Pulsing System to Modulate Intense Positron Beams
Ryoichi SUZUKI, Yoshinori KOBAYASH?4， Tomohisa MIKADO, Hideaki OHGAKI ，
Mitsukuni CHIWAKI, Tetsuo YAMAZAKI and Takio TOMIMASU
Electrotechnical Laboratory, 1-1-4 Umezono, Tsukuba, Ibaraki 305^National Chemical Laboratory for Industry,1-1 Higashi ，Tsukuba, Ibaraki 305

A bstract
A pulsing system to modulate intense slow positron beams has been devel­
oped in the Electrotechnical Laboratory.

The pulsing system generates a pulsed

beam of variable energy (0.4 keV-25 keV) and of variable pulse period from theintense positron beam generated by the ETL linac. The pulsing system consists ofthree main devices; a reflection type chopper, a sub-harmonic pre-buncher (SHPB)
and a double harmonic buncher. The pulsed positron beam enables us to measure
variable-energy positron lifetime spectra.

高強度低速陽電子極短パルス化装置

1 • はじめに
lOOps程 度 の 極 短 パ ル ス 陽 電 子ビ ーム によ るエ ネルギ 一可 変陽 電子 寿命測 定は ，薄膜や物質の表面近傍の物性を非破壊で詳しく調べることができる新しい測定法として期待されている。 今回， エネルギー
可変陽電子寿命測定を行うための短パルス化装置を開発し， 世界最高強度のエネルギー可変極短パルス
陽電子ビームが得られたので報告する。 この装置は，電総研リニアックの電子ビームにより発生させた
高 強 度 低 速 陽 電 子 ビ ー ム 1) を短パルス化するものである。 この短パルス化陽電子ビームにより， 従来のエ ネ ル ギ ー 可 変陽電子寿命測定と比較して， 計数率， 測定可能時間幅， ピーク/バックグランド比がそれぞれ数倍以上優れた陽電子寿命測定が可能になった。

2 •陽電子極短パルス化装置
陽電子極短パルス化装置は， 図 1 のように， チョッパー， サブハ一モニックプリバンチャ一 （SHPB ) ，
バ ン チ ャ 一か ら な る。
チョッパーはリニアックにより発生 さ せた高強度低速陽電子の準 D C ビームをチョップし 5ns 程度の短パルスにするもので， 3 枚のグ リ ッ ド から な り ，第 1 • 第 3 のグリッドは静電位をかけ， 第 2 のグリッドに 図 2 のような高速のパルスをかけることによって準 D C 的な陽電子ビームをチョップする。 このチョッパーは，磁場と同じ方向の電界によるチョッビングを行っているため，偏向型チョッパー2)のようなチョッピング周波数に制限がなく， 任意 の時間 幅 の 測 定 が 可 能 で あ る 。
S H P B はチョッパーを通過した陽電子パルスがバンチャ一のバンチング可能な位相幅に全て入るようにパルス幅を圧縮するもので， ステンレ ス製 の 2 重の筒から構 成さ れ， 外側の 筒に は静 電位， 内側の筒に は バ ン チ ャ ー の 周 波 数 の 1 / 4 の正弦波を入力することにより内側と外側の筒の間のギャップで陽電子をモジュレ一卜する。 内側の筒の長さは，約 2 5 0 e V の陽電子ビ一ムが効率的にモジュレ一トされるように 約 1 2 c m としている。
バンチャーでは その パ ル ス が時間的に試料でフォーカスするようにビームをモジュレートする。 この，バン チ ャ ー は ， 1 つ の キ ャ ビ テ ィ 一 （
基 本 共 振 周 波 数 1 5 0 M H z ) で , 基 本 波 に 3 次高調波を加えることのできる構造として， バンチ効率を高めている。前回のリニアック研究会で報告したように3) , 電 子 ビ ー
ム が こ の バ ン チ ャ ー に よ っ て lOOps 程 度に バン チさ れる ことを 確認 して いる 。
バンチャーと試料の間には加速電極があり，試料に入射する陽電子のエネルギ一を 0 .5 k e V か ら 2 5 k e V ま
で変えることができ， こ れによ つ て試料の表面近傍の任意の深さの陽電子寿命を測定することができる。
D R IF T

FWTM

図 1

FWTM

A CCE LE R AT IN G

FWHM

. 陽電子極短パルス化装置.

図 2. 陽 電子 チョ ッパ 一パ ルス波 形 .

3 •陽電子短パルス化実験
図 3 はこの短パルス化装置によって陽電子をパルス化して測定した試料における消滅7 線の時間スぺクトル
である。 黒丸はバンチャーのみ動作させた時のスペクトルであり， 白丸はパルス化装置すべてを動作させた
時のスペクトルである。 バンチャーのみ動作させた場合でも， パルス化は行われるが， バンチされない位相の陽電子はパルスとパルスの間にバックグランドとして検出されるため， ピークとバックグランドの比は 10程 度 であ り， また， このバックグランドの信号は寿命と似た時間依存性がありこのままでは寿命スペクトルを測定することができない。 また， パルス化周波数は， バンチャーのパルスで決まるため，広い時間幅のスベクトルを測定することができない。 これに対して， 白丸の短パルス化装置すべてを動作させた場合は， バ
ンチされない fifcf目の部分や不要なパルスはチョッパ一によって力ッ卜されていることがわかる。 したがって，
チョッパ一のパルス周波数を変えることにより従来より 1 析以上広い時間幅のスぺクトルの測定が可能になった。 また， このピークとバックグランドの比は， 1 000 程度で，従 来 の R I を用いた エ ネ ル ギ ー 可変陽電子寿命測定より約 1 桁 良い。 これは，加 速 器 に よ っ て 発 生 させた陽電子の単 位 時 間 あ た りの 強度 が高く 自然放射線によるバックグランドの影響が相対的に少ないためである。 これにより，高精度の陽電子寿命測定が可能になった。 図 4 はチョッパーのみ動作させた場合， チョッパーと SHPB を動作させた場合，すべて動作させた場合の試料で消滅した陽電子の時間スぺクトルである。 この図からわかるようにチョッパ一のみ動作させた場合の半値幅は， 約 5ns(FWTM) であるのに対し， チョッパーと SHPB を動作させた場合は約 2ns(FWTM ) に圧縮され， バンチャーによってさらに短パルスになり，陽電子の寿命スぺクトルになっている。最小自乗解
析により求めたこの寿命スぺクトルの分解能は約 250psであり， この時間スぺクトルの測定装置の分解能（約200ps) を考慮すると，陽電子パルスの幅は，約 150psであると予想される。 この陽電子パルス化装置による寿命測定の計数率は， 200cps 以上であった。 リニアックの電子ビ一 ム童の増加や陽電子ビ一 ムラインのス卜
レ一ジ交^ 及びトランスポ一 卜効率を増加させることによりさらに数倍の言十数率の増^ロが可食gであると考えられる。

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図 3 , 消 滅 ア線 の 時 間 ス ぺ ク ト ル ，•バ ン チ ャ ー の み ， o 全 て 動 作 .

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を I50ps 程度に短パルス化する装置を開発し，陽 電 子 の 涯
パルス化に成® した。これは，カ纖により発生させた陽電子

101の爾パルス化としては世界初である。この陽電子^パルス
イ匕ビ ー ム に より，謎斗中の任意の深さにおける陽電子の寿命

10°0スぺク卜ルを短時間にM l * で測定することが可食I にな つ た。

10

15

20

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図 4 . 消 滅 r 線の時間スペグトル.
参考 文献

1) T. Ahdiaiie ，T. Chiba，N. Shiotani，S. Tauigawa, T. Mikado^ R. Suzuki^ M. Chiwdki,
T. Ydmazdki, and T. Tomimasu: Appl. Phys. A 5 1 ( l 990) 146.
2 )

D .

S c h o d l b s L u e i ,P.

S p e r i ,G. K o g e l ,

a n d

W .

T r i f t s M u s e i ， N u c l .

Insti.

a n d

M e t h .

B

34 ( 1 9 8 8 )258.
3) R. Suzuki，T, Mikado, H. Ohgaki，M. CAiwaii, S. Sugiydmd^ K. Yam add, T. YdmdZdki, T.
Tomimdsu and Y•Kobayashi, Pioc. I5th Linear Acceleiatoi Meeting in Japan, (1990) p.263.