いう大きな利点を持っている子線マイクロアナライザー EPMA Electron Probe Micro Analyzer による分析の場合は電このようにミュオンが荷電粒子であること子線の照射により原子核近くの電子軌道に空とミュオン特性 X 線のエネルギーが高いこきができそこへエ

Size: px

Start display at page:

Download "いう大きな利点を持っている子線マイクロアナライザー EPMA Electron Probe Micro Analyzer による分析の場合は電このようにミュオンが荷電粒子であること子線の照射により原子核近くの電子軌道に空とミュオン特性 X 線のエネルギーが高いこきができそこへエ"

きみおあわび
6 years ago
Views:

ミュオン特性 X 線による隕石試料の非破壊分析寺田健太郎 Terada Kentaro 大阪大学大学院理学研究科 1 の特性 X 線分析の現状について紹介したいはじめにミュオン m 粒子は質量 105.

1 ミュオン特性 X 線による隕石試料の非破壊分析寺田健太郎 Terada Kentaro 大阪大学大学院理学研究科 1 の特性 X 線分析の現状について紹介したいはじめにミュオン m 粒子は質量 MeV c2 電荷±1 スピン 1 2 寿命約 2 ms の素粒子の一種である特に負ミュオン m 粒子は 2 ミュオン特性 X 線による元素分析の原理ミュオン特性 X 線測定の原理については久電荷が 1 電子の約 200 倍の質量を持つこと保謙哉氏の本誌 2013 年 5 月号の解説記事 7 がから重い電子のように振る舞う物質透過能詳しいがここで簡単に復習しておこうも高く 1971 年に L. Rosen がミュオン特性 X 電子線を用いた特性 X 線分析は簡易に物 1 線分析の有用性を指摘して以来ミュオンを質の化学組成が分かることから自然科学のみ用いた様々な非破壊分析法が試みられてきならず産業科学材料科学医学考古学な年三宅らは大強度陽子加速器施ど広い分野で利用されている古典的な原子核設 J-PARC MUSE Japan Proton Accelerator モデルでは電子は原子核の周りに元素固有 Research Complex, MUon Science Establishment のエネルギー準位で軌道運動しているたにおいて世界最高強度のミュオンビーム運動量 60 MeV c にして毎秒 106 カウントを発生させることに成功し n2h2 4p mkee 2Z 1 E n 2p 2mke2e 4Z 2 n2h 考古学試料や隕石試料の特性 X 線分析が現実的なものとなってきた rn 7 8 特に従来の電子線分析や中性子放射化 2 分析では困難であった炭素窒素酸素のようここで n は主量子数 En は主量子数 n のエネな軽元素の非破壊 3 次元分析の可能性を有してルギー順位 r は軌道半径 m は電子の質量おり有機物が存在するであろう C 型小惑星 h はプランク定数 Z は原子番号 ke はクーロ 1999 JU3 から採取する貴重なはやぶさ 2 試ン定数 e は電荷である料 9 の化学組成を非破壊で調べる有効な分析手 EDS Scanning Electron Microscope equipped 法として期待されている本稿では筆者らが取り組んでいる隕石試料 2 エネルギー分散型走査型電子顕微鏡 SEM- with Energy Dispersive X-ray Spectroscopy や電

いう大きな利点を持っている子線マイクロアナライザー EPMA Electron Probe Micro Analyzer による分析の場合は電このようにミュオンが荷電粒子であること子線の照射により原子核近くの電子軌道に空とミュオン特性 X 線のエネルギーが高いこきができそこへエネルギー準位の高い電子とを利用すると試料にミュオンビームを照射が落ち込むことにより

2 いう大きな利点を持っている子線マイクロアナライザー EPMA Electron Probe Micro Analyzer による分析の場合は電このようにミュオンが荷電粒子であること子線の照射により原子核近くの電子軌道に空とミュオン特性 X 線のエネルギーが高いこきができそこへエネルギー準位の高い電子とを利用すると試料にミュオンビームを照射が落ち込むことによりエネルギー準位の差に相当するエネルギーを持つ X 線が発生するしゲルマニム Ge 検出器のようなエネルギー分解能の高い g 線検出器で特性 X 線を測定このとき発生する X 線のエネルギーは 3 式することにより物質内部の化学組成を軽元素に示すように電子の質量 m と原子番号 Z のから重元素まで非破壊で分析することが可能と 2 乗に比例し元素固有のエネルギーを持つこなる図 2 現在世界最高強度を達成したとから特性 X 線と呼ばれる J-PARC MUSE の D2 ビームラインではアルミ En n hv 2p 2mke2e 4Z 2 È 1 1 Î n2 n 2 h2 ニウムの 5 cm 程度の深さまでミュオン撃ち込 3 むことができることからこの手法の地球惑星科学的な応用として有機物を含む隕石試料の市販されている SEM-EDS や EPMA で用いら非破壊分析の実証実験を行った 8 その結果にれる電子線の物質透過能力は低く試料表面約数 mm で発生した特性 X 線を X 線検出器で検ついて紹介したい出する最近では炭素 Ka 0.5keV などの軽い元素も検出可能な装置も市販化されているが感度は低く定量分析としては Na Ka 1.0 kev よりも重い元素に限られているのが一般的である次に物質に入射した負ミュオンについて考える物質に入射しある深さで運動エネルギーを失ったミュオンはその付近の原子に捕獲さ図1 れる捕獲初期にはミュオンは主量子数の大ミュオン特性 X 線発生の原理きな軌道に入りその後次々と軌道間を遷移しながら原子核に近づきついには 1s 軌道に至るこの時発生する X 線のエネルギーは 3 式と同様に表されミュオン特性 X 線と呼ばれる図 1 ただしミュオンは電子質量の約 200 倍であるためミュオン特性 X 線は運動量小電子特性 X 線のエネルギー約 200 倍のエネルギーを持つ例えば炭素酸素鉄の m Ka 運動量大線はそれぞれ 75 kev 133 kev 1,256 kev となり物質透過能力が高い硬 X 線から g 線のエネルギーの領域となる特筆すべきはミュオンは重い荷電粒子なのでエネルギーが決まれば飛程が決まることであるつまり入射ミュオンのエネルギーを制御することにより物質中で図2 の停止位置表面からの深さを制御できると電子ビーム X 線分析とミュオンビーム X 線分析の違い 3

3 3 グラファイトで炭素のミュオン特性 X 線を発分析生させそれがまた 2 mm 厚のガラスを透過し 3.1 模擬試料による B C N O の深度プロたことを意味するさらに運動量が 50.0 MeV c になると mc Ka ピークは消え第 3 層ファイル測定最初にガラス SiO2 1.5 mm 厚グラファの窒化ボロンからの mb Ka 52 kev と mn イト C 1.0 mm 厚窒化ボロン BN 1.3 mm 厚ガラス SiO2 1.5 mm 厚の 4 層からな Ka 102 kev を検出したそしてさらに運動量 57.5 MeV c では再び msi La 76 kev とるサンプルに直径約 27 mm の負ミュオンビー mo Ka 133 kev のピークが現れたこれはムを照射した図 3 に示すようにミュオンビミュオンが約 5.7 mm を貫通し第 4 層のガラス層で発生した msi La 76 kev と mo Ka ームに対し 45 度の角度でサンプル面をセットし 90 度の方向に設置した Ge 検出器で発生し 133 kev を検出できたことを意味するた X 線を調べた照射する負ミュオンの運動次に B C N O 及び Si のミュオン特量エネルギーに相当を MeV c ま性 X 線強度の運動量依存性すなわち深さ依存性を図 5 に示す誤差は 1 s ここでで段階的に変化させた時の X 線のエネルギースペクトルを示す図 4 各測定時間は 3 4 時間である試料チェンバーの内部やサンプル真空チェンバーとサンプルホルダー由来の mal La ピークはミュオンの運動量を変化させホルダーは Al 製であるため 66 kev と 89 kev ても一定であるとみなし mal La 強度で規格の Al のピークはバックグラウンドシグナルで化してあるまたサンプル 4 層のそれぞれのあるまずミュオンの運動量が MeV c では第 1 層の SiO2 ガラス由来の msi 厚みと密度を用いある運動量のときのミュオ La 76 kev 及び mo Ka 133 kev が検出各層の境界の位置図 5 中矢印は各ピーできたこれからのピークは 42.5 MeV c ではク強度がちょうど増減し始める運動量に一致し消失しその代わりに第 2 層のグラファイト由来の mc Ka 75 kev ピークを検出したこており予想通りの深度プロファイルが得られていることが分かる深さ 7 mm における msi のことは運動量 42.5 Mev c のミュオンは La 76 kev と mo Ka 133 kev 強度から厚さ 2 mm の SiO2 ガラスを透過し第 2 層のサンプル自身による特性 X 線強度の自己吸収ンの飛程距離を計算した計算から予想される mc-ka 75 kev mal-l 89 kev mal-la 66 kev mn-ka 102 kev msi-la mb-ka 52 kev 76 kev mo-ka 133 kev MeV c 0 Intensity 55.0 MeV c 52.5 MeV c MeV c 45.0 MeV c MeV c 40.0 MeV c 37.5 MeV c 400 図 MeV c 層模擬試料のミュオン特性 X 線分析システムのレイアウト 60 図 Energy KeV 層模擬試料のミュオン X 線スペクトルの変化上段から下段に照射ミュオンの運動量が減少

の有機物を含むのに対しアエンデ隕石は有機物の少ない隕石である 50 mm 100 mm 5 mm 厚のマーチソン隕石をアルミホイルに固定し 45 度の角度で直径 40 mm のミュオンビームを 13 時間照射した図 6 a 図5 4

4 率は約 20 深さ分解能は約 10 と見積もることができるこのように従来の電子線分析や蛍光 X 線分析や中性子放射化分析では難しかった B C N O などの軽元素の非破壊深度プロファイル分析を実証することができた 3.2 隕石試料の測定次に太陽系の始原物質である炭素質コンドライト隕石マーチソンアエンデの非破壊ミュオン特性 X 線分析を行ったマーチソン隕石は数 wt. の有機物を含むのに対しアエンデ隕石は有機物の少ない隕石である 50 mm 100 mm 5 mm 厚のマーチソン隕石をアルミホイルに固定し 45 度の角度で直径 40 mm のミュオンビームを 13 時間照射した図 6 a 図5 4 層模擬試料のミュオン特性 X 線強度の運動量依存性横軸は分析深度に相当照射したミュオンの運動量 16 MeV c は深さ 70 mm に相当する一方アエンデ隕石はアルミニウムのバックグラウンドシグナルを軽減させるため新たに試作したアルミホルダーを用 a c b 図6 マーチソン隕石 a とアエンデ隕石 b の試料の形状とそれらの X 線スペクトル c 5

い 45 度に傾けた 50 mm 75 mm 5 mm 厚の実施はされなかったそこではやぶさ 2 号試料に直径 27 mm のミュオンビームを照射し機が C 型小惑星 1999 JU3 から採取した試料のた図 6 b 照射時間は 10 時間運動量は分析を視野に入れパウダー状のマーチソン隕 34 MeV c 深さ 1 mm に相当とした図 6 c に示すように

の特性 X 線のカウントを検出した表 1 b に示すように 1 mm 厚のガラスを通して一方マーチソン隕石からの K アエンデ隕 MgO 濃度 20 wt. Fe0 濃度 21 wt. のマーチ石から C の有意なシグナルは検出できなかったアエンデ隕石中の Ca S C の濃度平均は表1 それぞれ 1.9 wt. 2.1 wt. 0.3 wt.

5 い 45 度に傾けた 50 mm 75 mm 5 mm 厚の実施はされなかったそこではやぶさ 2 号試料に直径 27 mm のミュオンビームを照射し機が C 型小惑星 1999 JU3 から採取した試料のた図 6 b 照射時間は 10 時間運動量は分析を視野に入れパウダー状のマーチソン隕 34 MeV c 深さ 1 mm に相当とした図 6 c に示すようにマーチソン隕石は深さ 70 mm の石 610 mg を外径 6 mm 内径 4 mm 長さ 50 から Mg C Si Fe Ca S のピークをアエにコリメートした運動量 37 MeV c のミュオン mm の SiO2 ガラス管に封印し直径約 25 mm ンデ隕石は深さ 1 mm からの Mg Si Fe K Ca ビームを 24 時間照射した図 7 a 図 7 S の特性 X 線のカウントを検出した表 1 b に示すように 1 mm 厚のガラスを通して一方マーチソン隕石からの K アエンデ隕 MgO 濃度 20 wt. Fe0 濃度 21 wt. のマーチ石から C の有意なシグナルは検出できなかったアエンデ隕石中の Ca S C の濃度平均は表1 それぞれ 1.9 wt. 2.1 wt. 0.3 wt. と報告されていることから現時点の分析条件における検出限界は約 1 wt. であることが分かる本研究で用いた Ge 検出器のサンプルを見込む立体角はわずか 1 しかなく発生した特性 X 線の 99 をロスしている今後検出器を増やし立体角を稼ぐことで検出効率の飛躍的な向上が期待される 3.3 ガラスチューブに封入した試料の測定はやぶさ 1 号機による小惑星イトカワからのサンプルリターン計画の当初地球物質による汚染を避けるための効果的な方法としてガラスチューブに封入した試料の分析も検討された実際には採取した試料が微量であったため Characteristic X-ray Energy kev Murchison Allende n.d. 896±66 10,796± ±52 824±58 1,310±63 4,785±111 n.d. 213±41 9,542± ±33 53±23 183±23 136±30 6±27 175±32 265±39 800±38 94±27 83±28 359±27 11±9 Ca Ma Mg La Al La C Ka Si La Fe Ma O Ka K La Ca La Al Ka S Ka n.d. Not detected a 図7 炭素質コンドライト隕石マーチソンアエンデのミュオン特性 X 線のエネルギーとそのカウント数 b ガラスチューブに封印したマーチソン隕石 a と X 線スペクトル b 緑はガラスチューブのみ赤はガラスチューブ越しに分析したマーチソン隕石のスペクトル 6

6 ソン隕石由来の Mg と Fe のピークを検出するオグラフィーの提案から約半世紀人類は物質ことに成功した隕石試料の主要成分である内部の化学組成分布を透視する新しい眼を Si や O のピークも認められたが SiO2 ガラス持つことになるであろう管由来の特性 X 線も加算されていると考えら謝辞本研究は大阪大学の二宮和彦助教れる 3 wt. 含まれてる C の有意なシグナルは検出できなかった高エネルギー加速器研究機構の三宅康博教授河村成肇講師原子力研究開発機構の大澤崇人 4 研究員髭本亘研究員北海道大学の橘省吾准今後の展望教授国際基督教大学の久保謙哉教授京都大小惑星イトカワから採取された微粒子の分析学の土`山明教授首都東京大学の海老原充教ではシンクロトロン X 線トモグラフィーによ授宇宙科学研究所の上椙真之研究員ほか J- る個々の粒子内部の密度分布測定 10 X 線回折 PARC MUSE のテクニカルスタッフのサポート 11 分析による鉱物組成分析中性子放射化分析により達成することができましたまた文部によるバルク化学組成分析 12 などの非破壊分科学省の科学研究費の援助を受け析が実施され貴重な微粒子一粒一粒から多数ていますここに感謝の意を表しますの有益な情報を引出すことに成功した 2020 参考文献年に地球への帰還が計画されているはやぶさ 2 ミッションでは有機物を含む C 型小惑星 1999 JU3 からサンプルリターンが計画されており C N O などの軽元素の非破壊定量分析が熱望されている一般に軽元素は中性子捕獲断面積が小さく先に述べた放射化分析は不向きであるまた X 線トモグラフィーでは試料中の空隙と低密度の軽元素の差異を見極めるのは難しい現在筆者らが取り組んでいるミュオン特性 X 線を用いた軽元素の非破壊分析は将来の惑星科学における我が国独自のイノベーティブな分析手法として注目されている 13 今後 J-PARC MUSE ではグラファイトターゲットに照射する陽子ビームの強度を 1 MW まで増加させ現在のミュオンビームを 10 倍強度の強い毎秒 107 カウントに改良する計画が進んでいるさらにコンプトンカメラのような位置検出型の g 線検出器も開発されている W. C. レントゲンが X 線を発見してから約 100 年 16 人類は物質の密度分布を透視することが可能になり現在では自然科学のみならず産業界医療界で必要不可欠な分析技術となった今後高感度位置検出型の g 線検出器が実用化されれば Rosen によるミュオンラジ 1 Rosen, L., Science, 173, Daniel, H., Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., B, 3, Kubo, M.K., et al., J. Radioanal. Nucl. Chem., 278, Ninomiya, K., et al., Bull. Chem. Soc. Jpn., 85, Cyranoski, D., Nature, 456, Miyake, Y., et al., Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., A, 600, 久保謙哉 No Terada, K., et al., Nature Scientific Reports, 4, Article number 橘省吾他地球科学 Tsuchiyama, A., et al., Science, 333, Nakamura, T., et al., Science, 333, Ebihara, M., et al., Science, 333, JST サイエンスチャンエルはやぶさ 2 を待つ小惑星サンプルの分析技術 2014 年 11 月 5 日配信 14 Domingo-Pardo, C., Nucl.Instrum. Methods Phys. Res., A, 675, Odaka, K., et al., Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., A, 695, Röntgen, W. C., Nature, 53,

厚生労働省委託事業「平成25年度適切な石綿含有建材の分析の実施支援事業」アスベスト分析マニュアル1.00版

厚生労働省委託事業「平成25年度適切な石綿含有建材の分析の実施支援事業」アスベスト分析マニュアル1.00版クリソタイル標準試料 UICC A 1 走査型電子顕微鏡形態測定条件等 :S-3400N( 日立ハイテクノロジーズ )/BRUKER-AXS Xflash 4010) 倍率 2000 倍加速電圧 5kv 162 クリソタイル標準試料 UICC A 2 走査型電子顕微鏡元素組成 cps/ev 25 20 15 C O Fe Mg Si Fe 10 5 0 2 4 6 8 10 12 14 kev