Development of real-time position detection system for single-ion hit

シングルイオンヒットのためのリアルタイム位置検出システムの開発

横山 彰人; 加田 渉*; 佐藤 隆博; 江夏 昌志; 山本 春也; 神谷 富裕; 横田 渉

Yokoyama, Akihito; Kada, Wataru*; Sato, Takahiro; Koka, Masashi; Yamamoto, Shunya; Kamiya, Tomihiro; Yokota, Wataru

サイクロトロンでは、数百MeV以上の重イオンマイクロビームを用いたシングルイオンヒット技術が生物細胞などの照射実験で利用されており、高精度位置検出が必要とされている。しかし、現状の固体飛跡検出器では照射後の薬品による表面処理と顕微鏡での照射位置の観察に時間を要し、リアルタイムでの検出が困難であった。そこで、ビームモニタに利用されているZnS等を試用したが発光強度や位置分解能が十分ではなかった。本研究では、単結晶サファイアに賦活剤として注入するEuイオンの量や熱処理条件等の調整により、イオン入射方向に強いイオンルミネッセンス(Ion Luminescence: IL)を発する試料を開発できると考え、試料の調製、高感度な発光検出装置の構築を行った。調製試料の評価には、予備実験として試料表面にレーザーを照射することにより、ILと同様に電子励起過程を伴って発光するフォトルミネッセンス(Photoluminescence: PL)を実施した。この結果、表面から30nm70nmにEuを7.5ions/nmを注入した後、600Cで30分間熱処理した試料のPL強度が最大だった。また、同試料を用いた発光検出装置の感度試験では、200cps以上の酸素イオンの照射によってILを捕えることができた。しかしながら、シングルイオンヒット実験では、ビーム電流量が数cps程度と低いため、今後賦活剤の濃度等の調製や開口の大きな対物レンズへの変更による感度向上などの改良を行う。

A system is developed for the real-time position detection of single-ions which hits a target with spatial accuracy about 1 m. The system combines highly luminescent, sensitive, scintillators with a high sensitivity luminescence detection system. The real-time detection system contains a AlO:Eu scintillator, Eu implanting into -AlO. A single-crystal scintillator has been selected since position resolution of emission for powdery scintillator is limited by a grain size, several micrometers for ZnS for example. When the material is irradiated with an electron or ion beam, the Eu is activated and strong luminescence occurs. The detection system includes an image intensifier tube and an electron multiplier CCD camera. The results show that our system can be sufficiently sensitive to detect the hit of a single-ion in real time through simple improvement in emission intensity of the scintillator.