特開 2023-132270 陽電子消滅特性測定装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023132270

(43)【公開日】2023-09-22

(54)【発明の名称】陽電子消滅特性測定装置

(51)【国際特許分類】

   G01N 23/22 20180101AFI20230914BHJP

   G01T 1/20 20060101ALI20230914BHJP

【ＦＩ】

G01N23/22

G01T1/20 L

G01T1/20 D

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022037494

(22)【出願日】2022-03-10

(71)【出願人】

【識別番号】301021533

【氏名又は名称】国立研究開発法人産業技術総合研究所

(71)【出願人】

【識別番号】591017869

【氏名又は名称】東洋精鋼株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000110

【氏名又は名称】弁理士法人 快友国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】山脇 正人

(72)【発明者】

【氏名】上杉 直也

【テーマコード（参考）】

2G001

2G188

【Ｆターム（参考）】

2G001AA08

2G001BA01

2G001BA28

2G001CA02

2G001CA08

2G001DA02

2G001DA03

2G001DA06

2G001FA03

2G001GA03

2G188AA27

2G188BB04

2G188BB07

2G188CC10

2G188CC15

2G188CC21

2G188CC22

2G188DD10

2G188DD11

2G188DD30

2G188DD44

2G188DD49

2G188EE14

2G188EE25

2G188EE29

2G188FF05

(57)【要約】

【課題】陽電子の消滅特性を測定する装置において、測定の精度を確保しつつ小型軽量化するための技術を提供する。
【解決手段】 陽電子消滅特性測定装置は、被測定体の表面に近接又は密着する位置に配置される陽電子線源と、陽電子線源で生成された陽電子のうち被測定体に入射されなかった陽電子を検出する陽電子検出器と、陽電子線源に対して設定された第１の位置に配置され、陽電子線源で陽電子が生成したときに発生する第１の放射線を検出する第１放射線検出器と、陽電子線源に対して設定された第２の位置に配置され、陽電子線源で生成された陽電子が消滅するときに発生する第２の放射線を検出する第２放射線検出器と、を備えている。陽電子検出器は、アルミニウムが蒸着された薄膜及び／又はアルミニウムが蒸着されたシンチレータにより遮光されている。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

被測定体に入射されて被測定体内で消滅する陽電子の消滅特性を測定する陽電子消滅特性測定装置であって、
前記被測定体の表面に近接又は密着する位置に配置される陽電子線源と、
前記陽電子線源で生成された陽電子のうち前記被測定体に入射されなかった陽電子を検出する陽電子検出器と、
前記陽電子線源に対して設定された第１の位置に配置され、前記陽電子線源で陽電子が生成したときに発生する第１の放射線を検出する第１放射線検出器と、
前記陽電子線源に対して設定された第２の位置に配置され、前記陽電子線源で生成された陽電子が消滅するときに発生する第２の放射線を検出する第２放射線検出器と、
を備えており、
前記陽電子検出器は、アルミニウムが蒸着された薄膜及び／又はアルミニウムが蒸着されたシンチレータにより遮光されている、
陽電子消滅特性測定装置。

【請求項2】

前記アルミニウムは、一重又は多重に設けられており、
前記アルミニウムの厚みの合計が、５００ｎｍ以下である、請求項１に記載の陽電子消滅特性測定装置。

【請求項3】

前記第２の位置は、前記陽電子線源に対して前記第１の位置とは反対側に設定されており、
前記第１放射線検出器の第１の中心軸と、前記第２放射線検出器の第２の中心軸とが交差しており、
前記陽電子線源は、前記第１の中心軸と前記第２の中心軸との交差位置よりも前記第１放射線検出器及び前記第２放射線検出器に対して近接して配置されている、請求項１又は２に記載の陽電子消滅特性測定装置。

【請求項4】

被測定体に入射されて被測定体内で消滅する陽電子の消滅特性を測定する陽電子消滅特性測定装置であって、
前記被測定体の表面に近接又は密着する位置に配置される陽電子線源と、
前記陽電子線源で生成された陽電子のうち前記被測定体に入射されなかった陽電子を検出する陽電子検出器と、
前記陽電子線源に対して設定された第１の位置に配置され、前記陽電子線源で陽電子が生成したときに発生する第１の放射線を検出する第１放射線検出器と、
前記陽電子線源に対して前記第１の位置とは反対側に設定された第２の位置に配置され、前記陽電子線源で生成された陽電子が消滅するときに発生する第２の放射線を検出する第２放射線検出器と、
を備えており、
前記第１放射線検出器の第１の中心軸と、前記第２放射線検出器の第２の中心軸とが交差しており、
前記陽電子線源は、前記第１の中心軸と前記第２の中心軸との交差位置よりも前記第１放射線検出器及び前記第２放射線検出器に対して近接して配置されている、
陽電子消滅特性測定装置。

【請求項5】

前記第１放射線検出器は、前記第１の放射線の入射によりシンチレーション光を放出する第１シンチレータと、前記第１シンチレータから放出されたシンチレーション光を検知する第１光センサと、を備えており、
前記第２放射線検出器は、前記第２の放射線の入射によりシンチレーション光を放出する第２シンチレータと、前記第２シンチレータから放出されたシンチレーション光を検知する第２光センサと、を備えており、
前記第１シンチレータが前記第１の位置に位置しており、前記第２シンチレータが前記第２の位置に位置している、請求項３又は４に記載の陽電子消滅特性測定装置。

【請求項6】

前記陽電子検出器は、前記陽電子線源に対して前記被測定体とは反対側に配置されており、
前記第１の位置及び前記第２の位置は、前記陽電子検出器を介して対向している、請求項３～５のいずれか一項に記載の陽電子消滅特性測定装置。

【請求項7】

前記陽電子検出器は、薄板形状を有している、請求項１～６のいずれか一項に記載の陽電子消滅特性測定装置。

【請求項8】

前記第１放射線検出器と前記第２放射線検出器との間を遮蔽する遮蔽部材が設けられている、請求項１～７のいずれか一項に記載の陽電子消滅特性測定装置。

【請求項9】

前記第１放射線検出器及び前記第２放射線検出器の検出結果と、前記陽電子検出器の検出結果に基づいて、前記被測定体内における陽電子の消滅特性を算出する消滅特性算出装置をさらに備えている、請求項１～８のいずれか一項に記載の陽電子消滅特性測定装置。

【請求項10】

前記陽電子消滅特性測定装置は、可搬型である、請求項１～９のいずれか一項に記載の陽電子消滅特性測定装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本明細書は、被測定体に入射されて被測定体内で消滅する陽電子の消滅特性を測定する装置に関する。

【背景技術】

【0002】

²²Ｎａや⁶⁸Ｇｅなどの陽電子線源（陽電子放出核種）から放出される陽電子が物質に照射されると、照射された陽電子は物質内を飛行した後に物質内の電子と結合して対消滅する。物質内に欠陥（空孔や転位）が存在すると、その欠陥に陽電子は捕捉される。このため、物質内に欠陥が存在しない場合と比較して陽電子が消滅するまでの時間が長くなる。また、物質内に欠陥が存在する場合、陽電子が消滅する際に放出する放射線（γ線）のエネルギースペクトルの分布が、物質内に欠陥が存在しない場合の放射線のエネルギースペクトルの分布と比較して相違する。このため、物質内に照射された陽電子が消滅するまでの時間や、物質内に照射された陽電子が消滅する際の放射線のエネルギースペクトル分布がわかれば、欠陥に関連した物質の材料特性を推定することができる。近年では、陽電子の消滅特性を測定することで、ショットピーニング加工の評価や、原子炉に用いられている部材、また、橋梁等のインフラストラクチャに用いられている部材の疲労状態の観測について研究が行われている。

【0003】

例えば、特許文献１には、陽電子の消滅特性を測定する装置が開示されている。特許文献１の装置では、測定対象となる被測定体（被測定物質）から切り出された２枚の試験片により陽電子線源を挟み込み、陽電子が消滅する際の放射線（γ線）を測定する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１７－１９８５５２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

橋梁等のインフラストラクチャに用いられている部材の疲労状態の観測のために、オンサイトで陽電子寿命を測定する技術が要求されている。そのためには、測定の精度を確保しつつ、装置を小型軽量化する必要がある。

【0006】

陽電子消滅特性測定装置では、放射線検出器のサイズが大きいほど、陽電子が生成及び消滅する際に放出される放射線を多く検出することができるので、放射線の検出効率（計数率）が向上する。一方で、放射線検出器のサイズが小さいほど、放射線検出器の内部容積が小さくなるため、放射線検出器に入射した放射線毎の検出時間のばらつきが抑制され、時間分解能が向上する。

【0007】

また、従来では、陽電子検出器を暗箱内に設置することにより外部からの光を遮光していたが、暗箱は大きなスペースを要するため、オンサイトでの測定装置に対して暗箱を採用することが難しい。

【0008】

本明細書は、陽電子の消滅特性を測定する装置において、測定の精度を確保しつつ小型軽量化するための技術を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本明細書に開示する第１の陽電子消滅特性測定装置は、被測定体に入射されて被測定体内で消滅する陽電子の消滅特性を測定する。前記第１の陽電子消滅特性測定装置は、前記被測定体の表面に近接又は密着する位置に配置される陽電子線源と、前記陽電子線源で生成された陽電子のうち前記被測定体に入射されなかった陽電子を検出する陽電子検出器と、前記陽電子線源に対して設定された第１の位置に配置され、前記陽電子線源で陽電子が生成したときに発生する第１の放射線を検出する第１放射線検出器と、前記陽電子線源に対して設定された第２の位置に配置され、前記陽電子線源で生成された陽電子が消滅するときに発生する第２の放射線を検出する第２放射線検出器と、を備えている。前記陽電子検出器は、アルミニウムが蒸着された薄膜及び／又はアルミニウムが蒸着されたシンチレータにより遮光されている。

【0010】

上記第１の陽電子消滅特性測定装置では、陽電子検出器がアルミニウムにより遮光されている。すなわち、陽電子検出器自体が遮光性を備えている。陽電子検出器を、アルミニウムが蒸着された薄膜等により覆うことで、高い機械的強度を有する薄膜等に対して好適な遮光性を付与することができる。このため、陽電子検出器を遮光するために暗箱等を設ける必要がなく、装置を小型軽量化することができる。

【0011】

本明細書に開示する第２の陽電子消滅特性測定装置は、被測定体に入射されて被測定体内で消滅する陽電子の消滅特性を測定する。前記第２の陽電子消滅特性測定装置は、前記被測定体の表面に近接又は密着する位置に配置される陽電子線源と、前記陽電子線源で生成された陽電子のうち前記被測定体に入射されなかった陽電子を検出する陽電子検出器と、前記陽電子線源に対して設定された第１の位置に配置され、前記陽電子線源で陽電子が生成したときに発生する第１の放射線を検出する第１放射線検出器と、前記陽電子線源に対して前記第１の位置とは反対側に設定された第２の位置に配置され、前記陽電子線源で生成された陽電子が消滅するときに発生する第２の放射線を検出する第２放射線検出器と、を備えている。前記第１放射線検出器の第１の中心軸と、前記第２放射線検出器の第２の中心軸とが交差しており、前記陽電子線源は、前記第１の中心軸と前記第２の中心軸との交差位置よりも前記第１放射線検出器及び前記第２放射線検出器に対して近接して配置されている。

【0012】

上記第２の陽電子消滅特性測定装置では、第１放射線検出器が第１の位置に配置されており、第２放射線検出器が、陽電子線源に対して第１の位置とは反対側の第２の位置に配置されている。すなわち、第１放射線検出器と第２放射線検出器が、陽電子線源を介して対向する位置に配置されている。また、第１放射線検出器の第１の中心軸と、第２放射線検出器の第２の中心軸とが交差している。そして、陽電子線源が、第１の中心軸と第２の中心軸との交差位置よりも第１放射線検出器及び第２放射線検出器に対して近接して配置されている。このように、この陽電子消滅特性測定装置では、各放射線検出器が、陽電子線源を挟んで陽電子線源に対して比較的近くに配置されているので、陽電子が生成及び消滅したときに発生する放射線が各放射線検出器に入射し易い。したがって、従来よりも各放射線検出器のサイズを小さくしても放射線の検出効率が低減することを抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】実施例１に係る陽電子消滅特性測定装置を示す斜視図。

【図2】実施例１に係る陽電子検出器及び陽電子線源の分解断面図。

【図3】実施例１に係る陽電子消滅特性測定装置の内部の構成を測定面側から見た図。

【図4】実施例１に係る陽電子消滅特性測定装置の内部の構成を上側から見た図。

【図5】演算装置の構成を示すブロック図。

【図6】陽電子検出器の検出結果に基づいてノイズを除去する処理を説明するための図。

【図7】陽電子検出器の検出結果に基づいてノイズを除去する処理を説明するための図。

【図8】陽電子線源とγ線検出器の様々な幾何学的配置を示す図。

【図9】各幾何学的配置におけるγ線の計数率を示す図。

【図10】γ線検出器と陽電子線源との間の距離と計数率との関係を示すグラフ。

【図11】陽電子線源とγ線検出器の様々な幾何学的配置を示す図。

【図12】各幾何学的配置における時間分解能の値を示す図。

【図13】様々な遮光部材において算出した平均陽電子寿命を示すグラフ。

【図14】様々な遮光部材において算出したγ線の相対強度を示すグラフ。

【図15】アルミニウムを蒸着したカプトンフィルムの遮光性を観察した図。

【図16】実施例２に係る陽電子消滅特性測定装置の内部の構成を上側から見た図。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下に説明する実施例の主要な特徴を列記しておく。なお、以下に記載する技術要素は、それぞれ独立した技術要素であって、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。

【0015】

本技術の一実施形態では、前記アルミニウムは、一重又は多重に設けられてもよく、前記アルミニウムの厚みの合計が、５００ｎｍ以下であってもよい。

【0016】

このような構成では、アルミニウム（すなわち、遮光材）の厚みが比較的薄いので、測定の際にアルミニウム内部で陽電子が消滅してしまうこと（すなわち、ノイズ成分が生じること）を低減することができる。また、例えば、薄膜の両面へのアルミニウムの蒸着等、アルミニウムを多重に設けることにより遮光性が向上し、アルミニウムの厚みの合計を小さくすることができる。

【0017】

本技術の一実施形態では、前記第２の位置は、前記陽電子線源に対して前記第１の位置とは反対側に設定されていてもよい。前記第１放射線検出器の第１の中心軸と、前記第２放射線検出器の第２の中心軸とが交差していてもよい。前記陽電子線源は、前記第１の中心軸と第２の中心軸との交差位置よりも前記第１放射線検出器及び前記第２放射線検出器に対して近接して配置されていてもよい。

【0018】

このような構成では、各放射線検出器が、陽電子線源を挟んで陽電子線源に対して比較的近くに配置されているので、陽電子が生成及び消滅したときに発生する放射線が各放射線検出器に入射し易い。したがって、従来よりも各放射線検出器のサイズを小さくしても放射線の検出効率が低減することを抑制できる。

【0019】

本技術の一実施形態では、前記第１放射線検出器は、前記第１の放射線の入射によりシンチレーション光を放出する第１シンチレータと、前記第１シンチレータから放出されたシンチレーション光を検知する第１光センサと、を備えていてもよい。前記第２放射線検出器は、前記第２の放射線の入射によりシンチレーション光を放出する第２シンチレータと、前記第２シンチレータから放出されたシンチレーション光を検知する第２光センサと、を備えていてもよい。前記第１シンチレータが前記第１の位置に位置しており、前記第２シンチレータが前記第２の位置に位置していてもよい。

【0020】

このような構成によると、放射線の入射によりシンチレーション光を放出する各シンチレータが、陽電子線源に近接して配置されるため、より効率良く放射線を検出することができる。そして、各シンチレータが放出したシンチレーション光を各光センサが検出することにより、陽電子の生成時刻及び消滅時刻を算出することができる。

【0021】

本技術の一実施形態では、前記陽電子検出器は、前記陽電子線源に対して前記被測定体とは反対側に配置されていてもよい。前記第１の位置及び前記第２の位置は、前記陽電子検出器を介して対向していてもよい。

【0022】

このような構成によると、陽電子検出器が、第１及び第２放射線検出器の間に配置されるため、装置のサイズをより小型化することができる。

【0023】

本技術の一実施形態では、前記陽電子検出器は、薄板形状を有していてもよい。

【0024】

このような構成では、陽電子検出器の厚みが比較的薄い。このため、陽電子検出器を各放射線検出器からオフセットさせて配置しても、陽電子線源と各放射線検出器との距離がほとんど増大しない。したがって、各放射線検出器をより近接して配置することができる。

【0025】

本技術の一実施形態では、前記第１放射線検出器と前記第２放射線検出器との間を遮蔽する遮蔽部材が設けられていてもよい。

【0026】

このような構成によると、一方の放射線検出器の内部で散乱された放射線が、他方の放射線検出器に入射してしまうことが抑制される。

【0027】

本技術の一実施形態では、前記第１放射線検出器及び前記第２放射線検出器の検出結果と、前記陽電子検出器の検出結果に基づいて、前記被測定体内における陽電子の消滅特性を算出する消滅特性算出装置をさらに備えていてもよい。

【0028】

このような構成では、陽電子の消滅特性を算出することができる。

【0029】

本技術の一実施形態では、前記陽電子消滅特性測定装置は、可搬型であってもよい。

【0030】

本技術では、測定の精度を確保しつつ小型軽量化することができるので、可搬型の陽電子消滅特性測定装置に有用である。

【0031】

（実施例１）
以下、実施例１に係る陽電子消滅特性測定装置１０について説明する。陽電子消滅特性測定装置１０（以下、単に装置１０ともいう。）は、陽電子が生成されるときに発生するγ線（１．２７ＭｅＶ）と、陽電子が消滅するときに発生するγ線（５１１ｋｅＶ）を検出し、その時間差から被測定体内の陽電子寿命を測定し、その測定結果から被測定体の内部状態を評価する装置である。特に、本実施例の装置１０は、測定対象となる被測定体（被測定物質）を切り出すことなく、被測定体に測定面１１ａを押し当てることによりオンサイトでの陽電子寿命を測定する可搬型の装置である。図１～５に示されるように、装置１０は、本体１１と、陽電子検出器１２と、第１γ線検出器１４と、第２γ線検出器１６と、陽電子線源４４と、演算装置５０を有している。

【0032】

図示していないが、本体１１は、陽電子検出器１２、第１γ線検出器１４、第２γ線検出器１６、及び陽電子線源４４を収容している。本体１１の測定面１１ａには、測定窓１１ｂが形成されている。装置１０による被測定体内の陽電子寿命の測定は、装置１０の測定窓１１ｂを被測定体に近接させた状態で実行される。

【0033】

陽電子検出器１２は、図２に示されるように、光電子増倍管４１と、陽電子検出用のシンチレータ４２を備えている。光電子増倍管４１の受光面４１ａは、シンチレータ４２に接続されている。陽電子検出器１２は、円筒形状を有している。陽電子検出器１２は、カプトン（登録商標）フィルム６０によって被覆されている。より詳細には、カプトンフィルム６０は、シンチレータ４２の外面を覆っている。カプトンフィルム６０の内面には、アルミニウム膜６２が設けられている。アルミニウム膜６２は、カプトンフィルム６０に対してアルミニウムを蒸着することにより設けられる。カプトンフィルム６０及びアルミニウム膜６２は、シンチレータ４２に外部の光が侵入することを防止するために設けられている。カプトンフィルム６０の厚みは特に限定されないが、例えば、５μｍとすることができる。また、アルミニウム膜６２の厚みは特に限定されないが、例えば、５００ｎｍ以下とすることができる。

【0034】

本実施例のシンチレータ４２は、プラスチックシンチレータである。シンチレータ４２は、上記に限定されず、他の公知の材料を用いたものであってもよい。シンチレータ４２は、陽電子が入射することによりシンチレーション光を放出する。放出されたシンチレーション光は、光電子増倍管４１の受光面４１ａに入光する。なお、シンチレータ４２は、アルミニウム膜６２により覆われているので、シンチレーション光が受光面４１ａとは異なる方向に放出された場合であっても、アルミニウム膜６２により反射されて受光面４１ａに導かれる。光電子増倍管４１は、シンチレーション光を電気信号に変換する。光電子増倍管４１からの電気信号は演算装置５０に入力される。

【0035】

図２に示すように、陽電子線源４４は、２つのカプトンフィルム４６の間に配置される。すなわち、陽電子線源４４は、カプトンフィルム４６に挟まれている。カプトンフィルム４６に挟まれた陽電子線源４４は、シンチレータ４２に対向する位置に配置される。また、陽電子検出器１２は、図１に示す本体１１の測定窓１１ｂに陽電子線源４４が臨む位置に配置されるように位置決めされている。すなわち、陽電子検出器１２は、陽電子線源４４に対して、被測定体とは反対側に配置される。カプトンフィルム６０及びアルミニウム膜６２は、測定窓１１ｂを介してシンチレータ４２に外部の光が侵入することを遮断する。陽電子線源４４から放出される陽電子は、陽電子線源４４の上下に配置されるカプトンフィルム４６のいずれかに入射する。上側に配置されるカプトンフィルム４６に陽電子が入射すると、その陽電子はカプトンフィルム４６及び測定窓１１ｂを通過して被測定体に入射される。一方、下側のカプトンフィルム４６を通過してシンチレータ４２に陽電子が入射すると、シンチレータ４２からシンチレーション光が放出されると共に、シンチレータ４２の内部又はシンチレータ４２の外部（すなわち、被測定体以外）で陽電子が消滅する。シンチレータ４２からのシンチレーション光は、光電子増倍管４１に入射する。これにより、光電子増倍管４１から演算装置５０に電気信号が出力されることとなる。なお、陽電子線源４４は、カプトンフィルム６０とシンチレータ４２に挟まれるように配置してもよい。すなわち、陽電子線源４４をシンチレータ４２の上面に直接配置してもよい。

【0036】

ここで、陽電子線源４４には、²²Ｎａなどの陽電子線源（陽電子放出核種）を用いることができる。また、陽電子線源４４は、１つの陽電子が発生してから消滅するまでの間に、他の陽電子が発生しないような弱い陽電子線源とされる。これによって、複数の陽電子が同時に存在し、陽電子の発生時刻と消滅時刻が特定できないといった事態の発生を防止することができる。

【0037】

第１γ線検出器１４は、陽電子が生成されるときに発生するγ線（例えば²²Ｎａの場合、１．２７ＭｅＶ）を検出する。図３及び図４に示すように、第１γ線検出器１４は、γ線の入射によりシンチレーション光を放出するシンチレータ１４ａと、そのシンチレーション光を電気信号に変換する光電子増倍管１４ｂとを有する。シンチレータ１４ａは、略四角錐台形状を有している。光電子増倍管１４ｂは、その受光面（不図示）が、シンチレータ１４ａに接続されている。第１γ線検出器１４は、演算装置５０に接続されている。第１γ線検出器１４は、陽電子が生成されるときに発生するγ線を検出すると、演算装置５０にパルス状の電気信号を出力する。第１γ線検出器１４は、「第１放射線検出器」の一例である。

【0038】

第２γ線検出器１６は、陽電子が消滅するときに発生するγ線（５１１ｋｅＶ）を検出する。第２γ線検出器１６は、γ線の入射によりシンチレーション光を放出するシンチレータ１６ａと、そのシンチレーション光を電気信号に変換する光電子増倍管１６ｂとを有する。シンチレータ１６ａは、シンチレータ１４ａと同様の形状（すなわち、略四角錐台形状）を有している。光電子増倍管１６ｂは、その受光面（不図示）が、シンチレータ１６ａに接続されている。第２γ線検出器１６は、演算装置５０に接続されている。第２γ線検出器１６は、陽電子が消滅するときに発生するγ線を検出すると、演算装置５０にパルス状の電気信号を出力する。第２γ線検出器１６は、「第２放射線検出器」の一例である。

【0039】

図３及び図４に示すように、第１γ線検出器１４と第２γ線検出器１６は、陽電子線源４４及び陽電子検出器１２を挟むように配置されている。より詳細には、陽電子線源４４及び陽電子検出器１２は、シンチレータ１４ａとシンチレータ１６ａとの間に配置されている。図４に示すように、第１γ線検出器１４と第２γ線検出器１６は、その側面が、本体１１の測定面１１ａに対して略平行に配置される。図３に示すように、第１γ線検出器１４及び第２γ線検出器１６は、測定面１１ａ側から見ると、第１γ線検出器１４の中心軸Ｘ１と第２γ線検出器１６の中心軸Ｘ２とが、交差するように配置されている。陽電子検出器１２は、その中心軸Ｘ３が、本体１１の測定面１１ａに対して略直交するように配置されている。図３に示すように、陽電子線源４４は、中心軸Ｘ１と中心軸Ｘ２との交差位置Ｐ１よりも、第１γ線検出器１４と第２γ線検出器１６に対して近接する位置に配置されている。

【0040】

陽電子検出器１２には、遮蔽部材５２が設けられている。遮蔽部材５２は、板状の鉛によって構成されている。遮蔽部材５２は、シンチレータ１４ａとシンチレータ１６ａとの間を遮蔽する位置に設けられている。これにより、一方のシンチレータ（例えば、シンチレータ１４ａ）の内部で散乱されたγ線が、他方のシンチレータ（例えば、シンチレータ１６ａ）に入射してしまうことが抑制される。

【0041】

演算装置５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭを備えたコンピュータやプロセッサと、デジタルストレージオシロスコープ（ＤＳＯ）やＮＩＭモジュール等の専用回路によって構成することができる。図５に示すように、演算装置５０は、第１γ線検出器１４と第２γ線検出器１６に接続される第１信号処理部２０と、陽電子検出器１２に接続される第２信号処理部３０を備えている。第２信号処理部３０は、陽電子検出器１２（詳細には光電子増倍管４１）から出力される電気信号を処理し、陽電子検出器１２に陽電子が入射した時刻を特定する。第２信号処理部３０で特定された時刻は、第１信号処理部２０に入力される。第１信号処理部２０及び第２信号処理部３０は、「消滅特性算出装置」の一例である。

【0042】

第１信号処理部２０は、陽電子発生時刻特定部２１と、陽電子消滅時刻特定部２２と、時刻差算出部２３と、ノイズ情報除外部２４と、陽電子寿命算出部２５を備えている。陽電子発生時刻特定部２１は、第１γ線検出器１４からの信号に基づいて、陽電子線源４４で陽電子が発生した時刻を特定する。陽電子消滅時刻特定部２２は、第２γ線検出器１６からの信号に基づいて、陽電子が消滅した時刻を特定する。時刻差算出部２３は、陽電子発生時刻特定部２１で特定された時刻と、陽電子消滅時刻特定部２２で特定された時刻の時刻差から、陽電子が生存していた時間を算出する。陽電子発生時刻特定部２１と陽電子消滅時刻特定部２２と時刻差算出部２３とは、従来公知の陽電子消滅特性測定装置の対応部分と同様に構成することができる。

【0043】

ノイズ情報除外部２４は、第２信号処理部３０で特定された時刻（すなわち、シンチレータ４２に陽電子が入射した時刻）から、時刻差算出部２３で算出された時刻差のうち、被測定体に入射されなかった陽電子に係るものを除外する。すなわち、図６に示すように、陽電子線源４４から放出される陽電子が被測定体（サンプル）に入射すると、その陽電子は被測定体内で消滅し、γ線（５１１ｋｅＶ）が発生する。一方、陽電子線源４４から放出される陽電子がシンチレータ４２に入射すると、シンチレーション光を発生すると共に、被測定体以外で消滅して、γ線（５１１ｋｅＶ）が発生する。したがって、陽電子が発生したときのγ線（１．２７ＭｅＶ）が検出され、次に、シンチレーション光が検出され、その後、陽電子が消滅したときのγ線（５１１ｋｅＶ）が検出された場合は、陽電子線源４４から放出される陽電子がシンチレータ４２に入射したと特定することができる。一方、陽電子が発生したときのγ線（１．２７ＭｅＶ）が検出され、次に、シンチレーション光が検出されずに、陽電子が消滅したときのγ線（５１１ｋｅＶ）が検出された場合は、陽電子線源４４から放出される陽電子が被測定体（サンプル）に入射したと特定することができる。例えば、図７（ａ）に示すように、陽電子発生時刻ｔ１と陽電子消滅時刻ｔ２の間に、陽電子検出器１２で陽電子が検出されていないとき（すなわち、シンチレーション光が検出されていないとき）は、陽電子発生時刻ｔ１と陽電子消滅時刻ｔ２は有効なデータとする。そして、その時刻差（ｔ２－ｔ１）は、被測定体における陽電子の寿命を算出するために用いられる。一方、図７（ｂ）に示すように、陽電子発生時刻ｔ３と陽電子消滅時刻ｔ５の間の時刻ｔ４に、陽電子検出器１２で陽電子が検出されているとき（すなわち、シンチレーション光が検出されているとき）は、陽電子発生時刻ｔ３と陽電子消滅時刻ｔ５は無効なデータとして、被測定体における陽電子の寿命を算出するためのデータから除外する。なお、陽電子発生（時刻ｔ３）と陽電子検出（時刻ｔ４）と陽電子消滅（時刻ｔ５）は、極めて短い期間の間に発生する。このため、陽電子発生時刻ｔ３と陽電子検出時刻ｔ４との時間差が所定の第１時間差内となるときは、陽電子発生時刻ｔ３とその後に検出される陽電子消滅時刻ｔ５は無効なデータとして除外してもよい。あるいは、陽電子検出時刻ｔ４と陽電子消滅時刻ｔ５との時間差が所定の第２時間差内となるときは、陽電子発生時刻ｔ３と陽電子消滅時刻ｔ５は無効なデータとして除外してもよい。

【0044】

陽電子寿命算出部２５は、ノイズ情報除外部２４でノイズが除外され、被測定体に入射された陽電子の生存時間から、被測定体における陽電子の寿命を算出する。陽電子寿命算出部２５は、従来の陽電子消滅特性測定装置の対応部分と同様に構成することができる。

【0045】

次に、上述した陽電子消滅特性測定装置１０を用いて、被測定体の陽電子寿命を測定する手順について説明する。装置１０には、陽電子線源４４が予めセットされている。まず、被測定体（例えば、橋梁等）に対して装置１０を案内するための案内レール８０をセットする。次に、案内レール８０に対して本体１１の底面に取り付けられたスライダ（不図示）を嵌合させ、案内レール８０上をスライドさせながら装置１０の測定面１１ａを被測定体に近接させる。案内レール８０上をスライドする本体１１は、案内レール８０の端部に設けられているストッパ８２により、被測定体に近接した位置に位置決めされる。位置決めした位置において、例えば、螺子８４を用いて本体１１を案内レール８０に固定する。これにより、測定窓１１ｂを介して陽電子線源４４を被測定体に対向する位置に位置決めすることができる。本体１１を固定した後、演算装置５０を作動させて、陽電子寿命の測定を開始する。

【0046】

陽電子線源４４で陽電子が生成されると、そのときに発生するγ線（１．２７ＭｅＶ）が、第１γ線検出器１４で検出される。第１信号処理部２０は、第１γ線検出器１４からの信号に基づいて、陽電子が生成した時刻を特定する。陽電子線源４４で生成された陽電子は、被測定体又はシンチレータ４２に入射する。被測定体に入射した陽電子は、適当な時間を経た後に電子と結合して消滅し、γ線（５１１ｋｅＶ）を発生させる。このγ線（５１１ｋｅＶ）は、第２γ線検出器１６によって検出される。第１信号処理部２０は、第２γ線検出器１６からの信号に基づいて陽電子が消滅した時刻を特定し、その時間差から陽電子の生存時間を算出する。

【0047】

一方、シンチレータ４２に入射した陽電子は、シンチレーション光を発生させ、その後、被測定体以外で消滅し、γ線（５１１ｋｅＶ）を発生させる。シンチレーション光は、シンチレータ４２内を進み光電子増倍管４１の受光面４１ａまで案内され、光電子増倍管４１によって電気信号へ変換される。第２信号処理部３０は、光電子増倍管４１からの電気信号に基づいて、陽電子がシンチレータ４２に入射した時刻を特定する。また、被測定体以外で陽電子が消滅したときに発生するγ線（５１１ｋｅＶ）は、第２γ線検出器１６によって検出される。このため、被測定体に入射されなかった場合も、第１信号処理部２０で時刻が算出されることとなる。ただし、第２信号処理部３０で算出された時刻と、陽電子の発生時刻の関係から、被測定体に入射されなかった陽電子に関するデータは除外される。このため、第１信号処理部２０は、被測定体から入射された陽電子から得られたデータのみに基づいて、陽電子の寿命を算出する。

【0048】

上述した説明から明らかなように、本実施例の陽電子消滅特性測定装置１０では、被測定体に入射されなかった陽電子を陽電子検出器４０で検出し、被測定体に入射されなかった陽電子が発生させる放射線をノイズとして除去する。このため、陽電子線源４４を被測定体で挟み込むような状態としなくても、被測定体の陽電子消滅特性を精度良く算出することができる。また、陽電子線源４４と被測定体の間には陽電子検出用のシンチレータ４２が配置されないため、被測定体に照射される陽電子が減少することを防止することができる。

【0049】

次に、陽電子線源４４と各γ線検出器１４、１６との幾何学的配置の相違による、γ線の検出効率（計数率）、及び、γ線を検出する際の時間分解能について評価するために行ったシミュレーション及び実験について説明する。陽電子消滅特性測定装置の特性を評価する上で、計数率と時間分解能は重要なパラメータとなる。このシミュレーション及び実験では、陽電子線源４４と各γ線検出器１４、１６との相対位置を変更して、各幾何学的配置における計数率及び時間分解能を算出した。

【0050】

まず、図８に示すように、３つの異なる幾何学的配置（配置Ａ、Ｂ、Ｃ）について、モンテカルロシミュレーションにより、γ線の計数率を算出した。配置Ａは、陽電子寿命測定研究において一般的に採用される配置である。配置Ｂは、卓上型陽電子寿命測定装置で一般的に採用されている配置である。配置Ｃは、本実施例の装置１０における配置である。配置Ａでは、各γ線検出器１４、１６の中心軸が陽電子線源４４を指向している。配置Ｂでは、各γ線検出器１４、１６の中心軸が、陽電子検出器１２の中心軸（陽電子線源４４を通る軸）方向を指向している。なお、各配置において、陽電子線源４４、陽電子検出器１２、各γ線検出器１４、１６は、同一のものを採用している。このシミュレーションでは、陽電子線源４４の位置に、²²Ｎａ陽電子線源を挟み込んだ２枚のＦｅ試料を配置して行った。陽電子線源は、７．５μｍ厚のカプトンフィルム２枚で封入されている。

【0051】

このシミュレーションでは、陽電子線源４４の位置において、１．２７ＭｅＶのγ線（陽電子が生成されるときに発生するγ線）と、５１１ｋｅＶのγ線（陽電子が消滅するときに発生するγ線）を交互に１０００万回繰り返し発生させ、一方のシンチレータ１４ａで１．２７ＭｅＶのγ線が吸収され、他方のシンチレータ１６ａで５１１ｋｅＶのγ線が吸収される事象の発生頻度から、一対のγ線検出器１４、１６の検出効率（計数率）を算出した。結果を図９に示す。なお、図９に示す計数率は、配置Ａに対する相対値で示されている。

【0052】

図９から明らかなように、配置Ａ及びＢの計数率には、それほど大きな差がないことがわかった。これに対して、配置Ｃでは、配置Ａと比較して１．８９倍の効率でγ線を検出することができることがわかった。すなわち、本実施例の装置１０では、従来の幾何学的配置と比較して、γ線の計数率が極めて高く、効率良く放射線を検出することができる。

【0053】

また、配置Ｃにおいて、各γ線検出器１４、１６と陽電子線源４４との間の距離の変化による計数率の相違についてもシミュレーションを行った。なお、各γ線検出器１４、１６と陽電子線源との距離は、シンチレータ１４ａ、１６ａの重心位置と陽電子線源４４との間の距離として算出している。シミュレーションの結果、図１０に示すように、シンチレータ１４ａ、１６ａの重心位置と陽電子線源４４との距離が短いほど、計数率が向上することがわかった。

【0054】

次に、図１１に示すように、３つの異なる幾何学的配置（配置Ｄ、Ｅ、Ｆ）について、実験により時間分解能を算出した。配置Ｄ、Ｅ、Ｆでは、互いに平行に配置された２つのγ線検出器１４、１６に対する陽電子線源４４の相対位置が異なっている。陽電子線源４４とγ線検出器１４、１６（シンチレータ１４ａ、１６ａ）とは、配置Ｄにおいて最も離間しており、配置Ｆにおいて最も近接している。この実験は、陽電子線源４４の位置に、試料としてのアニーリングしたステンレス鋼と、カプトンフィルムに封入された²²Ｎａ陽電子線源とを配置して行った。得られた陽電子寿命スペクトルを、１成分（陽電子線源成分は除く）解析し、時間分解能を分解能曲線の半値幅（ＦＷＨＭ）として算出した。結果を図１２に示す。

【0055】

図１２に示すように、配置Ｄの時間分解能が最も高く、陽電子線源４４を各γ線検出器１４、１６の間に挟み込む方向に移動させるにつれ、時間分解能が低下した結果となった。これは、各シンチレータ１４ａ、１６ａが各γ線検出器１４、１６の軸方向に長く延びているためであると考えられる。すなわち、陽電子線源４４の位置が配置Ｄから配置Ｆに移行するにつれて、シンチレーション光が各シンチレータ１４ａ、１６ａの内部で大きく散乱することにより、光電子増倍管１４ｂ、１６ｂの受光面にシンチレーション光が到達するまでに長い時間を要するためであると考えられる。

【0056】

ここで、３つの配置Ｄ、Ｅ、Ｆの間それぞれの時間分解能の差は、いずれも２５ｐｓ未満となっている。例えば、時間分解能が２００ｐｓから２５０ｐｓに低下すると、陽電子寿命が１５０ｐｓである被測定体を測定する場合、時間分解能に対する陽電子寿命の推定誤差は、約１．１４倍となる。一方、γ線の検出の積算数ｎに対する推定誤差は、ｎの平方根の逆数倍となる。すなわち、図８の配置Ａから配置Ｃに変更した場合、計数率の向上（１．８９倍）により陽電子寿命の推定誤差は低減し、約０．７３倍となる。すなわち、図８の配置Ｃを採用することにより、従来の配置Ａ、Ｂと比較して、陽電子線源４４を各γ線検出器１４、１６の間に挟み込むように配置することに起因する時間分解能の低下の影響を抑制することができる。

【0057】

次に、陽電子検出器１２に対して設けられた遮光部材の相違による陽電子検出器１２の遮光性について評価するために行った実験について説明する。図１３に示すように、この実験では、カプトンフィルムのみ、チタン箔及びカプトンフィルム、３００ｎｍアルミニウム蒸着カプトンフィルム、及び５００ｎｍアルミニウム蒸着カプトンフィルムの４種類の遮光部材により陽電子検出器１２を遮光した場合について、アニーリングしたステンレス鋼の平均陽電子寿命を算出することにより、各遮光部材を用いた場合の測定の信頼性を評価した。チタン箔は、従来から一般的に用いられている遮光部材である。なお、図１３及び後述する図１４のグラフ中に（ａ）で示す「卓上型」は、卓上型の陽電子消滅特性測定装置（以下、卓上型装置という。）を用いて算出した平均陽電子寿命を示している。卓上型装置では、被測定体から切り出した試験片を暗箱内に載置して陽電子寿命が測定される。すなわち、卓上型装置では、陽電子検出器が暗箱内に配置されるため、外部の光が陽電子検出器に侵入することが完全に遮断されている。したがって、算出した平均陽電子寿命が卓上型装置に近い値であるほど、測定の信頼性が高いと評価することができる。

【0058】

まず、図１３の（ｂ）に示すように、陽電子検出器１２をカプトンフィルムのみにより遮光した場合、（ａ）に示す卓上型装置と略等しい値が得られた。すなわち、カプトンフィルムのみにより陽電子検出器１２を遮光した場合、卓上型と同等の信頼性で測定可能であることがわかった。一方、（ｃ）に示すように、遮光部材としてカプトンフィルムに加えてチタン箔を用いた場合、平均陽電子寿命が卓上型と比較して大きく相違する結果となった。すなわち、従来から用いられているチタン箔を遮光部材として用いると、測定の信頼性が低下することがわかった。これに対して、（ｄ）及び（ｅ）に示すように、アルミニウムを蒸着したカプトンフィルムを用いた場合、アルミニウムの膜厚によらず、（ａ）に示す卓上型装置と略等しい値が得られる結果となった。以上の通り、本実施例のように、アルミニウム膜６２が蒸着されたカプトンフィルム６０により陽電子検出器１２を覆うことで、チタン箔を用いた場合よりも測定の信頼性が高い状態で遮光することができるとともに、卓上型装置と同等の測定の信頼性を確保することができることがわかった。

【0059】

次に、陽電子検出器１２に対して設けられた遮光部材の相違による、被測定体への陽電子の入射割合について評価するために行った実験について説明する。陽電子線源４４から放出された陽電子の一部は、遮光部材の内部で消滅する。遮光部材の内部で陽電子が消滅するときに発生するγ線はノイズ成分となるため、測定の際には、被測定体へ多くの陽電子が入射することが望ましい。この実験では、図１３と同様の４種類の遮光部材により陽電子検出器１２を遮光した場合について、試料（石英ガラス）を測定し、検出されたγ線のうち、試料由来の成分の相対強度を算出することにより、試料への陽電子の入射割合を評価した。

【0060】

まず、図１４の（ｂ）に示すように、陽電子検出器１２をカプトンフィルムのみにより遮光した場合、試料由来の成分のγ線の相対強度が、（ａ）に示す卓上型装置と比較して約１％低下した。すなわち、カプトンフィルムの内部でわずかに陽電子が消滅していることがわかる。次いで、図１４の（ｃ）に示すように、遮光部材としてカプトンフィルムに加えてチタン箔を用いた場合、試料由来の成分のγ線の相対強度が卓上型と比較して大きく低下した結果となった。すなわち、従来から用いられているチタン箔を遮光部材として用いると、遮光部材（すなわち、チタン箔）の内部での陽電子の消滅割合が大きくなる結果となった。これに対して、（ｄ）及び（ｅ）に示すように、アルミニウムを蒸着したカプトンフィルムを用いた場合、アルミニウムの膜厚によらず、（ａ）に示す卓上型装置と比較してそれほど相対強度が低下しない（約２％低下）結果となった。ただし、上述したように、カプトンフィルムの内部でも陽電子が消滅するので、相対強度の低下に対する実際のアルミニウムの寄与は小さい。以上の通り、本実施例のように、アルミニウム膜６２が蒸着されたカプトンフィルム６０により陽電子検出器１２を覆うことで、チタン箔を用いた場合よりも被測定体に対して効率良く陽電子を入射させることができるとともに、卓上型装置と比較しても十分な陽電子の入射割合を確保することができることがわかった。

【0061】

以上に説明した通り、本実施例の装置１０では、図８の配置Ｃに示すように、各γ線検出器１４、１６が、陽電子線源４４を挟むとともに陽電子線源４４に対して比較的近くに配置されているので、陽電子が生成及び消滅したときに発生するγ線が各γ線検出器１４、１６に入射し易い。したがって、装置１０はγ線の計数率が高い。このため、例えば、時間分解能の向上のために、装置１０のサイズ（より詳細には、各γ線検出器１４、１６のサイズ）を小さくしても、各γ線検出器１４、１６による計数率を確保することができる。さらに、本実施例では、図１１の配置Ｆに示すように、陽電子線源４４を各γ線検出器１４、１６により挟み込むように配置しても、当該配置に起因する時間分解能の低下を高い計数率で補うことにより、測定誤差を低減することができる。すなわち、本実施例の装置１０では、高い計数率と高い時間分解能とを両立することができる。

【0062】

また、本実施例では、陽電子検出器１２が、アルミニウム蒸着されたカプトンフィルム６０により覆われている。アルミニウム膜６２は、比較的厚みが薄いので、アルミニウム膜６２の内部で消滅する陽電子の数が低減され、測定の際のノイズを抑制することができる。また、非常に薄い膜であるアルミニウム膜６２が、蒸着によって高い強度を有するカプトンフィルム６０に成膜されているので、陽電子検出器１２を作製する際にアルミニウム膜６２及びカプトンフィルム６０が破れ難く、容易に陽電子検出器１２を作製することができる。

【0063】

なお、上述した実施例では、カプトンフィルム６０の一方の面のみにアルミニウム膜６２が設けられていた。しかしながら、例えば、カプトンフィルム６０の両面にアルミニウムを蒸着することにより、カプトンフィルム６０の両面にアルミニウム膜６２を設けてもよい。図１５は、カプトンフィルムに対してアルミニウムを異なる態様で蒸着した状態での遮光性を観察した図である。図１５（ａ）は、カプトンフィルムの片面にアルミニウムを３００ｎｍの厚みで蒸着した場合を示し、図１５（ｂ）は、カプトンフィルムの片面にアルミニウムを５００ｎｍの厚みで蒸着した場合を示し、図１５（ｃ）は、カプトンフィルムの両面にそれぞれアルミニウムを１００ｎｍの厚みで蒸着した場合を示している。図１５（ａ）及び（ｂ）に示すように、蒸着するアルミニウムの厚みを厚くすることにより、遮光性が向上することがわかる。また、図１５（ｃ）に示す態様では、図１５（ａ）及び（ｂ）よりもアルミニウムの厚みの合計（２００ｎｍ）が薄いが、遮光性は高い。これは、多重にアルミニウムを設けることにより、各アルミニウム膜に生じ得るピンホールの重なりが抑制されたためである。このように、多重にアルミニウムを設けることにより、遮光性をより向上させることができる。なお、カプトンフィルムに対するアルミニウムの蒸着に加えて、シンチレータ４２の外側面にアルミニウムを蒸着してもよい。

【0064】

（実施例２）
実施例２の陽電子消滅特性測定装置では、陽電子検出器１１２の構成が実施例１と異なっている。実施例１では、陽電子検出器１２が光電子増倍管４１とシンチレータ４２によって構成されていた。実施例２では、図１６に示すように、陽電子検出器１１２が、ＭＰＰＣ（Ｍｕｌｔｉ－Ｐｉｘｅｌ Ｐｈｏｔｏｎ Ｃｏｕｎｔｅｒ）１４１とシンチレータ１４２を有している。ＭＰＰＣ１４１は、光子を計測する光半導体素子であり、薄板形状を有している。また、実施例２では、シンチレータ１４２が、ＭＰＰＣ１４１に対応する形状を有している。実施例２では、陽電子検出器１１２が、各γ線検出器１４、１６よりも前方（すなわち、測定面１１ａ側）に配置されている。

【0065】

実施例２では、陽電子検出器１１２が薄板形状を有しているので、陽電子検出器１１２と各γ線検出器１４、１６とを、ｙ軸方向にオフセットさせて配置しても、各γ線検出器１４、１６と、陽電子線源４４との距離は、ほとんど大きくならない。このため、図１６と図２とを比較すると明らかなように、第１γ線検出器１４と第２γ線検出器１６とをより近接して配置することができる。このため、γ線の計数率をより向上させることができる。また、第１γ線検出器１４と第２γ線検出器１６の間に部材が配置されないので、図１６に示すように、シンチレータ１４ａとシンチレータ１６ａとの間に遮蔽部材１５２を配置することにより、両者の間の空間を好適に遮断することができる。

【0066】

なお、上述した各実施例は、可搬型の陽電子消滅特性測定装置を例にして説明したが、卓上型の陽電子消滅特性測定装置に対して本明細書に開示の技術を適用してもよい。

【0067】

以上、本明細書に開示の技術の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。

【符号の説明】

【0068】

１０：陽電子消滅特性測定装置
１２：陽電子検出器
１４：第１γ線検出器
１６：第２γ線検出器
４４：陽電子線源
５０：演算装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】