PRESENT STATUS OF THE SLOW POSITRON BEAM FACILITY IN AISTNagayasu Oshima#, Brian E. O’Rourke, Atsushi Kinomura, Toshiyuki Ohdaira, Hiroshi Ogawa, Ryoichi Suzuki
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST)
1-1-1 Umezono, Tsukuba, Ibaraki 305-8568 Japan
Abstract
Intense, slow positron beams for advanced material defect characterization and surface analysis are produced at AIST
using an electron linear accelerator TELL and a planned superconducting accelerator. At present there are 3separate
positron beamlines in which measuring apparatus including positron annihilation lifetime measurement system (PALS),
positron probe microanalyzer and a simultaneous ion beam implantation - positron analysis system. These slow
positron based characterization facilities are available to external users through a consortium and the IBEC advanced
instrument innovation forum and are currently the basis of more than 10 research projects per year.

産総研陽電子ビーム利用施設の現状
ム生成後の利用効率を改善できることである[3]。こ1. はじめにれにより、低速陽電子ビームを用いた材料分析のス
産業技術総合研究所（産総研）では、電子加速器 ループットが高くなることが期待される。TELL でを用いて発生した高強度低速陽電子ビームを用いて、 は~70 MeV まで電子を加速するが、SCA では~10
先端材料の特性を左右する要因である「原子空孔」 MeV 以上まで加速の予定である。なお、SCA の加「分子間空隙」「微小欠陥」等の評価を行っている。 速空洞は Nb 製 5 セル構造で、共振周波数は 500
また低速陽電子ビームの制御技術の開発・改良を行 MHz である。
うことで、新しい材料分析法の実用化研究も実施している。ここでは産総研の低速陽電子ビーム利用施設の現状について述べる。

2.2

低速陽電子ビームラインの概要

現在、産総研には 3 つの低速陽電子ビームラインがある。図 2 には、ビームライン#1 およびビームライン#2 の計測部周辺の写真を、図 3 にはビーム
2. 低速陽電子利用施設の概要
ライン#3 の計測部周辺の写真を示す。以下に、そ陽電子は、原子空孔の高感度プローブとして知ら れぞれの低速陽電子ビームラインの特徴を記す。
れている。高速の陽電子を減速材を通すことで、低低速陽電子ビームライン#1 は、TELL を用いて高速陽電子ビーム（エネルギー幅数 eV 程度）を生成 強度の低速陽電子ビーム（毎秒 107-108 個）を発生できる。低速陽電子ビームを用いれば、陽電子を試 し利用する。1990 年初頭に、リニアックの電子料の表面近郊に限定的に入射することができるため、 ビームパスルと同期して生成されるパルス状（１μ先端材料の開発等に利用することができる。産総研 s の時間幅に 105 以上の陽電子を含むバースト状）
では、陽電子の発生に電子加速器を用いている。加 陽電子ビームを、準直流ビームに変換するためのリ速器からの高エネルギー電子ビームを重金属ター ニアストレージシステムを開発した。これにより、ゲットに照射して、発生した電磁シャワーに含まれ 陽電子消滅ガンマ線用検出器のパイルアップを防ぐる高速陽電子をタングステン薄膜（減速材）を通し こ と が 可 能 と な っ た 。 ま た 、 陽 電 子 寿 命 測 定て、低速陽電子ビームを得る[1]。
(Positron Annihilation Lifetime Spectroscopy: PALS)を高時間分解能で行うために、準直流ビームを短パル2.1 陽電子生成用加速器の概要ス化するシステムを世界に先駆けて開発した [4] 。
図 1 に低速陽電子ビーム利用施設全体の概要図 ビームエネルギーを 1-30 keV まで調整することで、を示す。陽電子発生用の加速器には、電子線形加速 表面から深さ 1 マイクロメートル程度までの陽電子器(TELL)および超伝導加速器(SCA)を用いる。TELL 寿命測定を高計数率(10 kcps)で行うことができる。
は 80 年代後半から、陽電子の発生に利用されてき 1990 年代後半から 2000 年代にかけて、陽電子消滅た。一方 SCA は、日本原子力機構の自由電子レー 誘 起 オ ー ジ ェ 電 子 分 光 装 置 （ PAES: Positron.
ザ施設[2]から譲り受けたものであり、現在、陽電子 Annihilation Induced Auger Electron Spectroscopy[5]）発生用にメンテナンス中である。SCA を陽電子発生 やポジトロニウム飛行時間測定システム等の開発をに用いる利点は、電子ビームのパルス時間構造を、 行い、試料表面の不純物や細孔の連結性等の評価・材料分析で必要な低速陽電子ビームのパルス時間構 研究を行ってきた。
造と同じにすることができるので、低速陽電子ビー___________________________________________#nagayasu-oshima@aist.go.jp- 888 -

図１：産総研・低速陽電子ビーム利用施設の全体概略図

図２：低速陽電子ビームライン#1 および#2 の測定部周辺の景観- 889 -

また、2008 年には、低速陽電子ビームの輝度増強法を開発し [6]、これにより陽電子ビームのビーム径は、10 ミリメートルから数十マイクロメートル程度にまで高効率に集束可能となり、走査型陽電子マイクロビーム計測法が実用化された[7]。この計測装
置は、陽電子プローブマイクロアナライザー(Positron Probe Microanalyzer: PPMA)と呼ばれている。
また 2012 年になって、陽電子マイクロビームを薄膜真空窓を通して大気中に引き出し“その場”計測する技術を開発した[8]。この“その場”計測装置は、
大気 PPMA(Atomospheric PPMA: A-PPMA)あるいは環境制御 PPMA と呼ばれている。また、再放出陽電子顕微鏡 (Positron Re-emission Microscopy: PRM)の開発も行っている。なお、現在ビームライン#1
では、2 本のポートが利用できる。
低速陽電子ビームライン#2 は 2010 年に構築された。陽電子発生には、TELL および SCA の両方を用いることができる。利用ポートは、PALS および
図３：低速陽電子ビームライン#3 の測定部周辺のPPMA 用の 2 本がある。
低速陽電子ビームライン#3 は 2011 年に構築され 景観た。陽電子発生には、TELL を用いている。利用
ポートは 1 本であるが、イオンビーム源とも連結されているため、試料をイオン照射中にも低速陽電子 参考文献
ビーム分析が可能である[9]。
表 1：低速陽電子ビームラインの特徴
ビームライ
ン#1

ビームライ
ン#2ビームライ
ン#3

ポート数

22

1

エネル
ギー

1-30 keV

1-30 keV

1-30 keV

計測装置

PALS

PALS

PALS

PAES

PPMA

イオン・陽電子同時照射装置

公開利用

照射欠陥分
析

PPMA

[1] B. E. O’Rourke, et al., Rev. Sci. Instrum. 82, 063302(2011).
[2] N. Kikuzawa et al., Nucl. Instrum. Meth. A331, 276 (1993).
[3] B. E. O’Rourke, et al., J. Phys.: Conf. Ser. 262, 012043(2011).
[4] R. Suzuki et al., Jpn. J. Appl. Phys. 30, L532 (1991).
[5] T. Ohdaira et al., Appl. Surf. Sci. 116, 177 (1997).
[6] N. Oshima et al., J. Appl. Phys. 103, 094916 (2008).
[7] N. Oshima et al., Appl. Phys. Lett. 94, 194104 (2009).
[8] W. Zhou et al., App. Phys. Lett. 101, 014102 (2012).
[9] A. Kinomura et al., Phys. Procedia 35, 111 (2012).
[10] http://unit.aist.go.jp/riif/adcg/News/News_jpn.html[11] http://www.open-innovation.jp/ibec/[12] http://unit.aist.go.jp/riif/ja/nanotech/index.html

A-PPMA
PRM（開発中）
主な利用目的3.

新計測技術
開発陽電子ビーム施設の利用体制

産総研では、低速陽電子ビームを用いた先端計測装置を、陽電子ビーム利用材料評価コンソーシアム[10]・先端機器共用イノベーションプラットフォーム(IBEC)[11]・ナノテクノロジープラットフォーム[12]・共同研究等を通して積極的に公開利用しており、年間１０件以上の研究課題支援が進展中である。

- 890 -