２２】
2007178388.tif 000017
（Ｐ１、Ｐ２、は前記既知物質のみのスペクトルの入射面と出射面との位置を示し、またＱ１、Ｑ２、はそれぞれ包有物を含むスペクトルの入射面と出射面を示し、また、Ｒ１、Ｒ２、はそれぞれ包有物と前記既知物質との境界面を示す。）
【００１７】
また、本発明の請求項１３は、前記試料は水素を含む固体試料であることを特徴とする請求項１乃至１２記載のＥＲＣＳスペクトルによる水素測定方法である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、得られたＥＲＣＳスペクトルから、試料中に見出される水素の質量面密度、水素質量密度や、試料中に見出される包有物の大きさｘ（μｍ）および密度ρ（ｇ／ｃｍ3）を得る方法、さらには、ＥＲＣＳスペクトル歪みを補正する方法を提供することができる。さらには、表面の汚れや、母材質に影響されず、また、密度が未知である場合でも水素の質量比が決定でき、さらには、未知の物質の質量面密度が測定可能となる。また、本発明の方法により水素濃度の標準の作成に寄与できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、ＥＲＣＳ法の測定装置および測定原理を示す。
図１はＥＲＣＳ法の測定装置の概略図である。イオン源（１）で生成された水素の負イオンビームは、タンデム加速器(２)で２０ＭｅＶまで加速され、さらにビーム分析電磁石（３）を通過する間にエネルギーの中央値とその幅が２０±０．０３ＭｅＶの陽子ビームとなってマイクロビームライン（図中Ｓ１から右側全体）に入射する。この陽子ビームはラインの入り口でスリットＳ１により横方向のサイズが２００×２００μｍ2に制限され、さらに二つのスリットＳ２及びＳ３によって横方向の発散が抑えられ、四重極電磁石（４）を通過した後、試料上で照射領域２５×２０μｍ2を持つマイクロビームが生成される。図示しない試料は試料ホルダー（５）上に取付けられ、真空槽（１２）内に挿入される。
【００２０】
試料ホルダーは図１において、上下、紙面に垂直な方向（左右）、並びにビームの進行方向に対して前後にそれぞれ独立に動かすことのできる駆動機構（６）上に設置され、鉱物におけるビーム照射位置の調整は試料の上下及び左右の移動によって行なわれる。
【００２１】
真空槽（１２）内に設置された、試料に対して左右に配置された陽子検出用の検出器（１１）は光に敏感な素子であり、強い光が入射すると素子や回路が破損する恐れがある。一方で、照射位置のサンプルやビームスポットの形状は、ＣＣＤカメラと組み合わせた顕微鏡により観察する必要があり、照明装置が必要である。このため、前記検出器（１１）の前面に厚さ数μｍのアルミニウム製の遮光フォイルを設置してある。また、検出器のホルダー全体は光の漏洩がないような構造になっている。
【００２２】
さらに、上記測定装置は照射試料に対して検出器を左右に配置しつつ、マイクロビームで試料を照射し、さらに、その様子を観察できる顕微鏡システムが配備されている。そこで本装置は、この３つの照準、すなわち、左右の検出器の幾何学的な配置、マイクロビームの焦点および顕微鏡の焦点の三者が空間的に一致した構造を持つ。さらに、サンプル駆動は、照射試料をこの照射位置に正確に配置する機能を有する。
【００２３】
試料観察は、中心に直径１ｍｍの孔を開けた有孔反射鏡（７）を介して、顕微鏡（８）、ＣＣＤカメラ(９)、並びに図示しない、ディスプレイモニター上で観察する。真空ポンプ（１３）により高真空状態に維持される真空槽（１２）の中には、顕微鏡観察のための照明装置（１０）も設置されている。尚、この真空槽（１２）は本発明に記した陽子ビームによる水素分析の他にＮＲＡ，ＲＢＳ或いはＰＩＸＥによる水素以外の元素分析にも対応できるように設計されている。
【００２４】
以下、図２は、ＥＲＣＳ法の測定原理を示す。
図２に示すように、２０ＭｅＶ陽子（図中黒丸）が、真空中に置かれた分析試料（Sample）に垂直に入射し、前記試料内に止まっている陽子（図中白丸）によって弾性散乱されたとする。この弾性散乱はビリヤードにおいて、止まっている白球に赤球を衝突させたときと同じように起こり、散乱後、入射陽子と反跳を受けた試料中の陽子は互いに９０°の角度を成して飛行する。特に、散乱角が４５°のとき、反跳陽子の角度も４５°であり、散乱陽子（図中Scattered Proton）と、反跳陽子（図中Recoil Proton）と、のエネルギーは共に等しく、入射エネルギーの１／２である。ちなみに入射陽子エネルギーが２０ＭｅＶのとき、散乱陽子も反跳陽子もエネルギーは１０ＭｅＶである。この程度のエネルギーを持つ陽子は、試料内でのエネルギー損失が小さいので、厚さ２００μｍ程度のケイ酸塩試料ならば散乱が試料内のどの深さで起こっても、散乱及び反跳陽子は容易に試料の外へ飛び出して左右の陽子検出器（図中Left Detector及びRight Detector）に達する。
【００２５】
一個の散乱陽子には、必ず一個の反跳陽子が伴うが、この同時性の利用は分析感度と精度を著しく向上させる。試料に入射した陽子は水素に限らず試料中で全ての元素の原子核と散乱又は原子核反応を起こし、様々なエネルギーを持つ多数の粒子を発生させるので、水素同士の散乱による情報がその中に埋まってしまう場合が多い。しかし、図２に示すように入射方向に対して対称に独立な２つの検出器を配置し、粒子が検出器に入射した時刻の同時性を確認しながらそのエネルギーを測定すると（これを同時計数法と呼ぶ）散乱及び反跳陽子のみ検出する強い選択性が生ずる。即ち陽子が水素以外の原子核によって散乱されたとき、（１）反跳原子核（図中Ｙ）の放出角度は４５°ではなく、（２）反跳原子核は陽子よりも質量と原子番号が大きいためにエネルギー損失が大きいので、重陽子やヘリウムのような極めて軽い元素を除き、試料内で停止して検出器に達することができない。そのため水素以外の原子核散乱による同時計数はほとんど起こりえない。このことによってバックグラウンドが非常に少なくなり、数ｗｔ．ｐｐｍ（Ｈ2Ｏ）までの検出感度が期待できる。以下、この原理による測定法を陽子弾性散乱同時計法（ＥＲＣＳ法）と呼ぶ。
【００２６】
このＥＲＣＳ法により、例えば試料中の水素濃度分布を測定する場合、図３（ａ）に示すように、試料を、２枚のフォイル、例えば、標準試料となる２枚のポリイミドフィルムなどの有機物フィルム（図中Ｋａｐｔｏｎ）の間に挟みこみ、ここに２０ＭｅＶの陽子ビーム（図中Incident Proton）を照射する。図３（ａ）は散乱陽子に対する図であるが、図示しない反跳陽子に付いてもまったく同様である。
図３（ａ）において、１個の２０ＭｅＶ陽子が試料に対して垂直に入射し、入射表面からの深さｘに達するまでに試料内原子との相互作用でΔＥ１（ｘ）だけエネルギーを失い、一方、散乱陽子と反跳陽子も試料内部でΔＥ２（ｘ）だけのエネルギーを失って試料外に放出され検出器に到達する。ΔＥ１（ｘ）とΔＥ２（ｘ）は、試料構成原子の種類と濃度、試料密度から第一原理的に数値計算することができる。その結果は入射陽子の通過距離ｘ、並びに散乱・反跳陽子が試料内を斜め４５°に通過する距離に比例する。
このとき観測される散乱陽子と反跳エネルギーとのサムエネルギーの強度分布は、陽子検出器からのパルス信号を波高分析器へ入力し、エネルギー幅ΔＥ内の陽子数Ｎ（Ｅ）のヒストグラムとしての図３(ｂ)が得られる。以下、図３（ｂ）をＥＲＣＳサムエネルギースペクトルと呼ぶ。
【００２７】
図４は、上記ＥＲＣＳ法により得られたＥＲＣＳスペクトルの一例としての、５０μｍのアルミニウム４枚と、５．７μｍのマイラーフィルムとを、交互に５枚重ねた試料に、１７ＭｅＶの陽子ビームを照射して得られた、二次元ＥＲＣＳスペクトル（図４（ａ））と、この二次元ＥＲＣＳスペクトルを対角線方向に射影して得られたＥＲＣＳサムエネルギースペクトル（図４（ｂ））である。１７ＭｅＶの陽子と試料中の陽子は弾性散乱して４５度にはじき飛ばされるとともに、どちらも入射ビームの半分のエネルギーを持つ。散乱後の陽子はより大きな阻止能によりエネルギーを失うとともに、アルミニウムの通過枚数に対応した５本の線が得られることがわかる。これら、二次元ＥＲＣＳスペクトル（図４（ａ）と、ＥＲＣＳサムエネルギースペクトル（図４（ｂ））とを、まとめてＥＲＣＳスペクトルと呼ぶ。また、ＥＲＣＳスペクトルのＣｈａｎｎｅｌとは、陽子のエネルギーに比例した量であり、Ｃｈａｎｎｅｌと、エネルギーＥ（ＭｅＶ）と、はおよそ次の関係がある。Ｃｈａｎｎｅｌ＝３０×Ｅ（ＭｅＶ）。
【００２８】
このようにして得られるＥＲＣＳスペクトルから、本発明者は、ＥＲＣＳサムエネルギースペクトルのエネルギー軸（横軸）を質量面密度（ｍｇ／ｃｍ2）単位の厚さに変換する手法を新たに見出した。そして、この変換により得られたＥＲＣＳサムエネルギースペクトルのスペクトル強度であるカウント数（縦軸）は、含有された水素の質量比に変換できる。
【００２９】
以下に、本発明の、ＥＲＣＳ法により得られたサムスペクトルのエネルギー軸（横軸）を質量面密度（ｍｇ／ｃｍ2）単位の厚さに変換する方法を述べる。
まず、上述のＥＲＣＳ法により、試料（サンプル）に２０ＭｅＶの陽子ビームを照射し、これがターゲットのサンプル内で陽子衝突すると、４５度方向に二つの陽子が同時に散乱される。この２つの陽子のエネルギーは、サンプル中でのエネルギーロスを無視すると入射陽子のエネルギーの１／２である。左右の検出器で同時にエネルギー測定を行ないこの和（サムエネルギー）を求めると、入射陽子のエネルギーに戻る。しかし、実際には、エネルギーロス（阻止能）によりサムエネルギーは２０ＭｅＶより小さい値となる。
【００３０】
これは、図５に示すように、陽子ビーム（図中Ｂｅａｍ）が、サンプルであるターゲット（図中Ｔａｒｇｅｔ）に入射した後、ターゲット中の粒子と、深さ方向の地点Ｂ１およびＢ２とにおいて４５度の弾性散乱した場合、ターゲット中Ｂ１地点で弾性散乱された散乱粒子はＢ２地点、Ｂ３地点を通り、出射されて図示しない検出器へと到達する。
一方、前記Ｂ１地点から微小な厚さΔｔの位置Ａ１において、弾性散乱された散乱粒子は、Ａ２地点を通り、検出器へと到達することとなる。ここで、Ａ１地点とＡ２地点との経路長は、Ｂ１地点とＢ２地点との経路長とほぼ等しいが、Ｂ１地点での散乱は、Ａ１地点より厚さΔｔ手前で散乱された分、ターゲット中のＢ２からＢ３の経路分を余計に通過することとなる。
【００３１】
よって、散乱粒子の通り道の長さが異なり、さらには、阻止能はエネルギーが小さいと益々大きくなる事より、サムエネルギーの減少分は、出射面から散乱位置までの距離の関数として表すことができる。前記の厚さの単位ｔとして質量面密度（ｍｇ／ｃｍ2）を用いると、前記微小な厚さΔｔに対応するサムエネルギーの微小変化分ΔＥsumは下記式１で近似できる。
【数２３】
2007178388.tif 000018
【００３２】
また、前記式１での、Ｓ（Ｅsum／２）は出射時の陽子のエネルギーロスを示し、またＳ（ＥA）は散乱位置でのエネルギーロスを示す。このＳ（ＥA）はｔにあまり依存しないので定数ｃとおく。ここで、Ｓ（Ｅ）はエネルギーＥの陽子が受けるエネルギーロスを示し、二つのパラメータａとｂとを用いて下記式２により近似する。
【数２４】
2007178388.tif 000019
【００３３】
すると、前記式１の微分方程式が数値的に解けて、次式３を得る。
【数２５】
2007178388.tif 000020
【００３４】
この式３によってサムエネルギースペクトルの横軸はエネルギーの単位から、質量面密度（ｍｇ／ｃｍ2）単位の厚さへと変換されることとなる。
【００３５】
以下に、前記式１および前記式２を用いて、下記式Ａ乃至式Ｆより、前記式３を導出する。
【数２６】
2007178388.tif 000021
【００３６】
また、試料に照射する陽子ビームのエネルギー値Ｅが１〜１００ＭｅＶの範囲においては、前記パラメータａ、ｂおよび定数ｃは、下記表９に示す範囲の値を用いることが望ましい。
【表９】
2007178388.tif 000022
【００３７】
このようにして得られたＥＲＣＳスペクトルには、入射面と出射面にそれぞれ配置した、試料を固定しかつ標準試料となるフォイルである、２枚のマイラーからの、２つのピークが観測される。この２枚のマイラーからの散乱強度は、本来等しいはずであるが、０．２ｍｍのサンプルを通過中に散乱されるため、入射面側のピーク面積は減少してしまう。このため、この散乱の影響を以下の式４により補正することが可能である。
【数２７】
2007178388.tif 000023
（ここで、Ｈ0はスペクトル強度を示し、δtは出射面を基準とした散乱位置の深度を示す。また、μは、下記式４'を満たし、下記式４'のＡ１およびＡ２は、それぞれ入射面および出射面のフォイルピーク面積、Ｐ1およびＰ2は、それぞれ入射面及び出射面のフォイルピークの位置を示す。）
【数２８】
2007178388.tif 000024
【００３８】
この変換により、ピーク面積Ａ1は増加してＡ2に等しくなる。よって、このＡ2を測定の標準としてサンプル中の水素濃度ｒを次式５で算出することが可能である。
【数２９】
2007178388.tif 000025
ここでＨはスペクトルの高さ、ｇは横軸のキャリブレーションで、（ｍｇ／ｃｍ2／チャンネル）の単位である。ρは前記試料を固定するためのフォイルの水素濃度（ｍｇ／ｃｍ2）を示す。
【００３９】
以上の前記式１乃至式５を用いたＥＲＣＳスペクトルの変換方法により、ＥＲＣＳスペクトルを、試料の深さ方向の水素濃度分布に変換した例を図６に示す。
図６（ａ）は、試料として溶融岩石中の石英結晶を用いてＥＲＣＳ法により得られた、従来のＥＲＣＳサムエネルギースペクトルである。縦軸は、散乱・反跳陽子のカウント数を示し、横軸は、散乱・反跳陽子のサムエネルギー値を示す。
そして、このＥＲＣＳスペクトルから、本発明の変換方法を用いて、横軸のエネルギー（ＭｅＶ）を面密度（ｍｇ／ｃｍ2）に変換したＥＲＣＳスペクトルを図６（ｂ）に示し、さらに、縦軸のカウント数（ｃｏｕｎｔｓ）を、水分の含有量（Ｈ2Ｏ  ｗｅｉｇｈｔ  ｄｅｎｓｉｔｙ％）に変換したＥＲＣＳスペクトルを、図６（ｃ）に示す。
ここで、図６（ｃ）中のスペクトルの高さは、試料の深さ方向に対する水分の含有量を示し、図中の水平ライン（５％ｗｔ．Ｈ2Ｏ）は、試料の深さ方向に対する水分の含有量が５質量パーセントであることを示している。また、スペクトルの左右に現れたピークは、試料の挟持に用いたマイラーフィルムからのスペクトルである。
【００４０】
また、従来の陽子弾性散乱同時計数法（ＥＲＣＳ法）では、散乱陽子のエネルギースペクトルを得る際、左右の検出器で得た個別のエネルギーを単純に加算して作成していた。
左右の検出器は４５度を中心に±５度程度の広さを占めているが、同一の深さで散乱された陽子であってもこの角度の広がりのために散乱した陽子のエネルギーが変化してしまう不都合があった。しかもこの影響は散乱位置の深さに依存し、その解析はまったく行なわれていなかった。例えば、図７に示す、５枚のマイラーと無水ガラスの積層サンプルを想定したＥＲＣＳスペクトルのシミュレーション結果は、出射面に位置するマイラーからの散乱線は傾き４５度の直線状（Ａ）であるのに対し、入射面のマイラーは弓なりに湾曲している（Ｂ）。
【００４１】
このような、ＥＲＣＳスペクトルの歪みを補正する新たな解析方法を以下に示す。
左右の検出器で検出された陽子のエネルギーをＥ１、Ｅ２とし、ＸとＹを下記式６のように定義すると、前記湾曲線は放物線で記述される。
【数３０】
2007178388.tif 000026
ここで、Ｘ＝Ｅ１−Ｅ２、Ｙ＝Ｅｓ−（Ｅ１＋Ｅ２）であり、また、Ｅｓは左右の散乱角度がともに４５度の二つの陽子のエネルギーの合計値である。散乱角度が４５度では、Ｅ１＋Ｅ２はＥｓに等しいが、４５度からずれるに従ってＥｓから徐々に減少してしまう。Ｘがゼロではない場合Ｅ１＋Ｅ２はＥｓと異なるが、従来の手法では、これをＥｓに代用していた。
【００４２】
本発明者らのシミュレーション解析により、下記式７に示すように、二次関数の係数ａはエネルギーＥｓの単純な関数となることが判明した。
【数３１】
2007178388.tif 000027
ここで、ｋ０とｋ１は解析の結果得られた定数である。このｋ０とｋ１は入射エネルギーの関数であり、下記表１０に示す。
【表１０】
2007178388.tif 000028
【００４３】
前記表１０の係数は、ＳｉＯ2、アルミニウムおよび鉄などを試料とした場合を想定して算出した係数である。
そして、前記式６および前記式７から導出される、下記式８により、二次元ＥＲＣＳスペクトルの歪みを補正することが可能である。
【数３２】
2007178388.tif 000029
（Ｅｓはサムエネルギー値を示し、Ｅ１は、左の検出器で検出された陽子のエネルギーを示し、Ｅ２は、右の検出器で検出された陽子のエネルギーを示す。また、ｋ０、ｋ１は、前記表１０を満たす。）
【００４４】
さらに、前記式８を利用して、二次元スペクトル上で変形を行なうために、係数α1、α2を導入し、下記式９および式１０を用いる。
【数３３】
2007178388.tif 000030
（ただし、α1、α2は、０．４５〜０．５５の範囲であることが望ましい。）
【００４５】
前記表１０および式８乃至式１０を用いて、得られた二次元ＥＲＣＳスペクトルを図８に示す。前記図７で歪んでいた部分（Ａ）が直線状に補正されていることがわかる。
さらに、この方法により、二次元ＥＲＣＣＳスペクトルをＥＲＣＳサムエネルギースペクトルに変換した場合、補正前のＥＲＣＳスペクトルである図９の左側のピークのテールが、補正後の図１０において消失していることがわかる。
【００４６】
また、上述のＥＲＣＳサムエネルギースペクトルの横軸をエネルギー（ＭｅＶ）の単位から質量面密度（ｍｇ／ｃｍ2）に変換することを利用して、物質中に見出される包有物の大きさｘ（μｍ）および密度ρ（ｇ／ｃｍ3）を、下記式１１、式１２より算出することも可能である。
【数３４】
2007178388.tif 000031
ただし、ホスト物質は例えば石英の様な既知物質であり、その密度ρQ（ｇ／ｃｍ3）と厚さｘQ（μｍ）を基準として上式に代入する。また、Ｐ１とＰ２は石英のみのスペクトルの入射面と出射面の位置を示し、またＱ１、Ｑ２、Ｒ１、Ｒ２は、例えば図１１に示すように、それぞれ包有物を含むスペクトルの入射面と出射面、および包有物と石英との境界面を示す。
【００４７】
以上のように、本発明によれば、得られたＥＲＣＳスペクトルから、試料中に見出される水素の質量面密度、水素質量密度や、試料中に見出される包有物の大きさｘ（μｍ）および密度ρ（ｇ／ｃｍ3）を得る方法、さらには、ＥＲＣＳスペクトル歪みを補正する方法を提供することができる。さらには、表面の汚れや、母材質に影響されず、また、密度が未知である場合でも水素の質量比が決定でき、さらには、未知の物質の質量面密度が測定可能となる。また、本発明の方法により水素濃度の標準の作成に寄与できる。
また、本発明のＥＲＣＳスペクトルの一例として、溶融岩石からの水素含有量を測定した場合のＥＲＣＳスペクトル示したが、本発明は、これらに限定されるものでなく、構造を持つ水素化チタン素子や有機物素子などを試料とした場合のＥＲＣＳスペクトルからの水素濃度の算出や、質量面密度、厚さ、密度などの算出にも適用することができる。さらには、岩石の分析のみならず、地球科学の分析、金属中の水素濃度の分析にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】ＥＲＣＳ法の一例としての実験装置図である。
【図２】ＥＲＣＳ法の測定原理を示す説明図である。
【図３】ＥＲＣＳ法により試料中の水素濃度分布を測定する場合を示す説明図である。
【図４】ＥＲＣＳスペクトルの一例としての、（ａ）二次元ＥＲＣＳスペクトルと、（ｂ）ＥＲＣＳスペクトルである。
【図５】ＥＲＣＳ法の測定原理を示す説明図である。
【図６】本発明の変換方法を用いて、（ａ）従来のＥＲＣＳスペクトルの、（ｂ）横軸のエネルギー単位を面密度単位に変換し、（ｃ）縦軸のカウント数を、水分の含有量に変換した例を示す図である。
【図７】５枚のマイラーと無水ガラスの積層サンプルを想定したＥＲＣＳスペクトルのシミュレーション結果を示す、二次元ＥＲＣＳスペクトルである。
【図８】本発明により補正した二次元ＥＲＣＳスペクトルである。
【図９】補正前のＥＲＣＳサムエネルギースペクトルである。
【図１０】本発明により補正したＥＲＣＳサムエネルギースペクトルである。
【図１１】本発明のＥＲＣＳスペクトルの単位変換を利用した、包有物の大きさと密度の算出法を示す説明図である。
【符号の説明】
【００４９】
１  イオン源
２  タンデム加速器
３  ビーム分析電磁石
４  四重極電磁石
５  試料ホルダー
６  駆動機構
７  有孔反射鏡
８  顕微鏡
９  ＣＣＤカメラ
１０  照明装置
１１  検出器
１２  真空槽
【図１】
2007178388.tif 000048
【図２】
2007178388.tif 000049
【図３】
2007178388.tif 000050
【図４】
2007178388.tif 000051
【図５】
2007178388.tif 000052
【図６】
2007178388.tif 000053
【図７】
2007178388.tif 000054
【図８】
2007178388.tif 000055
【図９】
2007178388.tif 000056
【図１０】
2007178388.tif 000057
【図１１】
2007178388.tif 000058