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論文

Magnetic field stabilization by temperature control of an azimuthally varying field cyclotron magnet

奥村 進; 荒川 和夫; 福田 光宏; 中村 義輝; 横田 渉; 石本 貴幸*; 倉島 俊; 石堀 郁夫; 奈良 孝幸; 上松 敬; et al.

Review of Scientific Instruments, 76(3), p.033301_1 - 033301_6, 2005/03

https://doi.org/10.1063/1.1858578
 被引用回数：9 パーセンタイル：43.09(Instruments & Instrumentation)

AVFサイクロトロンの運転において、ビーム電流減少を引き起こす数十時間に渡る10$$^{-4}$$台の磁場変動が生じていた。実験の結果より、励磁コイルからの熱によって鉄心温度が上昇し、ビーム特性の劣化を引き起こす磁場変動を発生させていることを明らかにした。鉄心温度上昇を防ぎ、高安定磁場を実現するために、メインコイルとヨークとの間への熱絶縁やトリムコイル冷却水温度制御の高精度化といった鉄心温度制御技術を開発した。この温度制御によって、磁場安定度$$pm$$5$$times$$10$$^{-6}$$を達成し、$$pm$$2%のビーム強度安定度を得た。

論文

A Coherent positron beam for reflection high-energy positron diffraction

河裾 厚男; 石本 貴幸*; 前川 雅樹; 深谷 有喜; 林 和彦; 一宮 彪彦

Review of Scientific Instruments, 75(11), p.4585 - 4588, 2004/11

https://doi.org/10.1063/1.1806651
 被引用回数：33 パーセンタイル：80.32(Instruments & Instrumentation)

陽電子回折実験のための10keV陽電子ビームを同軸対称な電磁石を用いて開発した。ビーム輝度は、$$sim$$10$$^{7}$$ e$$^{+}$$/sec/cm$$^{2}$$/rad$$^{2}$$/Vとなり、陽電子再放出に基づく輝度増強技術で得られるものに匹敵する性能である。ビーム進行方向と垂直方向の可干渉距離は、それぞれ100$AA $と40$AA $であった。これらは、大きな単位胞を持つ表面超構造の観察にも十分な値である。実際、Si(111)-7$$times$$7表面からの超構造反射を従来よりも鮮明に観察できることが確認された。

論文

Observation of fast positron diffraction from a Si(111)7$$times$$7 surface

河裾 厚男; 深谷 有喜; 林 和彦; 前川 雅樹; 石本 貴幸*; 岡田 漱平; 一宮 彪彦*

Materials Science Forum, 445-446, p.385 - 389, 2004/02

これまで、われわれは反射高速陽電子回折における全反射と一次ブラッグピークの存在を実証した。しかしながら、最構成表面に付随する分数次回折点の観測には至っていなかった。そこで、Si(111)7$$times$$7を用いて陽電子回折実験を行った。その結果、陽電子回折図形における1/7から3/7の分数次ラウエ帯の存在を発見した。さらに、鏡面反射点の入射視射角依存性(ロッキング曲線)を決定し、アドアトムによる陽電子の非弾性散乱に起因する構造を見いだした。従来の電子回折実験で決められている原子配置と吸収ポテンシャルを使用すると、実験結果が再現されないことから、これらのパラメータを変更する必要があることが判明した。

報告書

静電輸送陽電子ビームによる反射高速陽電子回折(RHEPD)装置の開発

石本 貴幸*; 河裾 厚男; 伊藤 久義; 岡田 漱平

JAERI-Tech 2003-091, 32 Pages, 2003/12

JAERI-Tech-2003-091.pdf:3.96MB

反射高速陽電子回折(RHEPD)の表面研究のために装置開発を行い、1998年には、世界で初めてとなる明瞭な陽電子回折図形の観測に至った。初期に開発された装置は、三段のアインツェルレンズとコリメータによって平行陽電子ビームを得る仕組みになっていた。しかしこの装置では、ビームエネルギー分散と$$gamma$$線によるバックグラウンドが鮮明な回折図形観察の妨げとなることがわかってきた。すなわちより精度の高い実験を行うためには、ビームエネルギー分散と$$gamma$$線のバックグラウンドを低減し、かつ観測システムのダイナミックレンジを高める必要がある。そこで、初期の装置に対して同心円球状の静電偏向器と二段のアインツェルレンズを新たに加える改造を施した。その結果、$$gamma$$線が起源のノイズを大幅に低減することができ、ビーム径1mm,エネルギー分散0.1%以下、及び角度分散0.1%以下の高品質陽電子ビームを得ることができた。また新たに画像観測システムを構築した。その本装置を用いて、従来の研究では観測不可能であったSi(111) 表面に付随する微弱な一次ラウエ帯の観測に成功した。

論文

Top most surface studies by total reflection positron diffraction

河裾 厚男; 石本 貴幸*; 深谷 有喜; 林 和彦; 一宮 彪彦

e-Journal of Surface Science and Nanotechnology (Internet), 1, p.152 - 157, 2003/12

https://doi.org/10.1380/ejssnt.2003.152

反射高速陽電子回折は、新規的な表面解析プローブである。陽電子に対する結晶ポテンシャルは電子とは逆に正であり、ある臨界角度のところで入射陽電子は全反射する。陽電子エネルギーが10keV,結晶ポテンシャルが15Vとすると、この臨界角度は2$$^{circ}$$となる。これは精密な回折強度解析を行うのに十分大きな値である。また、入射陽電子のエバネッセント波の侵入長は3$$sim$$10$AA $であるので、全反射を使うことでバルクの影響なく表面の研究を行うことができる。われわれは、よく絞られた単色の陽電子ビームを形成し、初期に行った水素終端Si(111)表面の定量解析から、さらに特筆すべき成果を挙げた。本講演では、反射高速陽電子回折を用いた全反射強度解析によるSi(111)-7$$times$$7と酸素吸着したSiC(0001)表面の研究について報告する。前者では全反射強度分布が表面付着原子(adatom)の垂直座標に極めて敏感であることが見いだされた。そして、電子回折や第一原理計算で決定されている値と比べるとadatomは、真空側に約0.1$$sim$$0.2$AA $ずれていることが判明した。また、後者では酸素吸着長が1.9$AA $と決定され、これも電子回折や理論的予測値よりも大きくなることがわかった。また、熱処理により酸素が脱離すると全反射領域の吸収ピークが消失することがわかった。以上のように、理論・実験を通じて陽電子回折の有用性が実証された。

論文

Construction of intense positron source based on AVF cyclotron for high brightness positron beam

前川 雅樹; 河裾 厚男; 石本 貴幸*; Chen, Z. Q.

JAERI-Review 2003-033, TIARA Annual Report 2002, p.297 - 299, 2003/11

https://jopss.jaea.go.jp/pdfdata/JAERI-Review-2003-033-p0001-p0187.pdf

陽電子ビームを用いた物性研究は、空孔型格子欠陥の非破壊高感度検出や物質最表面の構造解析が可能であるなど、強力な物性評価手法の一つとして広く用いられているが、現行の密封線源によるビーム形成では得られる輝度に限界があり、物質表面で起こる過渡現象や微小試料の研究を行う上で大きな制約となっている。この制限を打破すべく、イオンビームを用いた高強度陽電子線源の作製を試みた。TIARAのAVFサイクロトロンを用いて発生した20MeVのプロトンビームを高純度アルミニウムに照射し、$$^{27}$$Al(p,n)$$^{27}$$Si反応により生成した$$^{27}$$Siが$$beta$$$$^+$$崩壊する際の陽電子を減速し低速陽電子ビームとして形成する。陽電子の発生を確認するために構築したソレノイド磁場を用いた陽電子輸送系において陽電子ビーム強度を計測したところ、発生陽電子個数は入射イオンビームカレントと非常に良い直線性を示し、イオンビーム1$$mu$$A当りの発生陽電子個数は10$$^7$$個/secとなった。この強度は、バックグラウンドの混入等も考えられるがサイクロトロンを用いた陽電子ビーム発生と高輝度陽電子ビーム形成に向けて期待できる結果となった。

論文

Development of a magnetic field monitoring system for the JAERI AVF cyclotron

奥村 進; 荒川 和夫; 福田 光宏; 中村 義輝; 横田 渉; 石本 貴幸; 倉島 俊; 石堀 郁夫; 奈良 孝幸; 上松 敬; et al.

Nukleonika, 48(Suppl.2), p.S35 - S37, 2003/00

サイクロトロンでは、ビーム強度減少などのビーム不安定現象が一般的に生じるため、高精度なビーム制御は困難であった。原研AVFサイクロトロンでは、この原因がサイクロトロン電磁石の鉄心温度上昇による磁場変動であることを突き止め、鉄心温度の定温化によってビーム強度の安定化を確認した。イオンビームによる細胞や材料の微細加工技術の開発に必要なビームサイズ1ミクロンを達成するにはビームエネルギーの最小化が必要で、これにはビーム強度のみならずビーム位相も十分安定化する必要があり、サイクロトロン電磁石が磁場安定度10$$^{-5}$$を達成している必要がある。この磁場安定度測定を実現するには通常用いられるホール素子では精度が不十分であるため、核磁気共鳴(nuclear magnetic resonance:NMR) を利用した測定法を用いる必要があるが、サイクロトロン内部は高磁場(~2T)、高磁場勾配(~10G/cm)、高電磁場ノイズのため従来のNMR磁場測定装置では測定が困難であった。そこで、磁場勾配補正コイルの採用や高電磁場ノイズ対策などを行ったNMR磁場測定装置を開発し、10$$^{-6}$$台の測定精度を実現することでサイクロトロン電磁石の磁場安定度を確認することに成功した。

論文

Reflection high-energy positron diffraction at solid surfaces by improved electrostatic positron beam

河裾 厚男; 石本 貴幸*; 岡田 漱平; 伊藤 久義; 一宮 彪彦*

Applied Surface Science, 194(1-4), p.287 - 290, 2002/06

https://doi.org/10.1016/S0169-4332(02)00136-8
 被引用回数：6 パーセンタイル：34.98(Chemistry, Physical)

静電陽電子ビームを用いた各種固体表面の回折パターンの観測と反射率測定について報告する。初めてのRHEPD観測と一連の実験の後、ビームのエネルギー分散とパックグラウンドを低減させるため、分析電極と2つのアインツェルレンズを追加することで、装置を改良した。装置は、20keVのビームを高平行で発生できる仕様となっている。測定された角度分散は、0.1°で、エネルギー分散は、100eV(1%以下)であった。最も顕著な結果は、これまで観測することができなかった第1ラウエ帯が観測できるようになったことである。そのほか、金属表面によるRHEPDロッキング曲線などが新たに測定された。

論文

Improvement of the electrostatic positron beam apparatus and observation system for RHEPD experiment

石本 貴幸*; 河裾 厚男; 伊藤 久義

Applied Surface Science, 194(1-4), p.43 - 46, 2002/06

https://doi.org/10.1016/S0169-4332(02)00086-7
 被引用回数：9 パーセンタイル：45.24(Chemistry, Physical)

表面分析技術として極めて有用な反射高速陽電子回折(RHEPD)の検出感度とS/N比向上を目指し、本システムの改造を行なった。陽電子ビームの品質向上のため、既存のビームラインに45°静電偏向器を取り付け、2段のアインツェルレンズでビームを輸送後、コリメータでビーム中心軸成分を切り出した。この結果、陽電子ビームのエネルギー分散0.1keV以下,角度分散0.1°以下,ビーム径1mmを達成した。また、陽電子検出器に入射する$$gamma$$線量も減少し、ノイズ低減につながった。回折スポット検出のダイナミックレンジ広幅化のために検出系に画像キャプチャボードを取りつけ、積算画像を32bitで保存できるデータ処理プログラムを作成した。本改造により水素終端処理シリコン(111)基板を試料として、これまで観測されたゼロ次ラウエパターンに加え、微弱な一次ラウエパターンの実測に初めて成功した。

論文

Temperature control of a cyclotron magnet for stabilization of the JAERI AVF cyclotron beam

奥村 進; 荒川 和夫; 福田 光宏; 中村 義輝; 横田 渉; 石本 貴幸*; 倉島 俊; 石堀 郁夫; 奈良 孝幸; 上松 敬; et al.

AIP Conference Proceedings 600, p.330 - 332, 2001/00

https://doi.org/10.1063/1.1435267

JAERI AVFサイクロトロンにおいて、ビーム電流を長時間一定に保つにはしばしば磁場調整が必要となっている。NMRプローブによる磁場測定と白金測温抵抗体による温度測定から、磁場と電磁石の鉄心温度との間に相関関係があることがわかった。メインコイルからの熱が主な原因となって鉄心温度が上昇し、ビームの不安定現象を引き起こしている。鉄心への熱を遮断するために鉄心とメインコイル間に温度制御した銅板を挿入した。それに加えて、ポール先端温度を独立に制御するために、トリムコイルの冷却水温度制御系を独立化した。磁場安定化のために、これら温度制御系の最適運転条件を見いだした。

論文

Stabilization of cyclotron magnetic field strength by means of magnet temperature control

奥村 進; 倉島 俊; 石本 貴幸*; 横田 渉; 荒川 和夫; 福田 光宏; 中村 義輝; 石堀 郁夫; 奈良 孝幸; 上松 敬; et al.

Proceedings of 13th Symposium on Accelerator Science and Technology, p.283 - 285, 2001/00

サイクロトロンの磁場の変化によるビームの不安定性が近年大きく取り上げられている。前回の本研究発表会では、原研AVFサイクロトロンにおいては運転開始後、電磁石ヨークが主にメインコイルの放熱により数十時間にわたって上昇を続け、このためにビーム電流が減少することを突き止めたことを報告した。その後、さらに詳細なヨーク温度の分布泳ぎ磁場強度の時間変化を測定するとともに、熱解析コードによるシミュレーションも加えて検討した結果、主な熱源がメインコイルとトリムコイルであることを明らかにした。これに基づいて、メインコイルの放熱を断熱する装置と、ハーモニックコイルの温度をコイル電流に依らずに一定にする装置を設置した。試験運転では、運転開始50時間後もビーム電流を初期値の90%に保つという良好な結果を得た。一方で、これまで見えなかったサイクロトロン室の空気温度の影響が現れるなどの問題も出てきた。

論文

Acceleration test of M/Q=2 and 4 cocktail beams and study of multiturn extraction

横田 渉; 福田 光宏; 奥村 進; 荒川 和夫; 石堀 郁夫; 奈良 孝幸; 上松 敬; 田村 宏行; 倉島 俊; 中村 義輝; et al.

JAERI-Review 2000-024, TIARA Annual Report 1999, p.273 - 275, 2000/10

https://jopss.jaea.go.jp/pdfdata/JAERI-Review-2000-024.pdf

ほぼ等しい質量数対価数比(M/Q)を持つイオン種を短時間で交換するカクテルビーム加速技術は、広範囲のLETを必要とする宇宙半導体の開発等に不可欠である。現在TIARAではM/Q=5カクテル($$^{15}$$N$$^{3+}$$,$$^{20}$$Ne$$^{4+}$$,$$^{40}$$Ar$$^{8+}$$,$$^{84}$$Kr$$^{17+}$$)が利用できる。M/Q=2($$^{4}$$Ne$$^{2+}$$,$$^{12}$$C$$^{6+}$$,$$^{14}$$N$$^{7+}$$,$$^{16}$$O$$^{8+}$$,$$^{20}$$Ne$$^{10+}$$,$$^{36}$$Ar$$^{8+}$$)及びM/Q=4($$^{4}$$He$$^{+}$$,$$^{12}$$C$$^{13+}$$,$$^{16}$$O$$^{4+}$$,$$^{20}$$Ne$$^{5+}$$,$$^{40}$$Ar$$^{10+}$$,$$^{84}$$Kr$$^{21+}$$)カクテルについては異種イオンが混入するという問題があり、混入比を低減する技術開発を行った。その結果、一部のイオン種を除き、混入比を1$$times$$10$$^{-4}$$以下にすることに成功した。マルチターンの形成過程の解明は、P-チョッパーとS-チョッパーの組み合わせによるシングルパルス形成に必要なだけでなく、サイクロトロンのビームダイナミクスの理解に役立つ。そこでサイクロトロン内外のビームパルスの時間分布を測定した結果、内部ビームの時間分布よりも、ビーム引出しがマルチターンに強く影響していることが判明した。

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