分子のすき間の大きさを精密に測定できる高速デジタル計測システムを開発――機能性材料の性能向上に期待 産総研とテクノエーピー

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開発した計測システムの構成(左)、計測モジュール(右)

産業技術総合研究所(産総研)は2019年5月8日、テクノエーピーと共同で、陽電子で薄膜中の分子のすき間を測る実用レベルの高速デジタル計測技術を開発したと発表した。

機能性薄膜材料において、分子の通り道となるナノメートル以下のすき間(サブナノ空間)は性能の決め手になることから、サブナノ空間のサイズを評価できる技術が求められていた。

一方、陽電子は材料中に打ち込まれると電子と対で消滅して光が発生。このとき、陽電子がいる空間が大きいほど消滅するまでの時間(寿命)が長くなることから、陽電子ビームはサブナノ空間の大きさの評価に用いられている。特に、薄膜材料評価には低エネルギーの陽電子ビームが使われているが、従来はアナログ方式の電子回路で寿命を計測していたため、検出信号の数え落としや信号を寿命に変換する際のばらつきなどの課題があった。

陽電子寿命デジタル計測技術による高精度化

そこで、研究グループは今回、陽電子が消滅したときの信号を数え落としなくデジタル化。その上で、多数のタイミング信号の中から1つの陽電子の発生と消滅の組み合わせを高速に判定できるFPGAを新たに設計してデジタル信号処理回路にし、計測モジュールに組み込んだ。さらに、選別した陽電子の発生と消滅のデータセットから平均寿命を求めるための寿命分布を生成するオフライン解析コードを開発。これらを組み合わせた試作システムを開発した。

(a)筐体に組み込まれた計測モジュールと(b)陽電子ビームと組み合わせた外観

その結果、検出信号を寿命に変換するときのばらつき要因を排除するとともに、従来の約30倍の計数速度をもつ実用レベルの高速デジタル計測技術を実現。これらの成果から、テクノエーピーは、一連の陽電子寿命測定をワンタッチで計測できるシステムを開発した。

陽電子の寿命分布の測定例

今回の成果から、水処理用ろ過膜など各種機能性材料の開発など、ものづくり産業への貢献と競争力向上への寄与が期待できるという。研究グループは今後、開発した技術の、各国の民間企業や大学、研究機関への導入を目指すとしている。

なお、開発した技術を用いた計測システムは2019年5月からテクノエーピーにて受注販売を開始する予定だ。

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