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極低温下での陽子照射による銅の電気抵抗変化測定のための装置開発

Development of the device for electrical resistivity measurements for proton irradiation under cryogenic condition

岩元 洋介; 義家 敏正*; 吉田 誠*; 中本 建志*; 阪本 雅昭*; 栗山 靖敏*; 上杉 智教*; 石 禎浩*; Xu, Q.*; 八島 浩*; 高橋 史明; 森 義治*; 荻津 透*

Iwamoto, Yosuke; Yoshiie, Toshimasa*; Yoshida, Makoto*; Nakamoto, Tatsushi*; Sakamoto, Masaaki*; Kuriyama, Yasutoshi*; Uesugi, Tomonori*; Ishi, Yoshihiro*; Xu, Q.*; Yashima, Hiroshi*; Takahashi, Fumiaki; Mori, Yoshiharu*; Ogitsu, Toru*

粒子・重イオン輸送計算コードPHITSの100MeV以上の陽子照射による材料損傷の計算手法を検証するため、極低温の環境下ではじき出し断面積と相関する陽子照射欠陥に伴う電気抵抗増加を測定する装置を開発した。サンプルは、直径20mmのビーム範囲に収まるように波状にした純度99.999%の銅線(直径250$$mu$$m、長さ152mm)を、2枚の高熱伝導度及び絶縁性を持つ窒化アルミ基板(縦30mm、横25mm、厚さ1.5mm)で挟み込む構造とし、1,000$$^{circ}$$Cで1時間かけて焼鈍した。その後、サンプルは無酸素銅板とGM冷凍機を介した熱伝導により冷却した。試料の抵抗は、四端子法を用いて$$pm$$10mA出力の電流源(Keithley社製6221型)とナノボルトメータ(2182A型)の組み合わせによるデルタモードで計測した。本装置により、サンプルを11Kまで冷却し、その温度における銅の電気抵抗は常温における値の約1/1800となり、照射欠陥に伴う微小な電気抵抗増加の測定が可能であることを確認した。そこで、本装置を用いて、125MeV陽子を11K、電気抵抗29.41$$mu$$ $$Omega$$のサンプルに、1.45$$times$$10$$^{14}$$(個/cm$$^{2}$$)照射したところ、1.53$$mu$$ $$Omega$$の欠陥に伴う電気抵抗の増加を観測できた。

To validate the radiation damage calculation in the PHITS code for proton irradiation over 100 MeV, we have developed the device for electrical resistance measurement under cryogenic condition. A copper wire with 99.999% purity in a diameter of 250-$$mu$$m was set with a serpentine-shaped line on the AlN sheet which has high thermal conductivity and electric insulation. The sample was annealed for 1 h at 1,000$$^{circ}$$C before irradiation. After annealing, the sample was cooled with an oxygen-free high-conductivity copper plate by conduction cooling. The electrical resistivity changes in the sample were measured using the four-probe technique. As a result, the residual resistivity ratio of the sample was about 1,800 between room temperature and 11 K. After 125 MeV proton irradiation with 1.45$$times$$10$$^{14}$$(proton/cm$$^{2}$$) at 11 K, the total resistance increase was 1.53$$mu$$ $$Omega$$, while the resistivity of copper before irradiation was 29.41$$mu$$ $$Omega$$.

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