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論文

Recent progress in the energy recovery linac project in Japan

坂中 章悟*; 明本 光生*; 青戸 智浩*; 荒川 大*; 浅岡 聖二*; 榎本 収志*; 福田 茂樹*; 古川 和朗*; 古屋 貴章*; 芳賀 開一*; et al.

Proceedings of 1st International Particle Accelerator Conference (IPAC '10) (Internet), p.2338 - 2340, 2010/05

日本においてERL型放射光源を共同研究チームで提案している。電子銃,超伝導加速空洞などの要素技術開発を進めている。また、ERL技術の実証のためのコンパクトERLの建設も進めている。これら日本におけるERL技術開発の現状について報告する。

論文

高速炭素クラスターイオンにおける薄膜透過後の平均電荷とその入射配向依存性

千葉 敦也; 齋藤 勇一; 鳴海 一雅; 阿達 正浩; 山田 圭介; 高橋 康之; 金子 敏明*

JAEA-Conf 2008-012, p.84 - 86, 2009/03

MeV領域のエネルギーを持つ重イオンクラスターと物質との衝突反応機構の解明に向け、薄膜を透過したクラスター解離イオンの電荷と薄膜入射時のクラスター構成イオンの空間配置との関係を調べている。今回は、薄膜(1$$mu$$g/cm$$^{2}$$)を透過したC$$_{2}$$$$^{+}$$(6MeV)の解離イオンの発散角と電荷の同時測定を試みた。解離した2つのイオンの電荷の組合せごとの発散角強度分布を粒子軌道計算で再現することにより、膜内での解離イオンの軌道を算出し、C$$_{2}$$$$^{+}$$の入射配向と発散角を対応づけることで、解離イオンの平均電荷と入射配向の関係を得た。その結果、入射配向が膜面に対して鋭角なほど解離イオンの平均電荷は大きくなる傾向にあることを実験により初めて明らかにした。

論文

Monte Carlo particle trajectory simulation for classification of C$$_{3}^{+}$$ cluster ion structure utilizing coulomb explosion imaging

阿達 正浩; 齋藤 勇一; 千葉 敦也; 鳴海 一雅; 山田 圭介; 金子 敏明*

Radiation Physics and Chemistry, 77(10-12), p.1328 - 1332, 2008/10

 パーセンタイル:100(Chemistry, Physical)

高速クラスターイオンは電子的な衝突を介して物質と相互作用する。このこととクラスターの多体衝突効果とを合わせて考え、電荷状態とクラスター構造との関係を明らかにすることで相互作用解明へとつながる知見が得られると期待した。そのためにわれわれはクーロン爆発イメージング法により拡大したクラスター構成イオンの相対位置と電荷状態を同時測定している。この方法で構造弁別するためには、薄膜内部での散乱や相対位置の拡大による相対位置のずれの度合いを評価する必要がある。そこで、直線構造と三角構造のそれぞれのC$$_{3}$$クラスターの薄膜透過後の軌道を計算するための粒子軌道計算コードを開発し、測定システムに対する評価を行った。このコードでは、拡大後の各イオンの位置の重心からの距離を用いて、原点付近で三角構造の割合が、周辺では直線構造の割合が高まるような平面上の点に変換する方式を考案して取り入れた。その結果、原点を中心とした円形領域を設定することで構造弁別の精度の評価が可能となり、直線構造と三角構造とをそれぞれ70%, 90%の精度で弁別可能な条件を見いだした。

論文

Development of secondary ion mass spectroscopy using medium energy C$$_{60}$$ ion impact

平田 浩一*; 齋藤 勇一; 千葉 敦也; 阿達 正浩*; 山田 圭介; 鳴海 一雅

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 266(10), p.2450 - 2452, 2008/05

 被引用回数:8 パーセンタイル:42.18(Instruments & Instrumentation)

Time-of-flight (TOF) secondary ion mass spectroscopy was performed using primary C$$_{60}$$ ions with an energy range from several tens of keV to several hundreds of keV. Application of the spectroscopy to the analysis of a poly(amino acid) film revealed that characteristic peaks, necessary for identification of the amino acid in proteins, show higher intensities for medium energy C$$_{60}$$ (120 keV C$$_{60}^{+}$$ and 540 keV C$$_{60}^{2+}$$) impacts than those for low energy C$$_{60}$$ (30 keV C$$_{60}^{+}$$) impacts. This finding demonstrates that medium energy C$$_{60}$$ ion impacts are useful for highly sensitive characterization of amino acids.

論文

Average charge and its structure dependence of fragment ions under irradiation of a thin carbon foil with a 1-MeV/atom C$$_{3}$$$$^{+}$$ cluster ion

千葉 敦也; 齋藤 勇一; 鳴海 一雅; 阿達 正浩; 金子 敏明*

Physical Review A, 76(6), p.063201_1 - 063201_6, 2007/12

 被引用回数:8 パーセンタイル:53.98(Optics)

炭素薄膜(2.4$$mu$$g/cm$$^{2}$$)を透過した炭素クラスターイオンC$$_{3}$$(1MeV/atom)の電荷量の測定を行った。薄膜透過により解離したクラスターを構成していたイオンはCCDカメラでモニターした発光型位置検出器で検出される。このCoulomb explosion imaging techniqueを応用した測定技術により検出されたクラスター構成原子の位置データから各構成原子の電荷量を見積もることができると同時に薄膜透過前のクラスター構造を推測することができる。解析の結果、薄膜透過後の構成原子の平均電荷は、環状構造(三角形構造)の方が鎖状構造よりも小さいことがわかった。さらに鎖状構造において、両端に位置するイオンの方が中心に位置するイオンよりも平均電荷は大きくなることがわかった。これらの実験結果は最新の理論値と良い一致を見た。

論文

高速炭素クラスターイオンの構造と薄膜透過後の電荷分布の測定

千葉 敦也; 齋藤 勇一; 鳴海 一雅; 阿達 正浩; 金子 敏明*

JAEA-Review 2006-042, JAEA Takasaki Annual Report 2005, P. 176, 2007/02

炭素薄膜を透過した高速炭素クラスターイオンC$$_{3}$$$$^{+}$$ (1MeV/atom)の電荷を測定した。薄膜透過により解離したC$$_{3}$$$$^{+}$$の構成イオンは平行平板電極($$Delta$$30kV)により電荷に比例して偏向され、CCDカメラでモニターした発光タイプの位置検出器(MCP)により検出される。検出された位置(C$$_{3}$$$$^{+}$$を構成していた3つのイオンの分布)は電荷と解離前のクラスター構造の情報を含んでいるため、本測定系により構成イオンの平均電荷の構造依存性について議論することができる。その結果、薄膜透過後の平均電荷は鎖状構造の方が環状構造よりも大きく、さらに鎖状構造において、中心に位置するイオンよりも両端に位置するイオンの方が平均電荷は大きくなることがわかった。これらの実験結果は、薄膜中でのクーロン爆発と隣接するイオン場の影響を考慮したクラスター平均電荷の理論計算値と良い一致を見た。

論文

TIARAにおけるクラスターイオン加速の現状

齋藤 勇一; 千葉 敦也; 鳴海 一雅; 阿達 正浩

第19回タンデム加速器及びその周辺技術の研究会報告集, p.13 - 16, 2007/01

効率的なクラスター加速のためには、荷電変換ガスとの衝突の際の、電離と解離の割合を最適化させることが重要である。この割合はガス圧のほか、荷電変換ガスの種類にも大きく依存すると考えられる。そこで今回、窒素,二酸化炭素,六フッ化硫黄の3種類のガスを用いて、加速効率を比較した。その結果、それぞれのガスの最大加速効率は、通常荷電変換ガスとして用いている窒素を基準にして、二酸化炭素で約8割、六フッ化硫黄で約7割となり、この3つの中では分子量が少ないほど加速効率がよくなる傾向を見いだした。また、クラスターイオンの加速エネルギー領域の拡大のため、多価クラスターイオン利用の可能性を利用頻度の高い金クラスターイオンについて探った。その結果、Au3の2価イオンを70pfA程度の電流で照射することに成功し、最大エネルギーが6MeVから9MeVに拡大することができた。応用研究としては、クラスターと物質との相互作用の研究の一環として、薄膜通過後の炭素クラスターの電荷状態の、クラスター構造依存性について調べた。その結果、C3クラスターの場合、もとの構造が鎖状と三角形状では、薄膜通過後の平均電荷が異なることがわかった。

口頭

炭素薄膜中での高エネルギー炭素クラスターイオンの荷電変換断面積の評価

阿達 正浩; 齋藤 勇一; 千葉 敦也; 鳴海 一雅; 金子 敏明*

no journal, , 

構成原子の配列構造(直線及び三角形状など)が異なるクラスターイオンが薄膜を透過すると、透過後のクラスターイオンの平均電荷に違いが現れるという理論的な予測が報告されている。そこで、構成原子あたり数MeVの高速C$$_{3}$$クラスターイオンについて炭素薄膜への照射実験を行い、独自に開発した測定システムを用いて薄膜透過直後の構成原子の構造と個々の電荷を同時に測定した。この結果、理論予測通り直線構造では三角構造よりも平均電荷が高く、直線構造の両端に位置するイオンは中心に位置するものに比べて平均電荷が高くなることを実験で初めて確かめることができた。今後は、各価数の構成比が膜厚に応じてどのように変化するのかをさらに詳細に計測して物質中のクラスターイオンの状態(価数の構成比の変化)を明らかにすることで、物質とクラスターイオンとの反応機構の解明を目指す。この一環として現在、膜圧を変えて測定した価数の構成比のデータを定量的に解析するために、測定データから荷電変換断面積の計算を試みている。測定結果は膜内でのクラスターイオンのエネルギーロスが無視できないことを示唆しており、現在、荷電変換断面積の計算コードの開発を行っている。これを用いて、測定した価数構成比の値から荷電変換断面積の値を計算しているので、この結果についても報告する。

口頭

クラスターイオンのタンデム加速器透過率の測定

齋藤 勇一; 千葉 敦也; 阿達 正浩; 鳴海 一雅

no journal, , 

MeVエネルギー領域のクラスターイオンビームを加速するには、既存のスパッター負イオン源で数種類のクラスターイオンの生成が可能であるため、タンデム加速器が用いられている。しかし、タンデム加速器は荷電変換ガスとの衝突の際に、クラスターが壊れずに加速されるイオンの割合(クラスター透過率,電流として測定)が低い(数%以下)という問題がある。そこで、クラスター透過率の向上(クラスターイオンビームの大電流化)を目的に、荷電変換ガスとして、分子量が異なる3種類のガス(窒素,二酸化炭素,六フッ化硫黄)について、炭素クラスターイオン(C$$_{8}$$)のクラスター透過率を測定した。その結果、分子量が小さい方がクラスター透過率が高く、窒素が最も高い透過率が得られた。また、窒素の最大透過率に対して二酸化炭素で約80%、六フッ化硫黄で約70%のクラスター透過率であった。測定した透過率とガス圧の関係から、各ガスに対するクラスターイオンの解離断面積及び生成断面積を導出し比較した結果、分子量が大きなものほど、生成断面積及び解離断面積とも大きいことが示唆された。

口頭

クラスターイオン構造選別のための粒子軌道計算

阿達 正浩; 齋藤 勇一; 千葉 敦也; 山田 圭介; 鳴海 一雅; 金子 敏明*

no journal, , 

構成原子の配列構造(直線及び三角形状など)が異なるクラスターイオンを薄膜に照射した場合、薄膜を通過しているクラスターイオンの平均電荷に差があるという理論的な予測が報告されている。そこでわれわれはクラスター構成原子の相対位置とその電荷を同時に測定するシステムを開発し、炭素薄膜に構成原子あたり数MeVの高速C$$_{3}$$クラスターイオンビームを照射して薄膜透過後の相対位置と平均電荷から配列構造を選別し、理論予測と定性的に一致する結果を得た。この研究をさらに発展させるために構造選別の高精度化に取り組んでいる。そのための方法として、C$$_{3}$$イオンの構造ごと,薄膜透過後の電荷構成ごとにスクリーン上に到達する領域を粒子軌道計算によりあらかじめ予測し、計測した相対位置と電荷から構造選別を行うという手法を考案し、そのための粒子軌道計算コードを開発した。これには多重散乱によるビーム拡がりの効果をモンテカルロ法と組合せて導入した。開発した計算コードの概要とこれによる予測結果に関して報告する。

口頭

クラスターイオン照射によるSi, FeRhの構造・磁性変化

岩瀬 彰宏*; 図子 善大*; 中谷 友也*; 藤田 直樹*; 堀 史説*; 大嶋 隆一郎*; 関 修平*; 齋藤 勇一; 千葉 敦也; 阿達 正浩; et al.

no journal, , 

高エネルギークラスターイオンを物質に照射すると、単原子イオンを同じ個数だけ照射した場合と異なるさまざまな照射効果が観測される。この照射効果としてSi結晶の非晶質化及びFeRh合金の磁性構造の変化に着目し、Auクラスターイオンの照射量をパラメータにそれらを観測した。その結果、Siの非晶質化では照射量が1$$times$$10$$^{13}$$Au/cm$$^2$$のときは、Au$$_3$$照射のみ結晶の一部が非晶質化した。照射量が2$$times$$10$$^{13}$$/cm$$^2$$と少し多くなるとAu$$_2$$照射の場合でも非晶質化が起こった。照射量をさらに多くして6$$times$$10$$^{13}$$Au/cm$$^2$$とするとクラスターサイズによらず、すべての照射で非晶質化が見られ、非晶質化が観測可能になる照射量が、AuとAu$$_3$$では少なくとも6倍異なる非線形性を確認した。FeRh合金の磁性構造の変化については、Au, Au$$_3$$照射とも、平均数100ナノメートル程度のスケールで磁性の強弱が現れる特異な磁気構造が見いだされたが、Au$$_3$$クラスターイオン照射のときの磁性の強弱がより明瞭であり、クラスターイオン照射効果が磁気構造にも現れたことを示唆する結果が得られた。

口頭

パルス化クラスターイオンビームを用いた高感度表面分析

平田 浩一*; 小林 慶規*; 齋藤 勇一; 千葉 敦也; 阿達 正浩; 山田 圭介; 神谷 富裕; 鳴海 一雅

no journal, , 

クラスターイオン照射では、複数の原子が同時に試料表面の狭い領域にエネルギーを付与するため、単原子イオン照射とは異なった照射効果が期待される。ここでは、クラスターイオンを1次イオンとして2次イオン質量分析を行うと、試料表面に存在する元素が高感度で分析できることを報告する。例えば、C$$_8$$$$^+$$クラスターイオン(0.5MeV/atom)照射によるNa$$^+$$2次イオン強度は、C$$_1$$$$^+$$単原子イオン(0.5MeV/atom)照射に比べて、入射原子1個あたり15倍から20倍程度にもなる。このような、2次イオン強度の上昇は、金属のみならず、半導体,高分子試料等を分析した場合でも観測された。

口頭

粒子軌道計算による高速C$$_{3}$$クラスターイオンの構造選別の高精度化に関する研究

阿達 正浩; 齋藤 勇一; 千葉 敦也; 鳴海 一雅; 山田 圭介; 金子 敏明*

no journal, , 

高速クラスターイオンは電子的な衝突を介して物質と相互作用する。このこととクラスターの多体衝突効果とを合わせて考え、電荷状態とクラスター構造との関係を明らかにすることで相互作用解明へとつながる知見が得られると期待した。そのためにわれわれはクーロン爆発イメージング法を利用してクラスター構成イオンの相対位置を拡大して観察し、同時に構成イオンの電荷状態も測定するシステムを開発した。この方法で構造を選別するためには薄膜内部での散乱に伴う相対位置のずれを評価する必要がある。そこで、直線構造と三角構造のC$$_{3}$$クラスターについて、薄膜透過後の相対位置と各構成イオンの電荷を取り入れた粒子軌道計算コードを開発し、測定システムに対する軌道計算を行った。このコードでは、拡大後の各イオンの位置の重心からの距離を用いて、原点付近で三角構造の割合が、周辺では直線構造の割合が高まるような平面上の点に変換する方式を考案して取り入れた。その結果、原点を中心とした円形領域を設定することで構造選別の精度の評価が可能となり、これに基づいて選別の規準を設定した。

口頭

クラスターイオン加速のためのタンデム加速器荷電変換ガスの検討

齋藤 勇一; 千葉 敦也; 阿達 正浩; 鳴海 一雅

no journal, , 

TIARAのタンデム加速器における大電流クラスターイオンビーム生成・加速技術の開発の一環として、クラスターイオン加速に最適な荷電変換ガスの探索を行っている。これまでストリッパーガスを接地側から供給していたために絶縁性の高いガスしかテストできなかったが、絶縁性の低い希ガス等が使えるように加速器高電圧ターミナル上にガスボンベを設置した。Heを荷電変換ガスとしてC$$_8$$及びC$$_4$$イオン加速テストをした結果、これまでのガス(窒素,二酸化炭素,六フッ化硫黄)よりも高い効率で、クラスターイオンを荷電変換することができた。加速器透過率(入射クラスターイオン電流に対する壊れずに加速されたクラスターイオン電流の比)のガス圧力への依存性から、ガスとの衝突によるクラスター正イオン(1価)の生成断面積と解離断面積を求めた結果、Heについてはこれらのガスの中で解離断面積が最も小さいために、正イオンの収量が最も多くなることがわかった。

口頭

Charge exchange cross section for carbon clusters on several stripper gases in tandem accelerator

齋藤 勇一; 千葉 敦也; 阿達 正浩; 鳴海 一雅

no journal, , 

Measuring cluster ion beam transmission as a function of the target gas density at a charge exchange section in a tandem accelerator allows us to determine cross sections for collision-induced destruction and a charge exchange from a negative ion (q = -1) to a positive ion (q = +1). Using the TIARA 3MV tandem accelerator, we evaluated the cross sections for carbon cluster ions C$$_n$$(n=4, 8) in MeV energy regions on several gas targets (He, N$$_2$$, CO$$_2$$, SF$$_6$$). As a result, it was revealed that the destruction cross sections and the charge exchange cross sections for C$$_4$$ and C$$_8$$ were on the order of 10$$^{-15}$$ cm$$^2$$ and 10$$^{-16}$$ cm$$^2$$, and on the order of 10$$^{-14}$$ cm$$^2$$ and 10$$^{-16}$$ cm$$^2$$, respectively.

口頭

原子力機構高崎研におけるMeVクラスターイオン照射効果の研究

鳴海 一雅; 齋藤 勇一; 千葉 敦也; 阿達 正浩; 楢本 洋*; 関 修平*; 平田 浩一*; 岩瀬 彰宏*; 金子 敏明*; 柴田 裕実*

no journal, , 

現在高崎量子応用研究所で行われている高エネルギークラスターイオン照射研究の最近の成果を報告する。薄膜を通過したクラスターイオンの荷電状態に対する近接効果,クラスターイオン照射によってSi単結晶中に生じる照射欠陥,高分子架橋反応を利用した高速クラスター誘起イオントラック可視化の試み,2次イオン放出過程に対するクラスター効果とその応用,結晶性標的に対するC$$_{60}$$イオンの照射効果について報告する。

口頭

高速クラスターイオン照射によるSSDの波高欠損

齋藤 勇一; 千葉 敦也; 阿達 正浩; 鳴海 一雅

no journal, , 

高速クラスターイオンが標的に作用するメカニズムの研究の一環として、イオンのエネルギーをSSD検出器で測定する際に、同一エネルギーのヘリウムイオン(He)に対する検出波高との差として見られる波高欠損を、タンデム加速器で加速したモリブデン(Mo)と、同じ質量のC8イオンについて測定し比較した。この結果、HeのSSD波高に対して、加速エネルギー5MeVのとき、C8が8割、Moが7割程度の波高となり、単原子であるMoのほうが、波高欠損が大きくなることを明らかにした。波高欠損の大きさは、SSD中の電離密度の大きさに関係しており、単原子イオンのほうが標的中に高密度電離を誘発していることが示唆された。これまでの実験で、2次イオン放出量は、MoよりもC8のほうが多いことが確かめられていることから、単原子イオンと比較してクラスターイオンは、塊でいる標的表面で大きな相互作用をして、ばらばらになった内部では電離密度が小さい緩やかな作用をすると考えられる。

口頭

イオンビーム解析法による低エネルギーC$$_{60}$$イオンのスパッタリング効果の評価,2

鳴海 一雅; 楢本 洋*; 高橋 康之; 山田 圭介; 齋藤 勇一; 千葉 敦也; 阿達 正浩; 前田 佳均

no journal, , 

20$$sim$$100keV C$$_{60}$$$$^{+}$$, 200$$sim$$400keV C$$_{60}$$$$^{2+}$$イオンを照射したSi(100)ウェハーについて、Siのスパッタリング収量を評価した。Si(100)試料は、事前に200keV Ar$$^{+}$$イオンを5$$times$$10$$^{15}$$ Ar/cm$$^{2}$$照射して表面近傍を非晶質化し、非晶質層の厚さの変化をチャネリング法を併用したラザフォード後方散乱(RBS)法によって測定した。得られたスパッタリング収量は入射C$$_{60}$$イオン1個あたり100$$sim$$600Si原子という値になり、100keV近辺にピークを持つ。炭素原子1個あたりのスパッタリング収量に換算すると、等速のXeイオンによるスパッタリング収量と同程度か倍程度に相当し、非常に顕著なクラスター効果を示すことがわかった。講演では、単原子イオンによるスパッタリングに対するSigmundの理論等と比較して、スパッタリング収量のエネルギー依存性を議論する。

口頭

Carbon-build-up analysis of Si surfaces bombarded with 10-to-100-keV C$$_{60}$$ ions

楢本 洋*; 高橋 康之; 山田 圭介; 千葉 敦也; 阿達 正浩*; 齋藤 勇一; 前田 佳均; 鳴海 一雅

no journal, , 

We will present the analysis of carbon concentration built up on Si surfaces bombarded with 10-, 50- and 400-keV C$$_{60}$$ ions with a nuclear reaction $$^{12}$$C(d, p$$_{0}$$)$$^{13}$$C using 1.2-MeV D$$^{+}$$. The fluence dependence of the carbon concentration in the surface layer of C$$_{60}$$-bombarded Si that we obtained is inconsistent with the one estimated from the assumption that all of the carbon atoms due to an incident C$$_{60}$$ ion remain at the surface. The measured concentration is higher than the estimated one at lower fluence than $$sim$$10$$^{14}$$ C$$_{60}$$/cm$$^{2}$$, while the rate of increase of the concentration becomes smaller at higher fluence than $$sim$$10$$^{14}$$ C$$_{60}$$/cm$$^{2}$$ and the concentration is lower than the estimation at last. The observed fluence dependence is reproduced well by a rate equation describing the carbon concentration at the surface as a function of the C$$_{60}$$ ion fluence based on an assumption that the carbon concentration is determined by the competition between the sputtering and the carbon deposition or implantation which includes the contribution of C$$_{60}$$-bombardment-induced recoil of the surface contaminants.

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