能動型X線分光計AXS用の焦電型X線発生器PXGの開発研究

2023 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 21K17999
• Research Institution: National Institutes for Quantum Science and Technology
• Principal Investigator: 内藤 雅之 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 放射線医学研究所 計測・線量評価部, 研究員 (30778147)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 焦電結晶 / X線発生器 / 焦電型X線発生器 / 能動型X線分光計

Outline of Annual Research Achievements

焦電効果は温度変化によって強誘電体の表面に自発分極を生成する現象である。強誘電体を1 Pa程度の真空中で温度変化させると、分極によって電子が加速され、X線発生に利用できる。一方で、加速電子の発生する物理過程は詳細が不明であり、発生X線の強度は従来のX線管と比べると安定性が低いことが問題である。本研究の目的はX線発生のメカニズムの追求と高輝度・安定化である。
近年になって、酸化チタン化合物半導体と金属のショットキー接合部で誘電体の10倍以上の焦電効率を示すことが明らかになった。この反応は従来の誘電体による焦電効果とは分極生成の物理過程が異なるため、これを利用したよるX線発生を調査することで電子生成の物理過程解明を目指した。しかしながら、ショットキー接合に現れる焦電効果ではX線の発生を確認することができなかった。この原因として、焦電効果で生成した分極がX線発生に十分でなかったことが考えられる。すなわち、ショットキー接合は強誘電体よりも高い効率で分極生成をする一方で、接合部に保持できる分極の上限が強誘電体と比べると小さい。
従来のLiTaO3結晶を用いた実験も行った。ターゲット電極周辺の構造が放電現象に寄与する影響を実験的に調査し、電極支持板が結晶の半径に対して十分大きい時には大規模な沿面放電が有意だったのに対し、支持板が小さくなると結晶と指示板の間で起こる放電現象（CT-MT放電）が有意となった。大規模な沿面放電では分極のほとんどすべてが失われ、そのタイミングでX線発生が停止する。一方、CT-MT放電が起こると瞬間的にX線強度が高くなるが、損失分極の一部はX線発生に寄与しないため放出率は低くなった。よって、放電現象を抑制することで将来的に焦電型Ｘ線発生器PXGの高輝度・安定化につながると予想される。これまでの実験で得られた最適な構造を反映し、X線発生器の試作機を作成した。