(57)【要約】【課題】加速器施設を用いることなく材料内部の非破壊成分分析を行うことを可能とする、非破壊成分分析装置を提供する。【解決手段】宇宙線ミュー粒子Ｍが入射して停止したことを検出するための入射検出手段１と停止検出手段２と、特性Ｘ線Ｘのエネルギーを測定するＸ線エネルギー測定手段３とを備えた。入射検出手段１と停止検出手段２により宇宙線ミュー粒子Ｍが試料Ｓの内部に入射して停止したことを検出し、Ｘ線エネルギー測定手段３により試料Ｓの内部から出てくる特性Ｘ線Ｘのエネルギーを測定することにより、加速器施設を用いることなく、宇宙線ミュー粒子を用いて材料内部の非破壊成分分析を行うことができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
宇宙線ミュー粒子が入射して停止したことを検出するための検出手段と、特性Ｘ線のエネルギーを測定するＸ線エネルギー測定手段とを備えたことを特徴とする非破壊成分分析装置。
【請求項２】
前記検出手段は、宇宙線ミュー粒子が入射したことを検出する入射検出手段と、宇宙線ミュー粒子が停止したことを検出する停止検出手段とからなることを特徴とする請求項１記載の非破壊成分分析装置。
【請求項３】
前記検出手段は、入射した宇宙線ミュー粒子のエネルギーを測定するミュー粒子エネルギー測定手段からなることを特徴とする請求項１記載の非破壊成分分析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非破壊成分分析装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
放射線は非破壊測定を行うための有用な道具としてこれまで多く用いられてきた。放射線を用いた非破壊成分分析の方法として、電子ビームやイオンビーム、中性子ビーム、Ｘ線ビームを試料に照射して出てくる特性Ｘ線やγ線を測定する方法がある。また、近年ではミュー粒子ビームを試料に照射し、ミュー粒子を捕獲した原子から出てくる特性Ｘ線を使って成分分析をするということも行われるようになっている。また、ミュー粒子を材料内部で停止させ、材料内部でミュー粒子崩壊によって生じた陽電子の寿命を検出することにより材料内部の欠陥を検査することが開示されている（特許文献１）。しかし、その多くが加速器施設という巨大な装置を必要とするという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１７７７９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
そこで、本発明は、加速器施設を用いることなく材料内部の非破壊成分分析を行うことを可能とする、非破壊成分分析装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の請求項１記載の非破壊成分分析装置は、宇宙線ミュー粒子が入射して停止したことを検出するための検出手段と、特性Ｘ線のエネルギーを測定するＸ線エネルギー測定手段とを備えたことを特徴とする。
【０００６】
本発明の請求項２記載の非破壊成分分析装置は、請求項１において、前記検出手段は、宇宙線ミュー粒子が入射したことを検出する入射検出手段と、宇宙線ミュー粒子が停止したことを検出する停止検出手段とからなることを特徴とする。
【０００７】
本発明の請求項３記載の非破壊成分分析装置は、請求項１において、前記検出手段は、入射した宇宙線ミュー粒子のエネルギーを測定するミュー粒子エネルギー測定手段からなることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の請求項１記載の非破壊成分分析装置によれば、検出手段により宇宙線ミュー粒子が試料の内部に入射して停止したことを検出し、Ｘ線エネルギー測定手段により試料の内部から出てくる特性Ｘ線のエネルギーを測定することにより、加速器施設を用いることなく、宇宙線ミュー粒子を用いて材料内部の非破壊成分分析を行うことができる。
【０００９】
本発明の請求項２記載の非破壊成分分析装置によれば、入射検出手段により宇宙線ミュー粒子が試料の内部に入射したことを検出し、停止検出手段により宇宙線ミュー粒子が試料の内部に停止したことを検出し、Ｘ線エネルギー測定手段により試料の内部から出てくる特性Ｘ線のエネルギーを測定することにより、加速器施設を用いることなく、宇宙線ミュー粒子を用いて材料内部の非破壊成分分析を行うことができる。
【００１０】
本発明の請求項３記載の非破壊成分分析装置によれば、ミュー粒子エネルギー測定手段により試料の内部に入射した宇宙線ミュー粒子のエネルギーを測定して試料の内部に停止する宇宙線ミュー粒子を選別し、Ｘ線エネルギー測定手段により試料の内部から出てくる特性Ｘ線のエネルギーを測定することにより、加速器施設を用いることなく、宇宙線ミュー粒子を用いて材料内部の非破壊成分分析を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施例１の非破壊成分分析装置の概要図である。
【図２】実施例１の非破壊成分分析装置の正面図である。
【図３】実施例１の非破壊成分分析装置の側面図である。
【図４】実施例１の非破壊成分分析装置の写真である。
【図５】実施例１の非破壊成分分析装置の試料とゲルマニウム検出器の配置を示す上面図である。
【図６】実施例１の非破壊成分分析装置の回路構成を示すブロック図である。
【図７】実施例１の非破壊成分分析装置を用いて測定したミュー粒子原子特性Ｘ線のエネルギースペクトルである。
【図８】実施例２の非破壊成分分析装置の概要図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
地上に到達する宇宙線の中で最も多いのがミュー粒子であり、地上に１０ｃｍ四方に１Ｈｚくらいの頻度で降り注いでいる。宇宙線ミュー粒子は、０ｅＶ付近からＴｅＶ領域まで非常に広範囲にわたるエネルギー分布を有しているため、物質に当たって停止する宇宙線ミュー粒子は、物質の表面から数十メートルの深さまで、広く連続的に分布する。
【００１３】
宇宙線ミュー粒子には正と負があり、６：４の割合でそれぞれ地上に到達する。負のミュー粒子は物質中で止まるとすぐに原子に捕獲され、直ちに特性Ｘ線を出しながら原子の１ｓ状態まで落ちていく。真空中で静止したミュー粒子の寿命が２．２×１０−６秒であるのに対し、ミュー粒子が物質中の原子に束縛されてから特性Ｘ線を放出していく過程の寿命は１０−１３秒であるため、原子に束縛されたミュー粒子はほぼ確実にＸ線を出す。また、通常の原子が出す特性Ｘ線のエネルギーはせいぜい数１０ｋｅＶ程度であるため、数ｃｍのアルミニウムの板でその大部分が止まってしまうが、ミュー粒子を束縛した原子が出す特性Ｘ線は多くの物質で数１００ｋｅＶ以上になるため、物質の奥深くからでも出てくる。そして、その特性Ｘ線のエネルギーは、ミュー粒子を止めた物質の原子番号が大きくなるほど高くなり、そのエネルギーを測定することによって物質を構成している元素を特定することができる。
【００１４】
本発明は、宇宙線ミュー粒子と特性Ｘ線の透過性が高いという特徴を利用し、加速器設備を用いずに物質の奥深くの成分分析を行うことを可能とするものである。
【００１５】
以下、具体的な実施例に基づいて、本発明について詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施例によって制限されるものではない。
【実施例１】
【００１６】
本実施例の非破壊成分分析装置の概要を示す図１において、１は宇宙線ミュー粒子Ｍが入射したことを検出する入射検出手段、２は宇宙線ミュー粒子Ｍが停止したことを検出する停止検出手段であり、入射検出手段１と停止検出手段２とで、宇宙線ミュー粒子Ｍが入射して停止したことを検出するための検出手段が構成されている。入射検出手段１と停止検出手段２との間に配置される試料Ｓの側方には、特性Ｘ線Ｘのエネルギーを測定するＸ線エネルギー測定手段３が配置されている。
【００１７】
そして、入射検出手段１により宇宙線ミュー粒子Ｍが検出され、かつ、停止検出手段２により宇宙線ミュー粒子Ｍが検出されなければ、宇宙線ミュー粒子Ｍが試料Ｓで停止したものとみなされ、そのときの特性Ｘ線ＸのエネルギーがＸ線エネルギー測定手段３により測定されるように構成されている。
【００１８】
以上のように、本実施例の非破壊成分分析装置は、宇宙線ミュー粒子Ｍが入射して停止したことを検出するための検出手段としての入射検出手段１と停止検出手段２と、特性Ｘ線Ｘのエネルギーを測定するＸ線エネルギー測定手段３とを備えたものであり、入射検出手段１と停止検出手段２により宇宙線ミュー粒子Ｍが試料Ｓの内部に入射して停止したことを検出し、Ｘ線エネルギー測定手段３により試料Ｓの内部から出てくる特性Ｘ線Ｘのエネルギーを測定することにより、加速器施設を用いることなく、宇宙線ミュー粒子を用いて材料内部の非破壊成分分析を行うことができる。
【００１９】
また、前記検出手段は、宇宙線ミュー粒子Ｍが入射したことを検出する入射検出手段１と、宇宙線ミュー粒子Ｍが停止したことを検出する停止検出手段２とからなるものであり、入射検出手段１により宇宙線ミュー粒子Ｍが試料Ｓの内部に入射したことを検出し、停止検出手段２により宇宙線ミュー粒子Ｍが試料Ｓの内部に停止したことを検出し、Ｘ線エネルギー測定手段３により試料Ｓの内部から出てくる特性Ｘ線Ｘのエネルギーを測定することにより、加速器施設を用いることなく、宇宙線ミュー粒子を用いて材料内部の非破壊成分分析を行うことができる。
【００２０】
つぎに、実際に作製した非破壊成分分析装置と、その装置を用いた測定実験の結果について説明する。
【００２１】
実験で用いた検出器と試料の具体的な大きさと配置を図２、図３に示し、装置全体の写真を図４に示す。宇宙線ミュー粒子が試料で停止したことを判断する検出手段として３段に重ねたプラスチックシンチレーターを用いた。それらのシンチレーターを図２、図３にＳ１、Ｓ２ａ、Ｓ２ｂ、Ｓ３として示した。なお、２段目のシンチレーターは図４の写真にも示されているように、２つのシンチレーター（Ｓ２ａ、Ｓ２ｂ）に分かれている。
【００２２】
３段のシンチレーターのうち、試料の上部に２段に連ねて設置したシンチレーター（Ｓ１、Ｓ２ａ、Ｓ２ｂ）は、宇宙線ミュー粒子が試料に入射したことを検知するための入射検出手段であり、試料の下部に配置したシンチレーター（Ｓ３）は、宇宙線ミュー粒子が試料に停止したことを検知するための停止検出手段である。そして、１段目のシンチレーター（Ｓ１）と２段目のシンチレーター（Ｓ２ａ、Ｓ２ｂ）の両段のシンチレーターが同時に粒子を検出したときに宇宙線ミュー粒子が試料に入射したものと判断し、それと同時に試料下部の３段目のシンチレーター（Ｓ３）が何も検知しなかったときに宇宙線ミュー粒子が試料で停止したものと判断する。なお、シンチレーターに取り付けられている高電子増倍管は全てシンチレーターの片側のみで、暗電流やガンマ線によるノイズなど圧倒的に数の多い小さな信号は、波高弁別器（Discriminator）で排除した。また、試料からの特性Ｘ線のエネルギーを測定するＸ線エネルギー測定手段としては、ゲルマニウム検出器（Ｇｅ）を用いた。
【００２３】
実験用の試料として、アルミニウムの板と鉄の板をそれぞれ重ねて作った２種類のブロックを用意した。試料の大きさは比較のために、アルミニウムと鉄とで同じにした。試料は大きくなればなるほど、多くの宇宙線ミュー粒子を止められるが、試料の奥から出てくるＸ線は逆に減衰する。そのため、測定可能な試料の厚さには制限がある。アルミニウムと鉄のＸ線の透過率の半値厚（Ｘ線の数が半分になる厚さ）を表１にまとめた（Particle Data Group, J. Phys. G. 37, 075021 (2010); http//physics.nist.gov/PhysRefData.）。なお、Ｘ線のエネルギーは、後述するミュー粒子原子から放出される１ｓ−２ｐ特性Ｘ線のエネルギーに近い値を仮定した。これらの半値厚を考慮し、ゲルマニウム検出器（Ｇｅ）側から見た試料の厚さを８ｃｍとした。
【００２４】
【表１】
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【００２５】
上から見た試料の形と設置したゲルマニウム検出器（Ｇｅ）の位置を図５に示す。効率よく特性Ｘ線を測定するために、試料の形をＴ字型にし、試料からのＸ線がなるべく多く入るような位置にゲルマニウム検出器（Ｇｅ）を設置した（図２、図３、図４を参照)。特性Ｘ線の測定に用いたゲルマニウム検出器（Ｇｅ）の検出効率は１．３３ＭｅＶ（６０Ｃｏ）γ線のＮａＩ（Ｔｌ）検出器相対効率値で７３％であった。また、全データを足し合わせた時のエネルギー分解能は５１１ｋｅＶのピークに対して４．１ｋｅＶ（ＦＷＨＭ）（０．８％）であった。ゲルマニウム検出器（Ｇｅ）のエネルギーの較正には自然放射能の４０Ｋ、２１４Ｂｉ、２０８Ｔｌと標準線源の６０Ｃｏ、１３３Ｂａ、１３７Ｃｓのγ線を利用した。
【００２６】
シンチレーター（Ｓ１、Ｓ２ａ、Ｓ２ｂ、Ｓ３）とゲルマニウム検出器（Ｇｅ）に接続した電気回路を図６に示す。なお、３台のゲルマニウム検出器（Ｇｅ）の回路うちの１つを点線で囲って示してある。シンチレーター（Ｓ１）（図中Ｓｃ１）とシンチレーター（Ｓ２ａ）（図中Ｓｃ２ａ）のＡＮＤと、シンチレーター（Ｓ１）（図中Ｓｃ１）とシンチレーター（Ｓ２ｂ）（図中Ｓｃ２ｂ）のＡＮＤをとり、シンチレーター（Ｓ３）（図中Ｓｃ３）でＶＥＴＯがかかるようにしてある。この条件を満たすとき宇宙線ミュー粒子が試料に止まったと見なし、さらに同時にＸ線がゲルマニウム検出器（Ｇｅ）に入ってきたときだけＸ線のエネルギーを測定する。シンチレーターの信号は約１０ナノ秒という速さを持っているため、ナノ秒の精度で同期させることは何の問題も無いが、ゲルマニウム検出器の信号は約１０マイクロ秒と非常に長い。シンチレーター（Ｓ１）とシンチレーター（Ｓ２ａ）のＡＮＤの信号又は、シンチレーター（Ｓ１）とシンチレーター（Ｓ２ｂ）のＡＮＤの信号が出力されたときに、常に何十マイクロ秒間もの間ゲルマニウム検出器（Ｇｅ）の信号を取ってしまうと、その間に異なるタイミングでゲルマニウム検出器（Ｇｅ）に来た放射線の信号も取ってしまい、大きなバックグランドとなる。そのため、ゲルマニウム検出器（Ｇｅ）のタイミング信号も作って、シンチレーター（Ｓ１、Ｓ２ａ、Ｓ２ｂ）の信号と同期した場合のみゲルマニウム検出器のエネルギー信号を取ることが重要である。
【００２７】
測定事象数は宇宙線ミュー粒子がどれだけ試料に止まるかに依存するが、試料の原子番号が大きく密度が高いほど広いエネルギー領域のミュー粒子を止めることができる。したがって、鉄に比べて原子番号が小さく密度も低いアルミニウムは測定時間を長くしないと十分な統計が得られない。今回の測定ではアルミニウムの試料に対しては３２日間測定を行い、鉄に対しては１６日間行った。アルミニウムと鉄の元素がミュー粒子を捕獲したときに放出するＸ線のエネルギー（ミュー粒子原子特性Ｘ線のエネルギー）は既に知られており（D.F. Measday, Phys. Rep. 354, 243 (2001).）、その値を表２に示す。
【００２８】
【表２】
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【００２９】
試料の原子番号が大きくなるほどミュー粒子に対するクーロン力が強くなり、束縛状態の軌道の間隔が広がる。そのため、特性Ｘ線のエネルギーは、原子番号が大きくなるほど高くなり、同じ軌道の遷移でもアルミニウムより鉄の方が高い。２ｐ−１ｓの遷移は、実際には、さらに微細構造の２ｐ３／２−１ｓ１／２と２ｐ１／２−１ｓ１／２の遷移に分かれていて、強さはおよそ２：１、また、３Ｄ−２ｐの遷移は、３ｄ５／２−２ｐ３／２、３ｄ３／２−２ｐ３／２と３ｄ３／２−２ｐ１／２に分かれていて、強さはおよそ９：１：５である。表２には、アルミニウムについては分離が小さいため重心のエネルギーが示されていて、鉄に対しては２ｐ３／２−１ｓ１／２と２ｐ１／２−１ｓ１／２の遷移と３ｄ５／２−２ｐ３／２と３ｄ３／２−２ｐ１／２の遷移のエネルギーがそれぞれ上段と下段に示されている。ミュー粒子原子が放出するＸ線のうち最も強いのは２ｐ−１ｓのＸ線で、ミュー粒子が原子に捕獲されてから基底状態の１ｓ軌道に崩壊するまでの間に約７０−８０％がこの遷移を経由する。そのため、通常は２ｐ−１ｓのＸ線が最も強く良い目印になる。
【００３０】
測定に使用した３台のゲルマニウム検出器のうち、１台のゲルマニウム検出器により得られたＸ線のエネルギースペクトルを、図７に示す。アルミニウムと鉄の試料において、それぞれ期待されるエネルギーに、明らかなミュー粒子原子の特性Ｘ線のピークが見られた。それぞれのピークについて、測定日数と測定できた特性Ｘ線のエネルギーとカウント数を表３にまとめた。
【００３１】
【表３】
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【００３２】
アルミニウムの方が２倍の測定時間だったにも関わらず、ピークの大きさは鉄とほぼ等しい。これは、原子番号と密度の大きい鉄の試料の方が、アルミニウムの試料よりミュー粒子を止めやすいことを示している。鉄では２つのピークが見えていて、１２５３−１２５８ｋｅＶのピークの方がわずかに２６６−２６９ｋｅＶのピークよりも小さい。これはゲルマニウム検出器の検出効率がＸ線のエネルギーが上がるほど下がるためで、検出効率を補正すれば１２５３−１２５８ｋｅＶのピークの方が強いと言える。つまり、試料の原子番号が大きくなるほどミュー粒子は試料に止まりやすくなるが、１ｓ−２ｐのＸ線のエネルギーは高くなってゲルマニウム検出器の検出効率が下がるため、収量（検出できるカウント数）は両方のバランスで決まる。また、試料の大きさも収量に影響する。試料が大きくなればその分多くのミュー粒子を止められるが、試料の奥から出てくるＸ線は減衰する。
【００３３】
なお、５１１ｋｅＶのピークが非常に強く見えているが、これは主にミュー粒子が崩壊して出る電子の制動放射によるＸ線やその他の高エネルギーＸ線による電子対生成に起因するものや、宇宙線に含まれる陽電子、宇宙線の正ミュー粒子が崩壊して出てきた陽電子によるものと推測されている。また、連続的なバックグランドは、ゲルマニウム検出器内でのＸ線のコンプトン散乱に加え、高エネルギー電子による制動放射が含まれると考えられる。この連続的なバックグランドを減らすことができれば小さなピークを見えやすくなり、より広範囲の元素の特定や短時間の測定が可能になる。考えられる一つの方法は、試料に入射する粒子の種類を特定してミュー粒子を選び出すことである。連続的なバックグランドを作る他の要因には、試料に停止したミュー粒子とたまたまほぼ同時刻に入射した他の宇宙線や自然放射線がゲルマニウム検出器に入ることによるパイルアップの影響もあると思われる。
【００３４】
以上のとおり、本実施例の非破壊成分分析装置によれば、１０ｃｍ程度の大きさの試料の内部の大まかな元素分析を行うことが可能であることが確認された。
【実施例２】
【００３５】
本実施例の非破壊成分分析装置の概要を示す図８において、11は入射した宇宙線ミュー粒子のエネルギーを測定するミュー粒子エネルギー測定手段であり、このミュー粒子エネルギー測定手段11により、宇宙線ミュー粒子Ｍが入射して停止したことを検出するための検出手段が構成されている。ミュー粒子エネルギー測定手段11の下方に配置される試料Ｓの側方には、特性Ｘ線Ｘのエネルギーを測定するＸ線エネルギー測定手段３が配置されている。
【００３６】
そして、ミュー粒子エネルギー測定手段11により、入射した宇宙線ミュー粒子Ｍの飛行時間やエネルギー損失などから宇宙線ミュー粒子Ｍ入射エネルギーが測定され、宇宙線ミュー粒子Ｍが試料Ｓのどの深さで停止したかが特定される。すなわち、入射した宇宙線ミュー粒子Ｍのエネルギーに基づいて、試料Ｓの内部で停止する宇宙線ミュー粒子Ｍが選別される。そして、宇宙線ミュー粒子Ｍが試料Ｓの内部で止まったときの特性Ｘ線ＸのエネルギーがＸ線エネルギー測定手段３により測定されるように構成されている。このため、本実施例の構成では、実施例１の実験例で示したシンチレーター（Ｓ３）に相当するＶＥＴＯ検出器は不要になる。したがって、本実施例の構成によれば、地面など試料Ｓの上部にしか検出器が置けないような場合にも測定が可能になる。
【００３７】
以上のように、本実施例の非破壊成分分析装置は、宇宙線ミュー粒子Ｍが入射して停止したことを検出するための検出手段としてのミュー粒子エネルギー測定手段11と、特性Ｘ線Ｘのエネルギーを測定するＸ線エネルギー測定手段３とを備えたものであり、ミュー粒子エネルギー測定手段11により宇宙線ミュー粒子Ｍが試料Ｓの内部に入射して停止したことを検出し、Ｘ線エネルギー測定手段３により試料Ｓの内部から出てくる特性Ｘ線Ｘのエネルギーを測定することにより、加速器施設を用いることなく、宇宙線ミュー粒子を用いて材料内部の非破壊成分分析を行うことができる。
【００３８】
また、前記検出手段は、入射した宇宙線ミュー粒子Ｍのエネルギーを測定するミュー粒子エネルギー測定手段11からなるものであり、ミュー粒子エネルギー測定手段11により試料Ｓの内部に入射した宇宙線ミュー粒子Ｍのエネルギーを測定して試料Ｓの内部に停止する宇宙線ミュー粒子Ｍを選別し、Ｘ線エネルギー測定手段３により試料Ｓの内部から出てくる特性Ｘ線Ｘのエネルギーを測定することにより、加速器施設を用いることなく、宇宙線ミュー粒子を用いて材料内部の非破壊成分分析を行うことができる。
【符号の説明】
【００３９】
１  入射検出手段（検出手段）
２  停止検出手段（検出手段）
３  Ｘ線エネルギー測定手段
11  ミュー粒子エネルギー測定手段（検出手段）
Ｍ  宇宙線ミュー粒子
Ｘ  特性Ｘ線
Ｓ  試料
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図４】
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