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論文

Coulomb explosion process in collision of a swift cluster ion with gas target

千葉 敦也; 鳴海 一雅; 山田 圭介; 的場 史朗; 齋藤 勇一

JAEA-Review 2013-059, JAEA Takasaki Annual Report 2012, P. 167, 2014/03

クラスターイオンと物質と相互作用において、反応初期に生じるクーロン爆発は、その後の反応過程に大きな影響を与える。そのため、クラスターイオンによる照射効果の発現機構を理解するためには、クーロン爆発について詳細に調べる必要がある。そこで、ガス標的との衝突でクーロン爆発したC$$_{2}$$$$^{+}$$の構成イオンの電荷と空間分布をイベントごとに測定し、それらの軌道を解析した。その結果、標的原子との衝突後、励起からクーロン爆発に至るまでに、原子間距離が約1.5倍に広がることがわかった。

論文

Status report on technical developments of electrostatic accelerators

山田 圭介; 齋藤 勇一; 石井 保行; 的場 史朗; 千葉 敦也; 横山 彰人; 薄井 絢; 佐藤 隆博; 大久保 猛; 宇野 定則

JAEA-Review 2013-059, JAEA Takasaki Annual Report 2012, P. 159, 2014/03

TIARA静電加速器において平成24年度に行った技術開発の成果を報告する。タンデム加速器ではクラスターイオン用荷電変換ガスの探索のために、0.24V$$_{B}$$-0.34$$_{B}$$(V$$_{B}$$: Borh velocity)のエネルギー範囲でAuクラスターイオンとHe及びN$$_{2}$$ガスとの衝突によるクラスターイオンの解離断面積を評価した。その結果、解離断面積は実験の範囲ではエネルギー依存性がなく、クラスターサイズ及びガスの種類に依存することがわかった。シングルエンド加速器では、平成23年度までに開発したエミッタンス測定装置を用いて、RFイオン源の引出電圧とエミッタンスの関係を測定した。その結果、1MeVプロトンビームでは、引出電圧が8.4kVのときに最も良いエミッタンスが得られることがわかった。イオン注入装置では、クラスターイオン用ファラデーカップ(FC)の小型化のため、底面に針を敷き詰めることで等価的にアスペクト比を高くしたFCを試作した。本FCを用いてフラーレンイオンの電流測定試験を行った結果、高いアスペクト比を有するFCと同等の測定値が得られたことから、本手法がクラスターイオン用FCの小型化に有用であることがわかった。

口頭

Absolute detection efficiency of a tapered microchannel plate

的場 史朗

no journal, , 

Micro channel plate(MCP)では粒子がチャンネル内に入射しないと検出されないので、検出効率の上限は開口率によって制限される。そこで、開口率を上げれば検出効率を増加させることができると考え、入射部にテーパー加工を施して実効的に開口率を90%まで上げた高感度MCPの製作に取り組み、その検出効率の測定を行った。高感度型MCPの検出効率は、測定したエネルギー領域では全域において通常のMCPの検出効率を上回っている。入射エネルギーが高い領域での検出効率は実効的な開口率(90%)に迫り、イオン検出においてテーパー加工が有効であることが確かめられた。

口頭

高感度マイクロチャンネルプレートの絶対検出効率測定

的場 史朗; 守屋 宗祐*; 高橋 果林*; 石川 学*; 小泉 哲夫*; 城丸 春夫*

no journal, , 

マイクロチャンネルプレート(MCP)では粒子がチャンネル内に入射しないと電子増倍が起きないので、検出効率の上限はMCPの開口率によって制限される。そこで、開口部にテーパー加工を施して実効的に開口率を90%まで上げたテーパー型高感度MCPの製作に取り組み、その検出効率の測定を行った。高感度型MCPの検出効率は、測定したエネルギーの全領域(0.2-15keV)で通常のMCPの検出効率を上回っている。入射エネルギーが高い領域での検出効率は89%となり、これは実効的な開口率(90%)に迫る。このように、イオン検出において開口部におけるテーパー加工が有効であることが確かめられた。さらに、検出効率におけるイオンの質量依存性についても測定を行った。その結果、エネルギーを質量の二乗根で除算した値を用いることで、異なるイオン種においても検出効率を規格化できることを確認した。

口頭

Absolute detection efficiency of a tapered microchannel plate

的場 史朗

no journal, , 

A micro channel plate (MCP) consists of a large number of micro channels which are formed by etching a lead glass matrix. Particles are detected if those are injected into the channel of an MCP. Therefore, the detection efficiency of an MCP is limited by the open-area-ratio (OAR) which is defined as the ratio of the total area of the channel entrances(open-area) to the area of the MCP surface. We developed the MCP with tapered micro-pores having a large open-area. The absolute detection efficiencies of conventional (C-) and tapered (T-) MCPs were measured for Xe ions at incident energies between 0.5 and 13.5 keV. The absolute detection efficiencies increase with the incident energy and reach a plateau. Maximum values of the absolute detection efficiencies for the C- and T-MCPs were 65% and 88%, respectively. These values are nearly equal to the OARs which are 62% and 90% for C- and T-MCP, respectively. It is validated that tapered pores are effective to increase OAR.

口頭

Absolute detection efficiency of a high sensitivity microchannel plate

的場 史朗; 守屋 宗祐*; 小泉 哲夫*; 石川 学*; 高橋 果林*; 城丸 春夫*

no journal, , 

A micro channel plate (MCP) consists of a large number of micro channels which are formed by etching a lead glass matrix. Particles are detected if those are injected into the channel of an MCP. Therefore, the detection efficiency of an MCP is limited by the open-area-ratio (OAR) which is defined as the ratio of the total area of the channel entrances (open-area) to the one of the MCP surface. We have fabricated the tapered MCP (T-MCP) having the channels with enlarged entrances to increase the effective OAR. The absolute ion-detection efficiency has been measured in single-ion counting mode. The detection efficiencies of the T-MCP are close to the effective OAR at higher ion energy and greater than that of (the previous) MCP in the energy range between 0.5 and 13.5 keV. The higher detection efficiency for an ion is validated for the T-MCP.

口頭

62.5-250keV/u H$$_{2}$$$$^{+}$$とC$$_{2}$$$$^{+}$$イオン衝撃により炭素薄膜から放出される二次電子収量の膜厚依存性

鳴海 一雅; 高橋 康之*; 千葉 敦也; 山田 圭介; 的場 史朗; 齋藤 勇一; 石川 法人; 須貝 宏行*; 前田 佳均

no journal, , 

高速クラスターイオン衝撃による固体からの二次電子放出に対する近接効果の起源解明に向けて、ビーム軸に対して45$$^{circ}$$傾けた異なる厚さの非晶質炭素薄膜(厚さ1-100$$mu$$g/cm$$^{2}$$)に同じ速度領域(62.5-250keV/u)で原子番号の異なるイオン(H$$_{2}$$$$^{+}$$, C$$_{2}$$$$^{+}$$)を照射し、解離したイオンが膜中をクーロン反発によって膜厚に依存して核間距離を増加させつつ透過する際に薄膜の前方に放出される二次電子収量$$gamma$$$$_{F}$$を測定した。近接効果の目安となる二次電子収量比R$$_{F}$$=$$gamma$$$$_{F}$$(2)/2$$gamma$$$$_{F}$$(1)は、H$$_{2}$$$$^{+}$$では1$$<$$R$$_{F}$$、C$$_{2}$$$$^{+}$$ではR$$_{F}$$$$<$$1になった。ここで、$$gamma$$$$_{F}$$(1)と$$gamma$$$$_{F}$$(2)はそれぞれ同じ速度の単原子イオン,2原子分子イオン衝撃による二次電子収量である。この傾向は、同じ速度領域のエネルギー損失に対する近接効果と同様であり、二次電子放出に対する近接効果の起源には固体中の電子を励起する過程の寄与があることを示しているが、これに加えて励起された電子が表面まで輸送される過程の寄与もあることが明らかになった。さらに、これら2つの寄与は、前者が核間距離が約1nmより小さい場合に、後者は核間距離が約1nmより大きい場合に、それぞれ支配的であることが明らかになった。

口頭

高感度テーパー型マイクロチャンネルプレートの絶対検出効率測定

的場 史朗; 城丸 春夫*; 小泉 哲夫*; 高橋 果林*; 守屋 宗祐*; 石川 学*

no journal, , 

マイクロチャンネルプレート(MCP)は、鉛ガラスに電子増倍作用がある直径10$$mu$$m程度の細孔を2次元的に配列した板状の検出器であり、荷電粒子,短波長の光子,高速中性粒子等に対して感度を持つ。MCPでは粒子が細孔に入射しないと検出されないので、検出効率の上限はMCP表面全体と細孔開口部との比である開口率によって制限される。われわれは開口率を上げれば検出効率を増加させることができると考え、入射部にテーパー加工を施して90%まで開口率を向上させたMCP(T-MCP)の開発を行った。このT-MCPと市販されているMCP(開口率62%)を用いて、0.5-13.5keVの入射エネルギーの範囲でXeイオン及びNeイオンの検出効率を測定した。市販のMCPの検出効率は、低いエネルギー領域ではエネルギーの増加に伴い上昇し、Neイオンでは3keV以上、Xeイオンでは4keV以上の入射エネルギーでそれぞれ一定値(65%)を示した。一方、T-MCPの場合、同様な測定でNeイオンでは4keV以上、Xeイオンでは6keV以上の入射エネルギーでそれぞれ一定値(89%)を示した。入射エネルギーが高い領域でのT-MCPの最大検出効率はテーパー部も含んだ物理的な開口率に迫り,イオン検出においてテーパー加工が有効であることが確かめられた。

口頭

テーパー型マイクロチャンネルプレートのイオン検出効率

的場 史朗; 鳴海 一雅; 齋藤 勇一; 千葉 敦也; 山田 圭介; 神谷 富裕; 小泉 哲夫*; 高橋 果林*; 石川 学*; 守屋 宗祐*; et al.

no journal, , 

マイクロチャンネルプレート(MCP)は、電子増倍作用がある直径10$$mu$$m程度の細孔を鉛ガラスに2次元的に配列した板状の検出器である。細孔に入射した粒子が検出されるので、検出効率はMCPの表面積に対する全細孔の開口面積の比である開口率によって制限され、開口率が60%前後の従来のMCPの最大検出効率は60%程度である。そこで、開口率を上げれば検出効率が増加すると考え、入射部にテーパー加工を施して開口率を90%にしたMCPを開発し、0.5-13.5keVのXeイオン及びNeイオンに対する検出効率を測定した。検出効率は低いエネルギー領域ではエネルギーの増加に伴い上昇した。これは二次電子放出率がエネルギーとともに上昇するためだと考えられる。一方、Neイオンでは4keV以上、Xeイオンでは6keV以上のエネルギーで検出効率はいずれも一定値89%を示し、テーパー部も含んだ開口率に迫った。以上の結果から、テーパー加工を施して開口率を向上させることがイオン検出の高効率化に有効であることが確かめられた。

口頭

高速分子イオンのナノキャピラリー透過におけるウェイク効果

土田 秀次*; 中嶋 薫*; 横江 潤也*; 杉山 元彦*; 太田 優史*; 間嶋 拓也*; 柴田 裕実*; 冨田 成夫*; 笹 公和*; 平田 浩一*; et al.

no journal, , 

高速分子イオンを数十nmの孔径を持つナノキャピラリーを透過させて、出射する分子イオンの分子軸をキャピラリー内壁との相互作用により揃えるビーム配向制御に関する研究を行っている。分子軸配向の駆動力としては、キャピラリー内で解離した入射イオンのうち、先行するイオンの電荷でキャピラリー内壁表面に誘起された電子の動的遮蔽によって、その後方にできる電子粗密波に後続イオンが捕捉される効果(ウェイク効果)が有力と考えられる。そこで本研究ではウェイクによる解離イオンの捕捉効果を調べるため、1.0MeV HeH$$^{+}$$イオンをアルミナ製の平均孔径67nm、アスペクト比約750のキャピラリーに入射させ、出射する解離イオン(H$$^{+}$$およびHe$$^{1, 2+}$$)の運動エネルギーを高分解能磁場型分析器により測定した。この結果の一例として、ゼロ度方向に出射したH$$^{+}$$イオンのエネルギースペクトルでは、Heイオンの前方と後方に位置してクーロン爆発したH$$^{+}$$に相当するピークが204keVと196keV付近にそれぞれ観測された。各ピークの収量比からHeイオンの後方に捕捉されたH$$^{+}$$の成分は約75%であることが分かった。発表では、他の出射イオンの出射角依存性等についても言及する。

口頭

高感度マイクロチャンネルプレートの希ガスイオンに対する絶対検出効率の測定

石川 学*; 小泉 哲夫*; 高橋 果林*; 城丸 春夫*; 的場 史朗

no journal, , 

電子増倍作用がある直径10$$mu$$m程度の細孔を鉛ガラスに2次元的に配列した板状の検出器であるマイクロチャンネルプレート(MCP)の検出効率の最大値は、表面積に対する全細孔の開口面積の比である開口率にほぼ等しいことが知られている。このことから、細孔に入射した粒子のみが検出されると考えられている。そこで、検出効率を向上させる目的で、入射部にテーパー加工を施して開口率を増大させたMCPを開発し、これまでに開口率90%で最大検出効率90%を得た。今回は、開口率が約100%のMCPを試作し、従来型MCPの検出効率と比較するために多くの測定例があるHeイオンに対する検出効率を測定した。その結果、従来型MCP(開口率約60%)の最大検出効率は60%であり、開口率約100%のMCPの最大検出効率は91%であった。100%近い開口率ではMCP表面において平坦部がなくなるのでテーパー縁部での電位勾配が従来型MCPと異なると考えられ、開口部の形状によって検出効率が変化する可能性があることがわかった。

口頭

透過高速クラスターイオン誘起2次イオン質量分析

平田 浩一*; 齋藤 勇一; 鳴海 一雅; 千葉 敦也; 山田 圭介; 的場 史朗

no journal, , 

TIARAの特徴の一つである高速クラスターイオンの利用技術開発の一環として、数百keV-数MeVのクラスターイオンビームを用いた飛行時間型高感度2次イオン質量分析法を開発している。飛行時間の起点となるスタート信号として1次イオンビームを静電チョッパーでパルス化するための信号を用いるため、質量分解能がそのパルス幅とともに悪化することから、その幅を短くするビーム調整に数時間を要していた。そこで、調整の簡便化を目的に、パルス化信号をスタート信号として用いない方法を開発した。具体的には、試料を薄膜にすることにより、試料表面からの2次イオンの生成に寄与した1次イオンを透過させてSSDで検出し、スタート信号とした。この方法では、1次イオンの強度を数百個/秒程度に減少させる必要があるが、ビームアテネーターの挿入などで調整を簡便化できた。具体的には、ビーム調整時間を数十分程度に短縮し、実験効率が向上した。

口頭

62.5-250keV/u H$$_{2}$$$$^{+}$$とC$$_{2}$$$$^{+}$$イオン照射による非晶質炭素薄膜からの二次電子放出に対する近接効果

鳴海 一雅; 千葉 敦也; 山田 圭介; 的場 史朗; 齋藤 勇一

no journal, , 

高速領域(ボーア速度以上)のクラスターイオンが固体と衝突する際に誘起される二次電子放出には、近接効果と呼ばれる未解明の物理過程がある。この近接効果の起源を解明するために、非晶質炭素薄膜に2原子分子イオンを照射し、薄膜の前方に放出される二次電子収量の膜厚依存性を測定した。得られた膜厚依存性から、膜中で解離したイオン間の距離に対して近接効果がどのように変化するのかを求めた。その結果、二次電子放出に対する近接効果には、入射イオンによる励起電子の生成過程に由来するものとその励起電子の固体表面までの輸送程に由来するものがあること、さらにどちらが支配的であるかは、入射クラスターイオンが固体中で解離した後の解離イオン間の距離に依存することを明らかにした。

口頭

キャピラリーを用いた高速分子・クラスターイオンビームの空間制御

土田 秀次*; 間嶋 拓也*; 冨田 成夫*; 笹 公和*; 平田 浩一*; 柴田 裕実*; 齋藤 勇一; 鳴海 一雅; 千葉 敦也; 山田 圭介; et al.

no journal, , 

本研究では、サブMeV領域のC$$_{60}$$イオンマイクロビーム形成を目的としてC$$_{60}$$イオンのガラスキャピラリーの透過特性を、また、多孔ナノキャピラリーを透過した際のウェイク効果による分子軸のそろった(配向された)イオンビーム形成を目的としてHeH$$^{+}$$分子イオンの透過特性をそれぞれ調べた。前者では、ガラスキャピラリーを透過したC$$_{60}$$イオンのビーム径がキャピラリー出口径とほぼ等しいことがわかった。また、キャピラリーを透過したイオンはC$$_{60}$$イオン、C$$_{60}$$イオンからC$$_{2}$$放出したC$$_{60-2m}$$イオン(mは整数)及び中性粒子から構成されること、さらに解離せずにキャピラリーを透過するC$$_{60}$$イオンの割合が少なくとも75%以上であることが分かった。後者では、キャピラリーを透過したHeH$$^{+}$$イオン及びその解離イオンのエネルギースペクトルから、解離Heイオンの後方に位置するH$$^{+}$$の割合は前方に位置するものに比べて約3倍多いことがわかった。これは、解離Heイオンが誘起したウェイクによってHeイオンの後方にH$$^{+}$$イオンが捕捉されたことを示しており、したがって、少なくとも解離したイオン同士はウェイクによって配向することを示す。

口頭

静電加速器における加速器・ビーム技術の開発

山田 圭介; 齋藤 勇一; 石井 保行; 的場 史朗; 千葉 敦也; 横山 彰人; 薄井 絢; 佐藤 隆博; 大久保 猛; 宇野 定則

no journal, , 

TIARA静電加速器において平成24年度に行った技術開発の成果を報告する。タンデム加速器では、クラスターイオン用荷電変換ガスの探索のために、0.24V$$_{B}$$-0.34V$$_{B}$$(V$$_{B}$$: Borh velocity)の速度範囲で、AuクラスターイオンとHe及びN$$_{2}$$ガスとの衝突によるクラスターイオンの解離断面積を評価した。その結果、解離断面積は実験の範囲ではエネルギー依存性がなく、クラスターサイズ及びガスの種類に依存することが分かった。シングルエンド加速器では、平成23年度までに開発したエミッタンス測定装置を用いて、RFイオン源の引出電圧とエミッタンスの関係を測定した。その結果、1MeVプロトンビームでは、引出電圧が8.4kVのときに最も良いエミッタンスが得られることが分かった。イオン注入装置では、従来の高アスペクト比構造を有するクラスターイオン用ファラデーカップ(FC)に代わり、底面に針を敷き詰めることで等価的にアスペクト比を高くした小型FCを試作した。本FCを用いてフラーレンイオンの電流測定試験を行った結果、従来のものと同等の測定値が得られたことから、本構造がクラスターイオン用FCの小型化に有用であることが分かった。

口頭

円筒ガラス凹凸レンズの面間チャネルに入射した4MeV炭素イオンの透過特性

本橋 健次*; 鈴木 優紀*; 齋藤 勇一; 宮脇 信正; 的場 史朗; 神谷 富裕

no journal, , 

近年、ガラスキャピラリーを透過するMeVエネルギーイオンビームに対して、ガラス表面近傍原子との小角散乱やチャージアップに起因すると考えられる偏向・集束効果が発見された。我々は、この現象に着目して、MeVエネルギーイオンビームの偏向に応用することを考え、固体表面を利用した高速重イオンの偏向効果を検証することを目的に、一対の凸凹ガラス円筒面の隙間(面間チャネル)に4MeV炭素イオンを入射した際の透過率とエネルギーのガラス円筒面に対するビーム入射角(チルト角)依存性を調べた。曲率半径155.70mm奥行き20mmの凸凹ガラス円筒光学レンズを1.2mmの間隔で対向した面間チャネルに、直径1mmの4MeV-C$$^+$$イオンを入射し、面間チャネル入口を中心としてチルト回転したときの透過イオンを表面障壁型半導体検出器で検出し、そのイオン透過率とエネルギーを測定した。その結果、幾何学的にはビームが透過できない角度の時でも電流透過率が約10%になることを確認した。これにより、曲面ガラスを利用してビームを偏向できることが示された。

口頭

数百keV/uクラスターイオン衝撃により炭素薄膜から放出される二次電子収量のクラスターサイズ依存性

鳴海 一雅; 千葉 敦也; 山田 圭介; 的場 史朗; 齋藤 勇一

no journal, , 

高速クラスターイオン衝撃による固体からの二次電子放出に関する近接効果を調べるため、数百keV/uクラスターイオンを非晶質炭素薄膜に照射した際に放出される二次電子収量の測定を行っている。今回は、クラスターイオンによって固体内に発生する励起電子の表面までの輸送過程に由来する近接効果のクラスターサイズに対する依存性を測定した。ビーム軸に対して45$$^{circ}$$傾けた非晶質炭素薄膜(厚さ1-100$$mu$$g/cm$$^{2}$$)に62.5keV/u C$$_{n}$$$$^{+}$$(${it n}$=1-4)、あるいは100keV/u H$$_{n}$$$$^{+}$$(${it n}$=1-3)を照射し、薄膜の前方に放出される二次電子収量を測定した。二次電子収量の評価は、薄膜を透過した解離イオンを二次電子の検出と同時に半導体検出器(SSD)で検出し(受け入れ角7.6$$^{circ}$$)、解離イオンが全て検出された場合のみを抽出して行った。この実験結果に現れる励起電子の輸送過程に由来する近接効果についてウェイクポテンシャルモデルに基づき考察した。

口頭

テーパー型マイクロチャンネルプレートの絶対検出効率測定

的場 史朗; 石川 学*; 高橋 果林*; 小泉 哲夫*; 城丸 春夫*

no journal, , 

マイクロチャンネルプレート(MCP)の最大検出効率は、表面積に対する全細孔の開口面積比(開口率)とほぼ等しいことが知られている。市販の一般的なMCPでは開口率は50%-60%である。我々は、検出効率を向上させる目的で、入射部にテーパー加工を施して開口率を約100%に増大させたMCPを開発した。このMCPについて、過去に多くの測定例があるHeイオンに対する検出効率を測定した。その結果、最大検出効率は91%であった。開口率100%のMCPでは、テーパー縁部での電場分布が従来型MCPと異なり、テーパー縁部で生成した二次電子がチャンネル部に入射する確率が少なくなるので、検出効率が開口率より低下すると考えられる。

口頭

Transmission ratios of carbon cluster ions through a tandem accelerator

齋藤 勇一; 千葉 敦也; 薄井 絢; 山田 圭介; 的場 史朗; 鳴海 一雅

no journal, , 

Intense cluster ion beams are required in research of surface modification, surface analysis and so on. One of the key points in increasing a current of a cluster beam accelerated by a tandem accelerator is enhancement of transmission, a ratio of a beam current of incident negative cluster ions upon the tandem to that of accelerated intact positive cluster ions. The transmission is strongly dependent on a charge-exchange gas pressure. Therefore, the measurement of transmission as a function of the gas pressure is important to obtain a higher beam current of cluster ions. In this work, the transmission of C$$_{60}$$ ions was measured as a function of the helium gas pressure in the high voltage terminal at 2.5 MV. The maximum transmission ratios of 2.6% for C$$_{60}$$$$^{1+}$$ and 1.4% for C$$_{60}$$$$^{2+}$$ were finally obtained.

口頭

Cluster-size dependence of secondary-electron yields induced by bombardment of carbon foils with 100's-kev/u cluster ions

鳴海 一雅; 千葉 敦也; 山田 圭介; 的場 史朗; 齋藤 勇一

no journal, , 

A vicinage effect on secondary-electron (SE) emissions from a solid induced by swift molecular/cluster ions is one of the open questions of atomic collisions in solids. It cannot be explained by only the production process of the three-step model of SE emissions, which is closely related to the energy deposition by a projectile. We have investigated cluster-size dependence of SE yields emitted in the forward direction from amorphous C foils (2-100 $$mu$$g/cm$$^{2}$$) bombarded with 62.5-keV/u C$$_{{it n}}$$$$^{+}$$ ions ($${it n}$$ = 1-4) in order to demonstrate the vicinage effect not originating from the production process in the present study. Suppression of SE emissions (one of the vicinage effects) is observed and does not diminish in all the foils measured. The suppression effect is larger as the cluster size $${it n}$$ is larger. This dependence is observed for at least 60 $$mu$$g/cm$$^{2}$$, indicating that the effect originating from some physical mechanism exists even at the thick foils, where the contribution of the production process to the effect could be excluded on the basis of previous studies. This can lead to the conclusion that the vicinage effect not originating from the production process is demonstrated experimentally.

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