12Tong abstract - KEK

PF 研究会
KEK Proceedings 2012-11
October 2012
M
KEK 低速陽電子実験施設における陽電子
回折研究および Ps ビーム研究の新展開
New Research Developments at KEK-Slow
Positron Facility
―Positron Diffraction and Ps Beam―
2012 年 10 月 3 日・4 日
高エネルギー加速器研究機構
兵頭俊夫 編
High Energy Accelerator Research Organization

High Energy Accelerator Research Organization (KEK), 2012
KEK Reports are available from:
High Energy Accelerator Research Organization (KEK)
1-1 Oho, Tsukuba-shi
Ibaraki-ken, 305-0801
JAPAN
Phone: +81-29-864-5137
Fax: +81-29-864-4604
E-mail: irdpub@mail.kek.jp
Internet: http://www.kek.jp

【目 次】
趣旨説明 兵頭俊夫(KEK-PF) ··················· 1
【基調講演】Low Energy Positron: An Ideal Particle for Studying Surface Structure ···················· 2
S. Y. Tong(South Univ. Sci & Tech., China)
反射高速陽電子回折の理論 一宮彪彦(名古屋大学・名誉教授)14
反射高速陽電子回折(RHEPD)の実験 深谷有喜(JAEA) ················· 16
ポジトロニウム負イオンとエネルギー可変ポジトロニウムビーム
長嶋泰之(東京理科大学) ······· 18
ポジトロニウム負イオン光脱離断面積の計算 五十嵐明則(宮崎大学) ··········· 21
TiO2 表面上からの陽電子刺激イオン脱離 立花隆行(立教大学) ··············· 23
放射光による表面電子分光と陽電子回折 松田巌(東居大学) ··················· 26
低速陽電子輝度増強技術と応用 藤浪真紀(千葉大学) ··············· 33
次期放射光源 ERL 計画の現状 河田洋(KEK-PF) ················· 35
KEK 物構研低速陽電子実験施設の現状 和田健(KEK-PF) ····················· 39
陽電子とスピントロニクス 河裾厚男(JAEA) ····················· 43
陽電子回折への期待 高橋敏男(東京大学) ··············· 46
陽電子による固体表面研究への期待 村田好正(東京大学・名誉教授) ··· 50
Outlook of the KEK-IMSS Slow Positron Facility 兵頭俊夫(KEK-PF) ················· 53
参加者リスト ··········································································································································· 57

tong.sy@sustc.edu.cn
Slow Positron Diffraction and Positron Holography
S Y Tong
Department of Physics
South University of Science and Technology
China
Abstract
In this paper, we compare and contrast the scattering properties of slow
positrons (20 eV to 300 eV) with that of low energy electrons. Particular
emphasis is placed on the suitability of slow positrons in studying surface
structure.
I. Introduction
It would be interesting to ponder why is the positron an ideal particle for
studying surface structure? It is understood that an ideal probe for studying
surface structure should have two basic attributes:
1) That the particle should have a very short mean free path (

2) Because positrons are repelled by the atomic nuclei, the scattering of
slow positrons by atoms resembles the Born approximation. See, for
example, Tong et al., PRL 69, 3654 (1992).
Figure 1 shows the scattering factor of electrons and positrons at 100 eV for
Cu.
(Figure 1)
- 3 -

II. Properties of Electron Scattering
The scattering factor of slow electrons by atoms contains strong angular
anisotropies [Tong et al. PRB 58,10815 (1998)]. Fig. 2 shows the electron
scattering factor of Ni at various energies.
(Figure 2)
- 4 -

III. Lester Germer: The Father of LEED
Born : Chicago, 1896
1917 graduated from Cornell
1927 discovered low energy electron diffraction with S. G. Davisson
I met Lester Germer in the fall of 1969 when I arrived at Cornell University
as a fresh postdoctoral associate. Germer at that time was a Fellow at
Cornell University. He has retired from Bell Labs and was 73 then.
Germer and I spent many Saturday afternoons in my office drinking the
bitter Carlsburg beer that he bought from India. Germer was looking for
someone to develop a multiple scattering theory of LEED and I was looking
for a new problem to work on. In March 1971, I published the first analysis
of LEED using a new multiple scattering theory that I developed [Tong and
Rhodin, PRL 26, 711 (1971)].
Germer was a vivid sportsman. He frequently walked from Ithaca to
Syracuse (74 km). Unfortunately, Germer died in October that same year
while he was rock climbing. I dedicated my essay “ Electron-diffraction for
surface studies- the first 30 years”, ed. C B Duke, North-Holland 1994 to the
memory of Germer, a true pioneer and my mentor in LEED.
IV. Origin of Electron Anisotropies
In 1998, I established two rules: For a given element, the maximum number
of dips in the scattering factor ∣f (θ)∣ for electrons, positrons or x-rays
equals (l+1) , where l is the highest bound orbital number.
At each dip of ∣f (θ)∣ , its phase jumps by near π. [Tong et al. Phys
Rev B 58, 10815, (1998)].
- 5 -

Fig 3 shows electron angular anisotropies for C, Si, Ga at 100 eV and Pb at
300 eV.
(Figure 3)
As there is no bound orbital for positrons and photons in atoms, there can be
no angular anisotropy in their scattering factor. Fig 4 shows the radial plot of
the magnitude of the scattering factor for electrons, positrons and photons at
- 6 -

1.3 Angstrom wavelength. For the radial scale, each circular ring is 0.25
angstrom. [Tong et al. Phys Rev B 58, 10815, (1998)].
(Figure 4)
V. Forward Focusing (Slow Electrons) vs Forward Shadowing (Slow
Positrons)
In the forward (zero angle) direction, the intensity enhancement factor is
given by [Poon and Tong PRB 30, 6211, (1984)]:
- 7 -

(Figure 5)
Because Re f(0) is positive for electrons,
χ electron (0) = 3.14
On the other hand, Re f(0) is negative for positron scattering,
[Li and Tong, Surf. Sci. Lett., 281, L347 (1993)].
- 8 -

(Figure 6)
VI. Linear LEED vs Linear LEPD
The linear method [Wander et al. PRB 46, 9897 (1992)] searches for a global
minimum in a “large” area (0.5Å x 0.5Å). It requires fully dynamical
calculations at nN structures rather than N n structures, where n is the number
of independent parameters and N is the number of variations considered in
each parameter.
The amplitude in the linear approximation is given by:
- 9 -

(Figure 7)
A test case for the linear method is the structure of the Si(111)-(2x1) pi-chain
model. There are:
Number of variables: 36
36x5 calculations vs 5 36 calculations (see fig 8).
(Figure 8)
How well does the linear method work for LEED vs LEPD? [S Y Tong SRL 7,
21 (2000)]. Fig 9 shows results of linear method vs fully dynamical method
for electrons (left) and positrons (right).
- 10 -

(Figure 9)
VII. Positron Holography: Inverting Experimental Data for Structure
Various forms of diffraction holography require that the scattering factor is
“isotropic” and no sharp jumps in its phase. [Tong et al. SRL 1, 303 (1994)].
- 11 -

(Figure 10)
Inversion of diffraction data [S. Y. Tong, Advances in Physics 1, 135, (1999)]
is given by:
- 12 -

(Figure 11)
The real space image for Cu(001) is shown in fig 12 [Tong et al. PRL 69,
3654 (1992)].
VIII. Conclusions:
(Figure 12)
Slow positron diffraction offers a number of unique properties, making this
technique supremely suitable for studying surfaces.
Eighty five years after the discovery of low energy electron diffraction and
twenty years after theoretical speculations about the merits of slow positron
diffraction, the research at KEK and other similar facilities around the globe
offer a long awaited “light” at the end of the tunnel.
- 13 -

Specular Intensity (arb. units)
RHEPD intensity from Si(111)(1x1)-H surface for 15keV positrons.
exp.
(d)
(c)
(b)
(a)
0 1 2 3 4 5
Glancing Angle (deg)
(d)
(c)
(b)
(a)
Si H
A. Kawasuso et al.
PRB61(2000)2102.
Temperature dependence of RHEPD
intensities from the Si(111)7x7
1
Fukaya et al. PRB 70, 245422 (2004)
Calculated intensities for surface Debye
temperature of 300K with bulk Debye
temperatures of 300K (black circle) and
600K (white square).
At the total reflection condition, glancing
angles θare 1.0 and 1.6, intensities are
mostly the same for different bulk Debye
temperatures, but out of the region, θ=
3.5, the intensities depend largely for the
bulk Debye temperatures.
Structural analysis of Si(111)7x7 surface
by RHEPD pattern
Total reflection positron diffraction pattern
from Si(111)7x7 surface
K.Hayashi et al.
Surf. Sci. 600, 4426 (2006)
Experimental Result and Dynamical Calculation Result
519-beam calculation
Diffraction spots
Experimental
intensities of
diffraction spots
Calculation
using bulk
atomic
potential
R=7%
Calculation
using modified
potential
R= 4.4%
A ad=1.2
A rest=0.6.
3
5
Good agreement
Good agreement
Modified potential: Electron distributions of adatoms are expanded
7
and those of rest atoms are compressed.
- 15 -
E
eV B
eV A
by adsorbed layer.
Total reflection region
Adsorbed
layer
Dip appears.
z
Bulk
A dip appears at the total
reflection region for
bulk layers due to
absorption effect in the
adsorbed layer.
Temperature dependence of RHEPD
intensities from the Si(111)7x7
Experimental results
Fukaya et al. PRB 70, 245422 (2004)
Surface Debye Temperature:
310 K
Root mean square of atomic vibration amplitude:
0.014 nm at room temperature.
0.025 nm at surface phase transition temperature
of Si(111) at about 1000 K.
Spot profiles of the TREPOD pattern.
Gaussian decomposition
Bulk Debye Temperature:
600 K
Root mean square of atomic vibration amplitude:
0.02 nm at boiling temperature of silicon.
4
Electron distributions of adatoms and rest atoms on the
Si(111)77 surface are determined by the intensity analysis
of the RHEPD pattern using the modified potential.
Compressed electron distribution (roughly 20%)
or a little more electrons (a little ionized).
2
Zero Laue zone
1/7 Laue zone
Expanded electron distribution
(roughly 10%)
6
8

反射高速陽電子回折の実験
Reflection high-energy positron diffraction (RHEPD): Experiment
深谷有喜 1 ,前川雅樹 1 ,望月出海 1 ,和田健 2 ,兵頭俊夫 2 ,河裾厚男 1
Yuki Fukaya 1 *, Masaki Maekawa 1 , Izumi Mochizuki 1 , Ken Wada 2 , Toshio Hyodo 2 , and
Atsuo Kawasuso 1
1 Advanced Science Research Center, Japan Atomic Energy Agency, Takasaki, Gunma 370-1292, Japan
2 Institute of Material Structural Science, Tsukuba, Ibaraki 305-0801, Japan
*e-mail: fukaya.yuki99@jaea.go.jp
1. はじめに
反射高速陽電子回折(RHEPD)法は、10-
20 kV に加速した陽電子ビームを結晶表面に
低角度で入射させ、回折した陽電子の強度
分布から表面の原子配列を決定する手法で
ある。RHEPD では、陽電子がプラスの電荷
を持つことにより、最表面で全反射回折を
起こすことが最大の特徴である[1]。この全
反射回折を利用すると、最表面の原子配列
や熱振動状態をバルクの影響なしに知るこ
とができる。1992 年、一宮により表面研究
における RHEPD 法の有用性が理論的に指摘
された[1]。この有用性を実証するために、
我々は 22 Na 線源を用いて RHEPD 装置の開
発を行い[2-4]、様々な表面超構造の原子配
置[5]や相転移メカニズム[6,7]、また最表面
原子の熱振動状態[8]や、表面プラズモン励
起過程[9]の解明に適用してきた。
RHEPD 法の更なる高度化を目指し、2010
年より、高エネルギー加速器研究機構
(KEK)の低速陽電子実験施設(SPF)にお
いて、電子線形加速器(LINAC)を利用し
た新たな RHEPD 装置の開発に着手した[10]。
始めに、コリメーターを用いたビーム形成
を行い、従来の線源法に比べ約 14 倍の反射
強度を得ることに成功した[11]。2012 年より、
入射陽電子ビームの高輝度化を図るため、
陽電子の再放出現象を利用した輝度増強法
の開発に着手した。これにより、LINAC を
用いて生成した高強度陽電子のエネルギー
単色化と平行化を行い、結果として、
Si(111)-7×7 表面からの鮮明な回折パターン
と従来の 44 倍の反射強度を得ることに成功
した。
2. 実験
実験は、高エネルギー加速器研究機構
(KEK)低速陽電子実験施設(SPF)にて行
った。高強度の陽電子ビームは、LINAC を
用いた対生成により発生させ、ヘルムホル
ツコイルを用いて RHEPD チャンバーまで輸
送させた。回折パターンは、マイクロチャ
ンネルプレートと CCD カメラを用いて撮影
した。ロッキング曲線は、マニピュレータ
ーを用いて試料を 6.0°まで 0.1°間隔で回転さ
せることにより測定した。
- 16 -
本研究では、テスト基板として Si(111)表
面を用いた。Si(111)表面は表面科学の分野
で標準的な試料であり、清浄表面では 7×7
超構造を形成するため、超構造由来の多数
の回折スポットが発現する。これらの微弱
な回折スポットを観測できることが、本実
験装置の性能をはかるのに必要である。
Si(111)基板は鏡面研磨された n 型の Si(111)
ウエハー(比抵抗:1-10 Ωcm)から短冊状
に切り出したものを使用した。超高真空チ
ャンバー内にて、1200 °C で数回フラッシン
グを行うことにより、Si(111)-7×7 清浄表面
を得た。
3. 結果と考察
3.1 陽電子ビームの高輝度化
RHEPD 強度の高精度測定には、入射陽電
子ビームの高いフラックスに加えて、エネ
ルギー幅の低減が要求される。本研究では、
陽電子の再放出現象を利用して、陽電子ビ
ームのエネルギー幅の大幅な低減を図った。
電子の反粒子である陽電子にとって、結
晶の仕事関数が負となるものが存在する。
例えば、タングステン(W)薄膜に陽電子
が打ち込まれると、熱振動と同程度のエネ
ルギーまで減速した後、真空中に自発的に
放出される。その再放出陽電子を目的の電
圧まで加速させることにより、単色化した
陽電子ビームを得ることができる。
始めに、再放出陽電子の引き出しと収束
を行う 3 段の電極から構成される輝度増強
チャンバーを作製し、RHEPD チャンバーの
前段に設置した。10 kV に昇圧させた W 薄
膜(厚さ 100 nm)に 15 kV の陽電子ビーム
を入射させ、ガイド磁場から解放された陽
電子ビームの強度、ビーム径、エネルギー
幅などの特性評価を行った。エネルギー分
析器を導入し、輝度増強後の陽電子ビーム
のエネルギー幅を測定した。結果として、
10 keV のビームエネルギーに対して、輝度
増強前で半値幅 110 eV であったエネルギー
幅が、輝度増強後では 8 eV まで大幅に低減
することができた。可干渉距離はエネルギ
ー幅に反比例するため、この結果は可干渉
性が約 14 倍向上したことに対応する。また、
輝度増強後の陽電子ビームのフラックスと

Fig. 1 RHEPD pattern for the Si(111)-7×7 surface
measured by using a new RHEPD apparatus with bright
and intense positron beam based on the LINAC at the
Slow Positron Facility, KEK. The incident azimuth of
the positron beam corresponds to the [ 11 2 ] direction.
The glancing angle is set at 2.2°. The indexes at the right
hand side indicate the Laue zone. The pattern shows the
superimposition of the left and right parts.
ビーム径はそれぞれ 10 5 e + /sec 台、0.9 mm
(半値幅)と見積もられた。
3.2 回折パターンとロッキング曲線
輝度増強後の陽電子ビームの特性評価後、
実際の回折パターンの測定を行った。図 1
は、今回開発した高輝度 RHEPD 装置を用い
て測定した、Si(111)-7×7 表面からの RHEPD
パターンである。これまでの線源を用いた
RHEPD 実験では観測することのできなかっ
た、高次の分数次スポットを観測できるよ
うになった。
図 2 は、Si(111)-7×7 表面からの RHEPD ロ
ッキング曲線の測定結果である。比較のた
め、以前の線源法を用いて測定した Si(111)-
7×7 表面からの RHEPD ロッキング曲線も示
した。RHEPD 強度は、測定時間で規格化し
たものを示している。今回の高輝度化した
陽電子ビームを用いて測定したロッキング
曲線は非常にスムースであり、全反射領域
や低視射角の 111 ブラッグピークに加え、
高い視射角領域にある強度の弱い 333、444、
555 ブラッグピークも精度よく測定すること
ができた。今回得られた反射強度は、線源
法の 44 倍に達した。現在、陽電子ビームの
収束性の向上などを行い、輝度の更なる向
上を目指している。
今後は、この高輝度化した陽電子ビーム
を用いて、表面科学分野で重要な表面構造
の解明に適用するとともに、陽電子の単純
な散乱過程を最大限に利用して、回折強度
分布から実空間の原子座標を得る、表面超
構造の直接決定法を開発する予定である。
References(参考文献)
[1] A. Ichimiya: Solid State Phenom. 28&29, 143
(1992/93).
[2] A. Kawasuso and S. Okada: Phys. Rev. Lett. 81,
2695 (1998).
- 17 -
RHEPD intensity (arb. units)
Total 111
reflection 222
333
444
555
0 1 2 3 4 5 6
Glancing angle (deg)
Fig. 2 RHEPD rocking curves of specular spots for the
Si(111)-7×7 surfaces measured by using a 22 Na- and
LINAC-based RHEPD apparatus. The incident azimuth
of the positron beam corresponds to the [ 11 2 ] direction.
The indexes at the top of the figure denote the positions
of the Bragg reflections. The critical angle for total
reflection is estimated to be 2.0° via Snell’s law.
[3] A. Kawasuso, Y. Fukaya, K. Hayashi, M.
Maekawa, S. Okada, and A. Ichimiya: Phys. Rev. B
68, 241313 (2003).
[4] A. Kawasuso, T. Ishimoto, M. Maekawa, Y.
Fukaya, K. Hayashi, and A. Ichimiya: Rev. Sci.
Instrum. 75, 4585 (2004).
[5] Y. Fukaya, A. Kawasuso, and A. Ichimiya: Surf.
Sci. 600, 3141 (2006).
[6] Y. Fukaya, A. Kawasuso, and A. Ichimiya: Phys.
Rev. B 75, 115424 (2007).
[7] Y. Fukaya, M. Hashimoto, A. Kawasuso, and A.
Ichimiya: Surf. Sci. 602, 2448 (2008).
[8] Y. Fukaya, A. Kawasuso, K. Hayashi, and A.
Ichimiya: Phys. Rev. B 70, 245422 (2004).
[9] Y. Fukaya, A. Kawasuso, and A. Ichimiya: Phys.
Rev. B 79, 193310 (2009).
[10] 課題番号:2010G652、実験責任者:深谷
有喜、課題名:高輝度陽電子ビームを用いた
反射高速陽電子回折実験
[11] K. Wada, T. Hyodo, A. Yagishita, M. Ikeda, S.
Ohsawa, T. Shidara, K. Michishio, T. Tachibana, Y.
Nagashima, Y. Fukaya, M. Maekawa, and A.
Kawasuso: Eur. Phys. J. D 66, 37 (2012).

Positronium negatives ion and an energy-tunable
positronium beam
Y. Nagashima
Tokyo University of Science, Japan
(Ps )
e e + e
H
Ps
e Ps 0.33eV
37.13eV
e + e 5.5a 0
479ps
2
Ps
(By coating alkali metals onto the surface,
the efficiency increases dramatically.)
~ 1.5%
Ps
Effect of alkali metal coating for the Ps emission
Change of for tungsten by alkali metal coating
Kiejna and Wojciechowski,
Prog. in Surf. Sci. 11 (1981) 293
D
Ps
2
D
D decreases by alkali metal coating
due to the surface dipole reduction.
2
D 7.
13eV
Ps
The fraction of conduction electrons
available for the Ps production increases.
Ps
Ps emission efficiency increases.
- 19 -
Ps
The energy required for Ps emission
e
2 7.
13eV
Ps
e +
Ps 3
(The energy required to break up
Ps into three isolated particles)
(W) 1eV
Ps
Ps
(Ps is emitted from the surface spontaneously.)
< 0.01%
e e
Energy levels of e and e + near metal surface
D
D
e e +
(Achcroft and Mermin) (Schultz and Lynn, Rev. Mod. Phys. 60 (1988) 701)
e : e +
D
:
D
e
D
e +
Ps
2
2 7.
13eV
Ps
D
:
Ps
Effect of alkali metal coating for the Ps emission
NaPs
Na is the best alkali metal
for the Ps production.
carbon foil
clean W
Terabe, Michishio, Tachibana and Nagashima, New J. Phys. 14 (2012) 015003

Ps
Ps
Ps photodetachment experiment
e + :
(KEK Linac)
12ns
50pps
:
Q-switched Nd: YAG
(Spectra Physics GCR290)
1064nm
(1.165eV)
12ns
25pps
10W
(Michishio, Tachibana, Terabe, Igarashi, Wada, Hyodo, Kuga, Yagishita, Hyodo and Nagashima
Phys. Rev. Lett. 106 (2011) 153401)
Ps Ps
Detection of Ps produced by the Ps photodetachment
Michishio et al.,
Appl. Phys. Lett. 100 (2012) 254102
Ps
Application of the energy tunable Ps beam
Grazing Incidence Fast Ps Diffraction (GIFPsD)
or Reflected High Energy Ps Diffraction (RHEPsD)
Insulator
?
,
m Ps

(Calculation of the photo-detachment cross sections of Ps- )
(outline)
1. (Theory)
1.1 1.1 12
12
(One andtwophotodetachment)
1.2
(Atomic (Atomicorbitalclosecouplingmethod)
orbital close coupling method)
(Results)
21O 2.1Onephotondetachmentcrosssection
h t d t h t ti
2.2Twophotondetachmentcrosssection
(Univ (Univ. of Miyazaki, Miyazaki Akinori Igarashi )
Igarashi,Shimamura,Toshima
Michishio etal.
NJPhys2 N.J.Phys.2 17 17(2000) (2000) Phys.Rev.Lett.106,153401(2011)
y , ( )
9
- 22 -
Summary
8
13

TiO 2 表面上からの陽電子刺激イオン脱離
Positron stimulated ion desorption from TiO 2(110)
立花隆行 1 *、平山孝人 1 、長嶋泰之 2
Takayuki Tachibana 1 , Takato Hirayama 1 *, and Yasuyuki Nagashima 1
1
Department Physics, Rikkyo University, 3-34-1 Toshima, Tokyo 171-8501, Japan.
2
Department Physics, Tokyo University of Science, 1-3 Kagurazaka, Shinjuku, Tokyo 162-8601, Japan
We observed positron stimulated ion
desorption from TiO2 (110). Desorbed O +
ions were detected at an incident energy
below the threshold for electron stimulated
O + desorption. This result suggests that the
O + ion desorption were induced by the
positron-electron annihilation on the surface
of TiO2.
固体表面に低速の電子線や真空紫外光
が入射したとき、表面を構成する原子や分
子、あるいはイオンが真空中に脱離するこ
とがある。この現象は電子遷移誘起脱離
(DIET: Desorption Induced by Electronic
Transitions) と呼ばれ、表面近傍での電子
的な励起が緩和に至るまでの動的過程の
理解を目的として、そのメカニズムの解明が
進められてきた。
一方、低速陽電子が固体に入射すると、
その一部は熱化した後に表面まで到達し、
表面原子の電子と対消滅をすることがある。
対消滅の相手となるのは伝導電子や価電
子である割合が高いが、内殻電子とも消滅
をする。この結果、対消滅後には表面原子
のイオン化や、内殻正孔生成からオージェ
崩壊を経由した多電子励起状態が形成さ
れることになる。すなわち、陽電子と固体と
の相互作用に特有のDIETが引き起こされ
る可能性がある [1]。本研究では、低速の
陽電子ビームをTiO2(110)に入射し、飛行
時間法を用いて試料表面から脱離するイ
オンの観測をおこなった。陽電子ビーム源
には、東京理科大学の低速陽電子発生装
置を用いた。試料には、電子線や光子入
射によるDIETの機構が よく理解されてい
る [2] TiO2(110)を用いた。
測定結果を Fig. 1 に示す。図中に表記し
た値は陽電子の入射エネルギーである。各
*e-mail: tachibana (at) rikkyo.ac.jp
- 23 -
スペクトルは、測定時間と消滅γ線のカウ
ント数で規格化をしてある。2.4μs 付近に確
認出来るピークは、飛行時間から O + イオン
の信号であることがわかった。
電子線照射の場合、O + イオンが脱離す
るための入射エネルギー閾値は~34eV で
あることが知られている [2]。今回それより
低い陽電子入射エネルギーでも O + イオン
の脱離が観測された。この結果は、陽電子
-電子対消滅によって O + イオンの脱離が
誘起されたことを示唆する。
Signals (arb. units)
0
O +
2
TOF (µs)
4
103eV
58eV
33eV
26eV
24eV
Fig. 1 TOF spectra of desorbed ions from TiO 2 (110)
References(参考文献)
[1] Y. Terashima, et al.: J. Phys. C, 14, L349 (2002).
[2] Lee, Z. Zhang, and J.T. Yates Jr.: Phys. Rev. B 79,
081408(R) (2009).
6

•
- -
•
1Auger
•
•
- 24 -
- -
• 20121
• 201211
KEK
(1) Excitation
Ionization
•
•
(2) Decay
(3) Desorption
•
2
• 105 e + / s
•
•

Si wafer
TiO 2 (110)
Mo holder
TiO 2 (110)
60@800
MCP
target
TiO 2(110)
yields
Deflector
O +
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
0 40 80 120
positron energy (eV)
O +
•
•
O +
•
•
•
•
•
O +
•
•
•
- 25 -
TiO 2(110)
E=103eV
33.6eV 1)
Ti (2s), Ti (2p), Ti (3s) ,Ti (3p), O (1s)
2)
Signals (arb. units)
0
H +
•
e -
(eV)
1) M.L. Knotek and Peter J. Feibelman, PRL., 40 (1978) 964
2) S. Tanaka et al., Surf. Sci, 451 (2000) 281
TIO 2(110)
O +
1 2 3 4
TOF (μs)
400eV
24eV
OH +
•
•
O +
•
•
•
KEK
B, 23750023
5

scanning tunneling microscopy, reflection highenergy
positron diffraction and angle resolved
photo-emission spectroscopy, Izumi Mochizuki,
Yuki Fukaya, Atsuo Kawasuso, Ken Wada,
Toshio Hyodo, Koichiro Yaji, Ayumi Harasawa,
and Iwao Matsuda, Phys. Rev. B, accepted.
7. Development of soft X-ray time-resolved
photoemission spectroscopy systemwith a twodimensional
angle-resolved time-of-flight
analyzer at SPring-8 BL07LSU, Manami Ogawa,
Susumu Yamamoto, Yuka Kousa, Fumitaka
Nakamura, Ryu Yukawa, Akiko Fukushima,
Ayumi Harasawa, Hiroshi Kondo, Yoshihito
Tanaka, Akito Kakizaki, and Iwao Matsuda, Rev.
Sci. Instrum. 83, 023109-1, 023109-7 (2012).
- 27 -

Studies on surface systems by using electron spectroscopy
with synchrotron radiation and positron diffraction
Iwao Matsuda
:
The Institute for Solid State Physics,
The University of Tokyo,
JAPAN
合金(Metal Alloy)
electron/atom ratio of electron compounds
Alloys fcc bcc hcp
Hume-Rothery phase
Cu-Zn 1.38 1.48 1.58-1.66 1.78-1.87
Chapter 21, C. Kittel,
Cu-Al 1.41 1.48 1.63-1.77
“Introduction to Solid State Physics”,
Cu-Si 1.42 1.49
(1996)
Ag-Cd 1.42 1.50 1.59-1.63 1.65-1.82
A close relation between the Fermi surface and the Brillouin zone
(electron/atom) (the crystal structure)
Two competing theoretical model
Jones theory vs Pseudopotential approach (Pair potential interpretation)
Jones theory for alloying
Cu 5Zn 8
(-brass)
FE
NFE
Formation of metal alloys
of the electron compounds
Any metallic surface superstructure with
electron compound nature?
2-D Square lattice
Fermi ring
(2e
2-D Hexagonal lattice
- /cell)
Reduction of electrons at the highest kinetic energy
FE: Free Electron model, NFE: Nearly Free Electron model
NFE Pseudo-gap
FE
Fermi wavenumber,
Fermi surface
Crystal structure
2e - /cell
=> Metallic
2e - /cell
Insulating
Complete gap-opening
Not pseudo-gap!!
- 28 -
Physical properties at a surface
Surface atomic structure Surface electronic structure
Diffraction Spectroscopy
陽電子回折 Positron Diffraction 光電子分光 Photoemission spectroscopy
Mystery of the 2-D ordered metal alloy on a surface
Introduction of our time-resolved photoemission station
at synchrotron radiation facility
合金(Metal Alloy)
Pair potential interpretation
(long-range interaction mediated by conduction electrons)
w: individual ion
pseudopotential
2 2
*
k
S ( q)
S(
q)
k | w | k q k q | w | k
E(
k)
k | w | k
2 2
2
2m
q / 2m[
k ( k q)
]
Band structure energy Ebs =ΣS(q)*S(q)F(q)
Fourier Transform
1
1
E bs Vpair
( ri
rj
) F(
q)
2N
i
j
N q
Ion-pair potential(structure dependent)
2
sin( 2k
V pair ( ri
rj
) F(
q)
exp( iq
(
ri
rj
))
Fd
2δ
F )
V
N
3D
3
i
j
( kF
d)
Ion pair-interaction via the 3-D Friedel oscillation
Surface Metal Alloy (2-D Metal Alloy) on Semiconductor Substrate
Ag: 1ML Ad: 0.1~ 0.2ML
Si(111)7×7
Si(111)√3×√3-Ag
470~870K < 200~300 K
Si(111)√3×√3-Ag
Si(111)√21×√21-(Ag, Ad)
2012/10/04
Si(111)√21×√21-(Ag, Ag)
1

(c)
(b)
(a)
the order of 100 cal/mol
for noble metal alloys
Prog. Mat. Sci. 22, 151 (1978).
k x (Å -1 )
Electron doping
Surface Metal Alloy (2-D Metal Alloy) on Semiconductor Substrate
The √21×√21 phase on Si(111)
Initial surface phase adatom formation total a number of
(coverage) (coverage) temperature coverage valence electrons
I. Matsuda, T. Hirahara et al., Phys. Rev. B71, 235315 (2005).
2-D surface phase
Fermi surface
√3×√3-Ag (1.0 ML) Au (0.1~0.2ML) LT
√3×√3-Ag (1.0 ML) Ag (0.1~0.2ML) LT
1.1~1.2 ML 3/unit cell [1]
1.1~1.2 3 [2]
√3×√3-Ag (1.0 ML) Na (0.1~0.2ML) LT 1.1~1.2 3 [2]
0.2
Si(111)√3× √ 3-Ag
√3×√3-Ag (1.0 ML) K (0.1~0.2 ML) LT 1.1~1.2 3 [3]
0.0
√3×√3-Ag (1.0 ML) Cs (0.1~0.2 ML) LT
√3×√3-Au (~0.9 ML) Ag (0.2~0.3 ML) HT
1-D surface phase
1.1~1.2 3 [3]
1.1~1.2 3 [4]
-0.2
5x2-Au (0.4~0.5 ML) Ag (~0.7 ML) HT 1.1~1.2 3 [5]
0.2
3x1-Ag (0.3ML) Au(0.8ML) HT 1.1~1.2 3 [6]
k x (Å -1 )
k x (Å -1 )
0.0
-0.2
0.2
Si(111)√21× √ 21-Ag
0.0
-0.2
E F1
0.0
0.5 1.0
ky (Å-1 )
Jones theory for surface (2-D) alloying
Energy difference = ∫ E•DOSNFE (E)dE - ∫ E•DOSFE 0
(E)dE
0
E F2
NFE Energy FE Energy
-100 meV /unit cell
(- 51 cal/mol)
Energy stabilization but the minimum
at two electrons (insulating)
1.5
-65 meV,
(- 33 cal/mol)
Photoemission
Fermi surface of a √21×√21
Free electron surface (ring)
The crystal phase has the constant electron/atom ratio
electron compound nature
[1] J. N. Crain et al., Phys. [2]I. Matsuda et al., Phys. [3]H. M. Zhang et al.,Phys. [4]J. Yuhara et al., Surf. [5] I. Matsuda et al., Phys.
Rev. B 66, 205302(2002). Rev.B 71, 235315 (2005). Rev. B 70, 245301 (2004). Sci. 326, 133 (1995). Rev B 82, 165330 (2010).
Pair potential interpretation
Ion pair-interaction via the 2-D Friedel oscillation
band structure energy:
n=1 : kF=0.153[Å-1 ]
n=2 : kF=0.216[Å-1 ]
n=3 : kF=0.265[Å-1 kF ]
n: electrons/unit cell
d(d’)
Distance between two
adatoms
(up to the 11 th nearest
neighbors)
Structure analysis of the √21x√21 phase Positron Diffraction
Ag: 1ML Ag: 0.1~ 0.2ML
Si(111)7×7
Si(111)√3×√3-Ag
470~870K LT
J. Nogami et al,
SS 306 (1994) 81.
X. Tong et al,
PRB55(1997)1310.
A. Ichimiya et al,
SRL1(1994) 1
H. Tajiri et al,
SS493(2001)214
大きな銀三角格子
7箇所
Siトリマー
7箇所
吸着可能位置数:21箇所
吸着原子数 :3~5個
Si(111)√21×√21-(Ag, Ag)
小さな銀三角格子
7箇所
21C 3=1330通り
21C 4=3990通り
21C 5=20349通り
- 29 -
Δ
K
M
kF 2012/10/04
√21×√21
SBZ
[6] F. Nakamura et al.,
submitted.
2sin(
δF
) 2 sin( 2kF
d 2δ
F )
ε
F ( )
π ( k d)
E 2
ionpairs F
the √21x√21 phase
Photoemission Fermi surface mapping
Structure analysis
the √3x√3 phase
2

Positron Diffraction
RHEPD intensity (arb. units)
TR
(222)
(111) (333) (444)
: exp
: cal
(0 0)
(1/3 1/3)
(2/3 2/3)
0 1 2 3 4 5
Glancing angle (deg)
6
吸着サイト: 大きな Ag三角格子
吸着数 : 3箇所
Model 1 Model 2 Model 3
Model 4 Model 5
5通りが選別されるが
有意差はない
Ag
Si
Positron Diffraction
__ __
(20/21 17/21)
-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5
Position in the 1/7-th Laue zone(Å -1 )
Positron Diffraction Positron Diffraction
RHEPD intensity (arb. units)
-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5
Position in the 1/7-th Laue zone(Å -1 )
Positron Diffraction
RHEPD
X-ray (SS01)
STM (SS98)
STM (SRL94)
STM (SS94)
EXPR
Y.Fukaya et al. e-J. Surf. Sci. Nanotech. 7, 432 (2009).
Compatible
最適構造をもとに計算した
陽電子回折強度分布
Not compatible
STMやXRDにより決定され
た構造から計算した回折
強度分布
- 30 -
Diffraction intensity (arb. units)
(20/21 17/21)
Model
No.
5
4
3
2
1
exp.
トップAg
下地Ag層
Au:
0.4~0.5ML
Si(111)7×7
790K
Si(111)5×2-Au
Ag: 0.6~ 0.7ML
HT
Core-level photoemission spectra
Y.Fukaya et al. Surf. Sci. 606, 919 (2012).
1/7th Laue-zone
1 nm
2012/10/04
下地Si層
Y.Fukaya et al. Surf. Sci. 600, 3141 (2006).
Si(111)√21×√21-(Ag, Au)
3

Positron Diffraction
Ag: 1ML Cs: 0.1~ 0.2ML
Si(111)7×7
Si(111)√3×√3-Ag
470~870K LT
Δ
Pair potential interpretation
band structure energy:
2sin(
δF
) 2 sin( 2kF
d 2δ
F )
ε
F ( )
π ( k d)
E 2
ionpairs F
δ F=0.46
π
δ F=0.63
π
Standing wave around a Ag nanocluster
(a precursor of the √21×√21-Ag phase)
東大物性研 長谷川幸雄研
Si(111)√21×√21-(Ag, Cs)
Y.Fukaya et al. Surf. Sci. accepted.
k F=0.265(n=3)
Minimum
at 3 e - /unit cell
- 31 -
Pair potential interpretation
Ion pair-interaction via the 2-D Friedel oscillation
band structure energy:
Δ
2sin(
δF
) 2 sin( 2kF
d 2δ
F )
ε
F ( )
π ( k d)
E 2
ionpairs F
Alkali metal adatom Noble metal adatom
Phase shift analyses
Alkali metal adatom
δF=0.46π Friedel sum rule, s-wave, +1 charge:
δ F=0.5π
Cs/Cu(111),
Th von Hofe et al. Phys. Rev B 73 245434 (2006).
δ F=(0.43±0.08)π
Noble metal adatom
δF=0.63π Standing wave around a Ag nanocluster
(a precursor of the √21×√21-Ag phase)
Phase shift analyses
Alkali metal adatom
δF=0.46π Distance from Ag adatom [Å]
STM
√21×√21-Ag domain
and Ag nanoclusters
on √3×√3-Ag/Si(111)
2012/10/04
n=1 : kF=0.153[Å-1 ]
n=2 : kF=0.216[Å-1 ]
n=3 : kF=0.265[Å-1 kF ]
n: electrons/unit cell
d(d’)
Distance between two
adatoms
(up to the 11 th nearest
neighbors)
C. Liu et al., Phys. Rev. B 74, 235420 (2006).
Friedel sum rule, s-wave, +1 charge:
δF=0.5π Cs/Cu(111),
Th von Hofe et al. Phys. Rev B 73 245434 (2006).
δF=(0.43±0.08)π STM
√21×√21-Ag domain
Noble metal adatom
and Ag nanoclusters
δF=0.63π on √3×√3-Ag/Si(111)
Standing wave around a Ag nanocluster
(a precursor of the √21×√21-Ag phase)
sin( δ)
LDOS ( ) cos( 2kd
δπ
)
2πkd
δ=(0.61±0.05)π
C. Liu et al., Phys. Rev. B 74, 235420 (2006).
STS
4

The √21×√21 phases, prepared by eight different procedures, show the constant number of
total metal coverage and a number of valence electron, showing surface electron compound
nature.
The Anderson’s idea and the Jones model do find electron stability by the surface
superstructure formation. However, they fails to explain a number of valence electrons and
the experimental band feature.
The pair potential interpretation (the pseudopotential approach) explains all the experimental
results, indicating importance of medium-range interatomic interaction, mediated by the 2-D
surface-state electrons.
The √21×√21 superstructure model
Alkali metal adatom Noble metal adatom
scattered surface
electron wave
surface
electron wave
adatom
phase shift,
I. Matsuda et al., Phys. Rev. B 82, 165330 (2010).
δF=0.46π ns1 δF=0.63π (n-1)d10ns1 - 32 -
Acknowledgements
Y. Fukaya, A. Kawasuso, and A. Ichimiya
2012/10/04
5

低速陽電子輝度増強技術と応用
Brightness Enhancement for a Positron Microprobe and Its Applications
藤浪真紀
M. Fujinami
Dept. of Applied Chemistry & Biotechnology, Chiba University, Yayoi, Inage, Chiba 263-8522, Japan
*e-mail: fujinami(at)faculty.chiba-u.jp
Brightness enhancement is an essential
technique for a formation of a positron
microprobe. We have installed the positron
microprobe and constructed a transmission
positron microscope at KEK. In this talk,
the strategy and the performance are given.
Further, the idea on the positron optics for
low energy positron diffraction is discussed.
加速器を利用して陽電子を発生すると
10 6 e + /s と高強度ではあるが,そのビー
ム径は数十 mm となる。したがって,そ
の有効利用のためには輝度増強は必須で
ある。“輝度増強”とは,径を小さくしつ
つ発散角を小さくするという輝度保存則
を克服することである。これは陽電子が
いくつかの物質に対して負の仕事関数を
もつという特有の性質に由来する。表面
近傍 100 nm 付近で熱化した陽電子は,
仕事関数の絶対値(半値幅は熱エネルギ
ー程度)で法線方向に自発的に再放出さ
れる。本発表では,数年前に KEK の低
速陽電子実験施設に設置した輝度増強光
学系とそれを利用した透過型陽電子顕微
鏡(Positron transmission microscope, TPM)
の成果を報告する。さらに,低速陽電子
線回折(Low energy positron diffraction,
LEPD)のための光学系を提案する。
KEK の陽電子ビームは最高で 35 keV
のエネルギーで静磁場中を約 25 mm のビ
ーム径で輸送される。マイクロビーム化
には輸送用静磁場から陽電子を切り離し,
輝度増強用再減速材に照射し,放出した
陽電子を静電場輸送に変換する必要があ
る。輝度増強には 150 nm 厚の Ni(100)単
結晶を用いて,透過型再減速材方式を採
用した。それにより光学系の単純化,開
発期間の短縮,コスト低減が図られた[1]。
磁場からの陽電子ビームを引き出す際,
焦点位置を透過型再減速材 Ni 薄膜とす
る磁界レンズを利用するこ。それにより
引き出しと集束を同時に達成できる。磁
場を打ち消すために,輸送用ヘルムホル
ツコイルにおいて最終のヘルムホルツコ
イルでは逆方向の磁場を発生するように
する。これは磁界レンズの集束条件を最
適化する効果もあり,35 keV で輸送され
た陽電子ビームを 1/10 の 3 mm 程度に集
- 33 -
束し,磁場フリー領域に取り出すことが
できた。
透過型再減速材利用に必須の条件は,
欠陥や不純物を除去するための高温アニ
ールと表面の清浄化である。そこで,い
ったん高温でアニールし,その後ビーム
ラインの真空装置内で原子状水素処理を
行った。膜厚が 150 nm であると,陽電
子の入射エネルギーや拡散距離を考慮す
ると,5 keV 程度の入射が適当である。
予備実験の結果では,当初の効率は 15%
で,数日で約 10%まで低下したが,その
後は低下はせず安定していた。陽電子は
35 keV 輸送されるので,再減速材 Ni 薄
膜を 30 keV に印加した。
再減速材から垂直方向に再放出された
陽電子は,引出電極,集束電極,加速電
極から構成された静電レンズで静電輸送
される。集束電極電位を調整することに
より 30 keV TPM のクロスオーバー位置
にコリメートビームで入射される。本装
置では,電子銃も 90°方向に取り付けら
れ,磁気プリズムを用いて同一のクロス
オーバー位置を形成でき,透過陽電子像
と電子像を比較できるようにした。両者
の透過像や回折パターンは MCP により
検出した。平成 20 年当時の KEK 低速陽
電子実験施設のビーム強度において 10
時間かけて 10,000 倍の透過像,1 時間程
度で回折パターンが取得できた。電子像
との比較を試みたが,その程度の倍率で
は明瞭な差は観察されなかった。一方,
透過率については散乱方向の違いによる
と考えらえる有意な差が認められた[2]。
LEPD の開発は,この TPM の静電ビー
ムを初期ビームとしてもう一段輝度増強
を行い,LEPD の入射ビームとする。
LEPD 像や優位性の一部は Canter らによ
り実証されている[3]が,この高強度化さ
れた KEK の低速陽電子実験装置により
さらなる具現化に資する。
References(参考文献)
[1] M. Fujinami et al.: Anal. Sci. 24, 73-79 (2008).
[2] M. Matsuya et al.: Nucl. Instrum. Methods A 645,
102-112 (2011).
[3] G. R. Brandes et al.: Rev. Sci. Instrum. 59, 228-
235 (1988).

3
4.3 m
Positron probe microanalyzer
Brightness enhancement
XY stage
Ge detector
Linac-PPMA
@
RI source
Sample
Objective lens RI-PPMA
@
Transmission positron microscope
Linac-TPM
@KEK
30 kV TPM
2.1 m
TEM
(JEOL)
EX
ML
RM
EL
DEF
Sector
CL1
CL2
OL
IL system
PL
e +
35 keV
MCP
e
Electron gun
MCP
-
Specimen
MCP
Microbeam forming section
Transmission electron microscope
Transmission electron microscope
JEM-1011(JEOL)
JEM-1011(JEOL)
TEM
Remoderator
Ni(100) ) 150 nm
Work function
-1.0 eV
35 keV
30 keV
e + & e - diffraction pattern of Au(100) foil
Positron Electron
15 hr
We can succeed in 10,000 times TPM image and the diffraction pattern,
comparable with TEM.
23% S
30 kV
- 34 -
KEK-TPM
Ta target (positron source) and
several W foils (moderator)
floated at 35 kV
Linac : 44 MeV, 0.2 GeVmA, 50 Hz
TPM & TEM image of Au(100) foil
16 hours
Resolution : 50 nm
1 μm
4.3 m
Microprobe
TEM
2.1 m
Positron gold thin film
micro grid
Electron
hole
3. Positron probe microanalyzer (PPMA)
The plume induced by the
injected positrons
m
5-25 keV e +
Thermalization,
Diffusion,
& trap at defect
LEPD
m
511 keV -rays
X10,000
1 μm
m

- 36 -

- 37 -

- 38 -

KEK 物構研低速陽電子実験施設の現状
Present status of the KEK-IMSS Slow Positron Facility
和田 健
Ken Wada
高エネルギー加速器研究機構物質構造科学研究所
Institute of Materials Structure Science, High Energy Accelerator Research Organization (KEK)
The Slow Positron Facility (SPF) at the
Institute of Materials Structure Science
(IMSS), High Energy Accelerator Research
Organization (KEK) provides a
high-intensity pulsed slow-positron beam
produced by using a dedicated linac. The
electron-beam energy of the linac is 55
MeV with the operation power of 600 W at
the maximum. The maximum repetition rate
is 50 Hz. It operates in two pulse modes: the
long pulse mode of 1 µs pulse width, and
the short pulse mode of variable 1-10 ns
pulse width.
In October 2010, a new positron
converter and moderator assembly was
introduced, yielding an increase of an order
of magnitude in the intensity of the beam.
The long pulse mode provides 510
slow-e + /s, and the short pulse mode provides
510 slow-e + /s. The initial beam diameter
is about 20 mm.
The facility consists of two floors. The
dedicated linac and the positron converter
and moderator assembly are on the
basement floor. Currently, there are four
beam-line branches: two of them (SPF-A1,
SPF-A3) lies on the basement floor, and one
branch (SPF-A2) goes up to the deck floor
and comes down vertically, and the last one
(SPF-B1) goes up onto the ground floor.
The positron converter and moderator
assembly is at a high tension of up to 35 kV
with reference to the grounded
slow-positron beam line, and the tension is
adjusted in accordance with the
requirements of individual experiments.
Standardized beam-line-branching units for
the transportation energy of up to 35 keV
allow flexible rearrangements of the
branches.
e-mail: ken.wada@kek.jp
- 39 -
高エネルギー加速器研究機構 (KEK)
物質構造科学研究所 (IMSS) の低速陽電
子実験施設 (SPF) では、55 MeV, 600 W
の専用ライナックを用いた高強度の低速
陽電子ビームを共同利用に供している。
ライナックの繰り返し周波数は 50 Hz
で、共同利用実験のニーズにあわせて, パ
ルス幅 1 µs のロングパルスモード
(510 slow-e + /s) と、1 ns から 10 ns
で可変のショートパルスモード (510
slow-e + /s) を切り替えて運転している。
本施設のビームラインは、1) 高強度の
低速陽電子ビームを供すること、2) 測定
器を含めたビームライン全体がアース電
位のまま、最大 35 keV のエネル ギーで
ビームを輸送できること、3) 標準化され
た分岐ユニットにより、比較的自由にビ
ームラインの分岐ができること、という
特徴を持つ。これらの特徴を生かして, 最
近はポジトロニウム負イオンの分光実験
とそれを応用した可変エネルギーのポジ
トロニウムビームの生成実験、反射高速
陽電子回折 (RHEPD) 実験において, 成
果が上がっている.
本講演では, 当施設の最近の発展状況
及び現状について報告すると共に, 共同
利用実験の概要について報告する.

Ahighintensity,pulsedslowpositronbeamiscreatedbyusingadedicatedlinac.
Apositronconvertorandmoderatorassemblyisathightensionupto35kV.
p y g p
Andthusentireslowpositronbeamlineisgrounded.
TheDedicatedLinac withradiationshieldsoff
e e
e+ e+convertor convertor
andmoderator
Anewpositronconvertor/moderator
(Old) Anorderofmagnitudeincrease (New)
inthebeamintensity
25mthickWfoilarray
Perpendiculartothee p
incident
direction
TwosetsofWfoil(25mthick)lattices
Acascadevoltagesupplytoset
voltagesbetweentheconverter,
thelattice1,thelattice2,and
an anextractiongrid.
extraction grid
K.Wadaetal.:Eur.J.Phys.D,66:37(2012)
AnnealingofWmoderatorwithanelectronbeamwelder
Theelectronbeamweldingmachineused PowerhighenoughtomeltWfoil
for forannealingofthemoderator annealing of the moderator
(meltin (meltingpoint3400)
point 3400)
- 40 -
SchematicviewoftheBeamlines
Th Theslowpositronbeamlinesandexperiment
l i b li d i
stations
SPFA3
SPFB1
SPFA2
(Stationsarenotshown)
B1fl.
Thepartswithdifferentcolorsareelectricallyisolatedfromeachother.
Bottomred:convertorOrangeandgreen:moderators
g g
Blue:extractiongrid
Topred:wehnelt cylinder,samepotentialastheconvertor
ReductionofDopplershiftedrayfromPs
Gnd.fl.
SPFA1
PositroniumnegativeionstationbuiltbythegroupofProf.Nagashima
The photo detachment of the Ps ThephotodetachmentofthePs ion ion with withapulsed25HzNd:YAG a pulsed 25 Hz Nd:YAG laser
Signalswithandwithoutlaserirradiationofthe50Hzslowpositronbeam
DopplershiftedannihilationfromtheacceleratedPs detectedbyGe ditectors

on
stati
Ps
RevisedchamberfordetectingphotodetachedPsdirectlywithanMCParray.
Th Theincidentpositronbeamwasmagneticallybentby45degreesandledtothetarget.
i id t it b ti ll b tb 45d dl dt th t t
Ps wereacceleratedbyanelectrostaticfield,andthenirradiatedbythelaser.
TOFofthePsshowstheaccelerationbeforethephotodetachment.
Thebeamlinebranchingunit g
PsTOFstation
Standardizedbeamlinebranchingunit
forupto35keV positronbeam
(SPF-B1) RHEPD station
(without ( a brightness-enhancement g unit) )
e+
Ironplate Iron Einzel lens
aperture
Collimator
RHEPDrockingcurve
22 Nabasedbeam
KEKRHEPDT
RHEPDpatternfortheSi(111)7x7surface
using usingthebrightnessenhancementunit(BEU)
the brightness enhancement unit (BEU)
BeforetheBEUinstallation
AftertheBEUinstallation
1/7
Thefractionalspotshavebeenobserved
withthebrightnessenhancedbeam
1
6/7
5/7
4/7
3/7
2/7
- 41 -
AnewBLbranch(SPFA3)forPsbeamdetection
LargemagneticcoilsforthePsbeamstation
The Thenewbeam new beamline linebranchforPs branch for Psbeam beamstation station
Vacuumdegree: 2 10 8 Pa
(SPF-B1) Reflection high-energy positron diffraction (RHEPD)
e+ beam
e+
10~100keV
Lenses
RHEPD Pattern
Sample
Rocking Curve
Anngle
Intensity
Positron
+
Electron
Positronsaretotallyreflected
Solid
becauseofpositivecrystalpotential.
surface
Sensitivetotheatomicarrangement
Atom
andtheeffectsofelectronsandphonons.
d h ff f l d h
SchematicsandpicturesofthebrightnessenhancementunitforRHEPD
Consistingofatransmissionremoderator with100nmWcrystal,andelectrodes.
TheWremoderator wasannealedbythepassageofelectroncurrent.
RHEPD rocking curve
from Si(111) Si(111)-7x7 7x7 surface
(arb. units)
RHEPD R intensity i
Total 111
555
reflection 222 333 444
0 1 2 3 4 5 6
Glancing angle (deg)
KEK-SPF with remoderation
KEK-SPF without remoderation
22 22Na Na-based based beam

Renewedpositronium timeofflight(PsTOF)station
Smaller Smallerplasticscintillatorsdeliverabettertimeresolution
plastic scintillators deliver a better time resolution
TOFfromthetungstensurface performedbyProf.Nagashima’s group
EnhancementofthePsemissionefficiencyobservedforNacoatedsample
Beamtimeandexperiments inKEKSPF
• 2010:beamtime 181days
– Ps Ps experiment experiment(Y.Nagashima (Y Nagashima et etal.) al )
– RHEPDexperiment(Y.Fukaya etal.)
• 2011:beamtime 180days
– Ps experiment
– RHEPDexperiment
• 2012
– Ps experiment
– RHEPDexperiment p
– PsTOFexperiment1(T.Tachibanaetal.)
– PsTOFexperiment2(Wadaetal.)
– Positron Positronimpactinducediondesorptionexperiment(Hirayamaetal.)
impact induced ion desorption experiment (Hirayama et al )
StaffandcurrentusersofKEKSPF
• KEKSPFstaff
– Slowpositronbeamline
p
• T.Hyodo,K.Wada(April2010),andI.Mochizuki(October2012)
– Dedicatedlinac ofSPF
• T.Shidara,S.Ohsawa,M.Ikeda,andothermembersofKEKlinac group
• CurrentusersofKEKSPF
– PsnegativeionandPsTOFexperiment
g p
• Y.Nagashima andhisstudents(TokyoUniversityofScience)
• T.Tachibana(Rikkyo University)
– RHEPDexperiment
• A.Kawasuso,Y.Fukaya,M.Maekawa (JapanAtomicEnergyAgency)
• I.Mochizuki(KEK)
– Positronimpactinducediondesorptionexperiment
• T.HirayamaandT.Tachibana(Rikkyo University)
– LEPDexperiment
• T.TakahashiandT.Shirasawa (TheUniversityofTokyo)
• M.Fujinami ( (ChibaUniversity)
hb )
- 42 -
Aclientserversystem
to tocontrolmagneticcoilcurrentremotely
control magnetic coil current remotely
Currentsources
formagneticcoils
About100currentsourcesforabout200magnetcoils
willbecometobecontrolledbySTARSsystem
Programmablelogiccontroller(PLC)
Outlookfornextafewyears y
• Reflectionhighenergypositrondiffraction(RHEPD)
2012:RHEPDexperimentwithbrightnessenhancedbeam
• Lowenergypositrondiffraction(LEPD)
2012:designing
2013:installation
• DCbeamexperiment
2013:installationofDCbeamsection
2014:DopplerandcoincidenceDopplerexperiment

Positron and Spintronics
A. Kawasuso
Japan Atomic Energy Agency, Advanced Science Research Center
When both positrons and electrons are spin-polarized, electron-positron momentum
distribution exhibits asymmetry upon their mutual spin reversal. Annihilation of positronium
formed on metal surface also shows spin-reversal asymmetry. These properties are
demonstrated to be useful in studying ferromagnetic band structure and surface magnetism,
respectively. Here, we call positron annihilation spectroscopy, which particularly uses the
spin dependent annihilation process, spin-polarized positron annihilation spectroscopy
(SP-PAS). In the spintronics field, SP-PAS will be a potential tool in revealing spin-related
phenomena, such as magnetoresistance, current-induced spin polarization, spin-injection,
vacancy-induced magnetism, half-metal band structures and so on. To promote spintronics
study with SP-PAS, spin-polarized positron beam is needed. In this talk, I will report the
development of spin-polarized positron beam, some fundamental aspect of SP-PAS and its
applications to spintronics study performed so far.
陽電子とスピントロクス
河裾厚男
日本原子力研究開発機構・先端基礎研究センター
陽電子と電子の両方がスピン偏極している場合、電子-陽電子運動量分布は互いのス
ピン反転に対して非対称性を示す。金属表面で形成されるポジトロニウムの消滅も、
同様にスピン反転非対称性を示す。これらの特性は、強磁性バンド構造や表面磁性の
研究に有用であることが示されている。ここで、スピンに依存した陽電子消滅過程を
利用する陽電子消滅法を特にスピン偏極陽電子消滅法と呼ぶことにする。近年急速に
進展しているスピントロニクス分野において、スピン偏極陽電子消滅法は各種のスピ
ン現象(磁気抵抗、電流誘起スピン分極、スピン注入、空孔誘起強磁性、ハーフメタ
ルバンド構造など)を解明する上で、有用なプローブになると期待される。スピン偏
極陽電子消滅法を用いてスピントロニクス研究を推進するためには、スピン偏極陽電
子ビームが必要である。本講演では、スピン偏極陽電子ビームの開発、及び、スピン
偏極陽電子消滅法の基礎とこれまで講演者等が行った幾つかの応用研究について報
告し、将来の展開を模索したい。
- 43 -

- 44 -

- 45 -

- 48 -

- 49 -

Cu(001)K
Δφφ
Cu(001)φ4.59 eV
ΘK
Cu(001)
K
KK +
Θ=0.18
K
Θ=0.180.25
CuK
Θ=0.37
Mascat-Newns
Pt(111)
30 eV
45
(a) Ne + (b) N +
Ne + 1
N + 2
- 52 -
()() 1
(a) (b)
Θ0.18
K
(a) SROLRO
(b) Ψ
Pt(111)
Ne + N +
Ne +
N +

Outlook of the KEK-IMSS Slow Positron Facility
The Slow Positron Facility at KEK
IMMS is equipped with a dedicated 55 MeV
linac, providing a high-intensity, pulsed
slow-positron beam [1]. The beam is
produced in a production unit at a high
tension of up to 35 kV and guided
magnetically through a grounded beam line,
and then branched.
The main research projects of the Facility
in the immediate future are related with the
following grants:
(1) Grant-in-aid for Scientific Research
Scientific Research (S)
“Development of High-brightness and Highintensity
Positron Diffraction and its
Application to Surface Studies”
(2) Grant-in-aid for Scientific Research
Scientific Research (S)
“Evolution of the positronium beam science
using the technique of photodetachment of
the positronium negative ion”
The former makes use of the high
intensity of the beam. The latter makes
use of the 10ns pulse of the beam as well as
the high intensity.
It is known that positron diffraction is
extremely sensitive to solid surfaces [2].
Compared with electron and X-ray
diffractions, the positron diffraction has
several advantages. For example, surface
sensitivity is highest because inelastic
scattering cross section is large; it is totally
reflected from a solid surface for a glancing
angle smaller than a certain critical angle
depending on the sample material and the
energy of the incident positron beam
because the crystal potential for a positron is
positive; the angular dependence of the
scattering factor for positrons is as smooth
as for X-rays and much simpler than for
兵頭俊夫
Toshio Hyodo
Slow Positron Facility
Institute of Materials Structure Science
High Energy Accelerator Research Organization (KEK)
e-mail: toshio.hyodo(at)kek.jp
- 53 -
electrons; interactions of a positron with
inner-core orbital electrons are small and
thus the treatment of the interactions is
simple since a positron is not attracted by
nuclei. The simplicity of the analysis makes
accurate comparison with experiments
possible. Obvious weakness of the
positron is that it is an anti-particle that it is
not easy to get a beam strong enough. This
last drawback is resolved by doing
experiments at KEK.
Low energy positron diffraction (LEPD)
is the positron version of low energy
electron diffraction (LEED) and has a
history of 30 years. The concept design of
a LEPD setup for the Facility is just started.
The setup will be completed in 2013.
Reflection high-energy positron reflection
(RHEPD) is the positron version of
reflection high-energy electron diffraction
(RHEED). RHEPD was proposed by
Ichimiya [3] and realized by Kawasuso and
Okada [4] at JAEA, Takasaki, using a 22 Nabased
positron beam. Their measurement
chamber for RHEPD has been transferred to
KEK to be operated with a high intensity,
brightness-enhanced beam, resulting in 63
time increase in intensity and a few
thousand time enhancement of the
brightness. This means 63 time
improvement of the data acquisition
efficiency and much higher quality of the
data. An improved station for RHEPD is
being designed and will be installed by
April 2013.
We expect that the positron diffraction
will be especially useful for the structural
analysis of solid surfaces where heavy
elements are involved, such as those of
topological insulators and Rashba surfaces.

We will attempt direct analysis of the
surfaces using Patterson analysis of positron
holography.
The second project was initiated by a
development of a method for an efficient
production of positronium negative ion by
Nagashima [4]. By combining the
positronium negative ion production by the
pulsed positron beam at KEK with a
synchronized high intensity Nd:YAG laser,
both pulse width 10ns, photodetachment of
the ion into neutral positronium atom and an
electron was accomplished [5]. This process
combined with variable electrostatic
acceleration of the negative ion provide a
method for the production of an energytunable
positronium beam [6]. After
refinement of the quality of the beam, its
application to materials science will follow.
Examples are positronium reflection from
solid surfaces, reflection high-energy
positronium diffraction, and fundamental
researches on positronium and its negative
ion.
In order to make the Facility available for
a wider variety of measurements, a linear
storage of the positron beam to transform it
to continuous beam will be installed. Then
the beam will be used for the analysis of the
annihilation γ-rays as in coincidence
Doppler broadening measurements.
Rebunching the beam to make it short
pulsed suitable for the positron lifetime
measurements will also follow.
Further ten time increase in the intensity
of the beam is possible if we move the linac
to the next door space; the present location
of the linac is too narrow to make enough
radiation shields for higher intensity.
References:
[1] K. Wada, T. Hyodo, A. Yagishita, et al.,
Eur. Phys. J. D 66 (2012) 37.
[1] S. Y. Tong, Surf. Sci. 457 (2000) L432.
[2] A. Ichimiya, Solid State Phenom, 28/29
(1992) 143.
[3] K. Kawasuso and S. Okada, Phys. Rev.
Lett. 81 (998) 2695.
- 54 -
[4] Y. Nagashima et al., New J. Phys. 10
(2998) 123029.
[5] K. Michishio, T. Tachibana, H. Terabe
et al., Phys. Rev. Lett. 106 (2011) 153401 .
[6] K. Michishio, T. Tachibana, R.H. Suzuki
et al., Appl. Phys. Lett. 100 (2012) 254102.

Main Research Projects
ProjectsofGrantinAidforScientificResearch(S)
1. “DevelopmentofHighbrightnessandHighintensityPositron
DiffractionanditsApplicationtoSurfaceStudies”
(project (projectleader:T.Hyodo)
leader: T Hyodo)
alltheexperimentsconductedinKEK
2.“Evolutionofthepositronium beamscienceusingthe
techniqueofphotodetachment ofthepositronium negative
ion”
(Projectleader:Y.Nagahisma)
part partofexperimentsconductedinKEK
of experiments conducted in KEK
Superiorityofpositrondiffractions
Precise Precisedeterminationofthesurfaceatomicarrangementisthekeytosurfacescience.
determination of the surface atomic arrangement is the key to surface science
Thepositronisthemostsensitivetothesurfacestructure.
CComparisonof3Beams i f3B
ideal
ResolvedbyusinghighintensitybeamatKEK
PositronDiffractionSchedule
2012 2013 2014 2015 2016 2017
BrightneessEnhanncementDDesign
Const.ofC C Chamber, ConnectiiontoBeaamLine
GiantRashba Effect
ChargeDensityWave
(Pierlse Transition,MottInsulator)
Dif ffractionmmeasuremment
AnalysisCodes
Surface
Superconductor
EstablishmentofSurfaceStructure
AnalysiswithPositronDiffraction
Patterson PattersonAnalysis Analysis
TopologicalInsulator
SurfaceStructure
Analysis
ReporttofResullts
SurfaceElectronic
StateAnalysiswith y
TotallyReflected
Positrons
PositronHolography
DirectdeterminationofSurface
Structure
5
ApplicationsofEnergytunablePsBeam
1. Psreflectionfrom
insulatorsurfaces
Ps
Insulator
2. ReflectedHighEnergyPsDiffraction
(RHEPsD)
Fastatomicbeamdiffractionfromsolidsurface
AttemptstogetPsdiffractionimage
3. Fundamentalresearchs onPsandPs
•Ps photodetachment
•Ps periodicfeld interactions
•Ps Psexcitedstates
excited states
1
7
- 55 -
MainProject1
“D “DevelopmentofHighbrightnessandHighintensityPositron
l t f Hi h biht dHihi t it P it
DiffractionanditsApplicationtoSurfaceStudies”
Highintensityslow
positron positronbeam(KEK) beam (KEK)
Brightness
Enhance
ment
Lowenergypositron
diffraction(LEPD)
Reflection Reflectionhighenergypositron
highenergy positron
diffraction(RHEPD)
RHEPD:leadingtheworld betterwithbrightnessenhancement
LEPD :startingwithhigherbrightnessthanothers
hope hopecatchingupsoonandleadingtheothers
catching up soon and leading the others
(1)Structureanalysisofsurfaceswhereheavyelementsare
involved(topological insulator,giantRshba surface)
(2)Directdeterminationofthestructures(Pattersonanalysis
withRHEPD;positronhollography withLEPD)
BrightnessEnhancementbyRemoderation
I : beam intensity /10 Transmissionremoderator
: beam intensity /10
I
B 2 2
r E sin
: beam radius )
: beam energy(5keV1eV )
beam beam divergence angle
50 10
10000
1000 Brightness (relative)
100
10
1
collimaton c n
Reemiission
unit
0.1
e+production) isotope LINAC LINAC
(brightnessenhanced)
@KEK @
@TTokyoU.SSci.
MainProject2
RHEPD inttensity
(arb. units) u
Total 111
555
reflection 222 333 444
0 1 2 3 4 5 6
Glancing angle (deg)
Positronium Science SciencewithPhotodetachment with Photodetachment of ofPositronium Positronium
NegativeIons
Psbeamproductionsofar
Ps, Ps,electricallyneutral,cannotbe
electrically neutral, cannot be
acceleratedwithelectricfield
Useof molecularscattering
with withapositron a positron
+M Ps M +
gas
Intensityislow.
Incompatiblewith ultrahigh
bacuum
Limited totheenergyrangelower
than 100eV
Ps Beam Production with Ps Ps BeamProductionwithPs
Accelate Ps ionsandthephotodetach
themtoproduceEnergytunablePsBeam
• Hi Higherintensityavailable
h i t it il bl
• Compatiblewith ultrahighvacuum
• Beamwithenergyhigherthan1keV
available
PsNegativeIonSchedule
2012 2013 2014 2015 2016 2017
PPsBeamOptimization B O ti i ti
Ps Phoro
detachmet
Cross
sectio n
Postron Trap
Apparatus
PsDiffractionApparatus PsDiffraction
Ps Formation
O OptimizationofProduction,
ti i ti f P d ti
UseofThinFilms)
Ps Photodetachment
Resonance
EnergyVariablePsBeamProduction
VariableenergyPsBeam
Apparatus
PsPeriodicFieldInteraction
Ps ExcitedStates
RReportofResults
Ps Diffraction,
Ps, Ps Basicprocesses
2
8
6

PlansforOtherBeamLineBranches
• ConstructionofLinearTrapforDCBeam
– Pulse/DCbeambothavailable
/
– DopplerBroadeningStation
– Coincidence CoincidenceDopplerBroadeningStation
Doppler Broadening Station
• ConstructionofshortpulseSection
– PositronLifetimeStation
– Angular AngularCorrelationofAnnihilationRadiation
Correlation of Annihilation Radiation
Station
9
- 56 -
10-fold Increase in Intensity
Even 10 more time increse posible → 5x10 8 slow e+/s
Enhanced Linac Power and Sufficient Shield
→ Relocate the Dedicated Linac to Next Door Space
Possible Linac Relocation
10

氏名 ふりがな 所属
1 O'Rourke Brian O'Rourke Brian 産業技術総合研究所
2 Sehakumar Sehakumar 筑波大学
3 TONG Shuk Yin TONG Shuk Yin South University of Science and Technology
4 虻川匡司 あぶかわただし 東北大学多元物質科学研究所
5 荒木秀樹 あらき ひでき 大阪大学大学院工学研究科マテリアル生産科学専攻
6 飯田進平 いいだ しんぺい 東京理科大学大学院理学研究科物理学専攻長嶋研究室
7 五十嵐明則 いがらし あきのり 宮崎大学工学部
8 一宮彪彦 いちみや あやひこ 名古屋大学(名誉教授)
9 伊藤健二 いとう けんじ 高エネルギー加速器研究機構物質構造科学研究所
10 上殿明良 うえどの あきら 筑波大学大学院数理物質科学研究科
11 河裾厚男 かわすそあつお 日本原子力研究開発機構
12 河田洋 かわた ひろし 高エネルギー加速器研究機構物質構造科学研究所
13 木野村淳 きのむら あつし 産業技術総合研究所
14 小出常晴 こいで つねはる 高エネルギー加速器研究機構物質構造科学研究所
15 斎藤文修 さいとう ふみのり 東京大学大学院総合文化研究科広域科学専攻
16 設楽哲夫 しだら てつお 高エネルギー加速器研究機構加速器研究施設
17 島村勲 しまむら いさお 理化学研究所基幹研究所原子物理研究室
18 白澤徹郎 しらさわ てつろう 東京大学物性研究所
19 鈴木亮平 すずき りょうへい 東京理科大学大学院理学研究科長嶋研究室
20 高橋敏男 たかはし としお 東京大学物性研究所
21 立花隆行 たちばな たかゆき 立教大学理学部
22 長嶋泰之 ながしま やすゆき 東京理科大学理学部第二部
23 兵頭俊夫 ひょうどう としお 高エネルギー加速器研究機構物質構造科学研究所
24 深谷有喜 ふかや ゆうき 日本原子力研究開発機構先端基礎研究センター
25 藤浪真紀 ふじなみ まさのり 千葉大学大学院工学研究科
26 前川雅樹 まえかわ まさき 日本原子力研究開発機構
27 松田巌 まつだ いわお 東京大学物性研究所
28 満汐孝治 みちしお こうじ 東京理科大学大学院理学研究科長嶋研究室
29 村上洋一 むらかみ よういち 高エネルギー加速器研究機構物質構造科学研究所
30 村田好正 むらた よしただ 東京大学 名誉教授
31 望月出海 もちづき いずみ 高エネルギー加速器研究機構物質構造科学研究所
32 柳下明 やぎした あきら 高エネルギー加速器研究機構物質構造科学研究所
33 山下貴志 やました たかし 東京理科大学大学院理学研究科物理学専攻長嶋研究室
34 山田和芳 やまだ かずよし 高エネルギー加速器研究機構物質構造科学研究所
35 和田健 わだ けん 高エネルギー加速器研究機構物質構造科学研究所
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