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論文

Transmission secondary ion mass spectrometry using 5 MeV C$$_{60}$$$$^{+}$$ ions

中嶋 薫*; 永野 賢悟*; 鈴木 基史*; 鳴海 一雅; 齋藤 勇一; 平田 浩一*; 木村 健二*

Applied Physics Letters, 104(11), p.114103_1 - 114103_4, 2014/03

 被引用回数:5 パーセンタイル:26.55(Physics, Applied)

In the secondary ion mass spectrometry (SIMS), use of cluster ions has an advantage of having a high sensitivity of intact large molecular ions over monatomic ions. This paper presents further yield enhancement of the intact biomolecular ions with measuring the secondary ions emitted from a self-supporting thin film in the forward direction, which is the same direction as primary beams. Phenylalanine amino-acid films deposited on self-supporting thin Si$$_{3}$$N$$_{4}$$ films were bombarded with 5-MeV C$$_{60}$$$$^{+}$$ ions. Secondary ions emitted in the forward and backward directions were measured under the bombardments of the SiN and phenylalanine sides, respectively. The yield of intact phenylalanine molecular ions emitted in the forward direction is about one order of magnitude larger than the backward direction, while fragment ions of phenylalanine molecules are suppressed. This suggests a large potential of transmission cluster-ion SIMS for the analysis of biological materials.

論文

Time-of-flight secondary ion mass spectrometry with energetic cluster ion impact ionization for highly sensitive chemical structure characterization

平田 浩一*; 齋藤 勇一; 千葉 敦也; 山田 圭介; 鳴海 一雅

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 314, p.39 - 42, 2013/11

 被引用回数:3 パーセンタイル:29.69(Instruments & Instrumentation)

Secondary ion mass spectrometry (SIMS) is one of the most powerful tools for surface analysis. Use of a time-of-flight (TOF) mass spectrometry for SIMS is advantageous in efficiently detecting secondary ions at a wider range of mass to charge ratio. We have studied on TOF-SIMS utilizing cluster ions as primary ions. Their Energy dependence to the yield of secondary ions from organic thin films was obtained in the energy range up to MeV order. As a result, it was revealed that the secondary-ion yields for organic material increased with increasing incident cluster energy in the range. This shows that cluster impacts with the energy range of up to MeV order are useful in TOF-SIMS to be applied to the high sensitive analysis of surface for organic materials.

論文

Transmission properties of C$$_{60}$$ ions through micro- and nano-capillaries

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

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 315, p.336 - 340, 2013/11

 被引用回数:3 パーセンタイル:29.69(Instruments & Instrumentation)

Applying the beam-focusing method with capillaries to C$$_{60}$$ projectiles in the velocity range between 0.14 and 0.2 a.u., transmission properties of C$$_{60}$$ ions through two different types of capillaries are studied: (1) a borosilicate-glass single microcapillary with an outlet diameter of 5.5 $$mu$$m, and (2) an Al$$_{2}$$O$$_{3}$$ multicapillary foil with approximatey 70-nm pores in diameter and a high aspect ratio of approximately 750. Transmitted-particle compositions are measured with the electrostatic-deflection method combined with a two-dimensional position-sensitive detector. In the experiments with the single microcapillary, the main transmitted component is found to be primary C$$_{60}$$ ions, which are focused in the area equal to the capillary outlet diameter. The other components are charge-exchanged C$$_{60}$$ ions and charged or neutral fragments (fullerene-like C$$_{60-2m}$$ and small C$$_{n}$$ particles), and their fractions decrease with decreasing projectile velocity. Similar results are obtained in the experiments with the multicapillary foil. It is concluded from the relative transimission fractions of more than 80% that the C$$_{60}$$ transmission fraction is considerably high for both types of the capillaries in the present velocity range.

論文

Reduction of charging effects on negative secondary ion TOF mass spectra of PMMA using cluster ion impacts

平田 浩一*; 齋藤 勇一; 千葉 敦也; 山田 圭介; 鳴海 一雅; 神谷 富裕

JAEA-Review 2012-046, JAEA Takasaki Annual Report 2011, P. 165, 2013/01

Secondary ion (SI) mass spectrometry, based on the phenomenon that primary ion impacts on a target produce SIs originating from the target, is one of the most powerful tools for surface analysis. One of the difficulties in SI mass measurements of insulating targets is to stabilize the surface potential during the measurements, because ion impacts on insulating targets usually lead to an increase in the potential caused by the difference between the injected and emitted charges. We compared time-sequential variations of negative-SI TOF mass spectra of a thin PMMA film target for monoatomic (C$$_1$$$$^+$$) and cluster ions (C$$_8$$$$^+$$) impact with the same incident energy per atom (0.5 MeV/atom) to study difference in charging effects on N-SI mass spectra of insulating targets. For C$$_1$$$$^+$$ impacts, the peak shift to longer flight time and SI intensity reduction are observed. In contrast to the C$$_1$$$$^+$$ impacts, the N-SI TOF mass spectra for C$$_8$$$$^+$$ do not show the peak shift and SI intensity reduction, which shows that the surface potential is stable during the C$$_8$$$$^+$$ bombardment. The results demonstrate that N-SI TOF mass measurement of the insulating thin film target is available using cluster ions as a primary ion without charge compensation.

論文

Secondary ion emission from PTFE upon C$$_{60}$$ ion impacts

平田 浩一*; 齋藤 勇一; 千葉 敦也; 山田 圭介; 高橋 康之*; 鳴海 一雅; 神谷 富裕

JAEA-Review 2011-043, JAEA Takasaki Annual Report 2010, P. 156, 2012/01

Secondary ion (SI) yields from a Poly(tetrafluoroethylene) (PTFE) target for C$$_{60}$$ ion impacts were measured with an energy range from 30 keV to 270 keV by time-of-flight (TOF) SI mass analysis combined with SI electric current measurements. As a result, the use of impacts of C$$_{60}$$ ion with the increased incident energies (60 keV C$$_{60}$$$$^+$$, 120 keV C$$_{60}$$$$^+$$ and 270 keV C$$_{60}$$$$^{2+}$$) provided higher yields of the characteristic positive SIs for PTFE than those of lower energy C$$_{60}$$ ions (30-keV C$$_{60}$$$$^+$$) and advantageous for highly sensitive chemical analysis of PTFE.

論文

Surface-sensitive chemical analysis of organic insulating thin films using negative secondary ions induced by medium energy C$$_{60}$$ impacts

平田 浩一*; 齋藤 勇一; 千葉 敦也; 山田 圭介; 鳴海 一雅

Applied Physics Express, 4(11), p.116202_1 - 116202_3, 2011/11

 被引用回数:7 パーセンタイル:33.93(Physics, Applied)

We report on the surface-sensitive chemical analysis of organic insulating thin films using negative secondary ions (N-SIs) induced by C$$_{60}$$ impacts in the medium energy range from several tens to several hundreds keV. Incident C$$_{60}$$ energy dependence of emission yields of characteristic N-SIs for poly(methyl methacrylate) and charging effects on the N-SI mass spectra were investigated using time-of-flight SI mass spectrometry. Our results show that medium energy C$$_{60}$$ impacts stably provides considerably high characteristic N-SI yields without charge-compensation, and demonstrate that time-of-flight SI mass spectrometry with medium energy C$$_{60}$$ impacts is advantageous for highly-sensitive chemical analysis of organic insulators.

論文

Secondary ion counting for surface-sensitive chemical analysis of organic compounds using time-of-flight secondary ion mass spectroscopy with cluster ion impact ionization

平田 浩一*; 齋藤 勇一; 千葉 敦也; 山田 圭介; 高橋 康之*; 鳴海 一雅

Review of Scientific Instruments, 82(3), p.033101_1 - 033101_5, 2011/03

 被引用回数:8 パーセンタイル:42.12(Instruments & Instrumentation)

We report suitable secondary ion (SI) counting for surface-sensitive chemical analysis of organic compounds using time-of-flight (TOF) SI mass spectroscopy, based on considerably higher emission yields of SIs induced by cluster ion impact ionization. A SI counting system for a TOF SI mass spectrometer was developed using a fast digital storage oscilloscope, which allows us to perform various types of analysis as all the signal pulses constituting TOF SI mass spectra can be recorded digitally in the system. Effects of the SI counting strategy on SI mass spectra were investigated for C$$_8$$ and C$$_{60}$$ cluster ion impacts on an organically contaminated silicon wafer and on polytetrafluoroethylene targets by comparing TOF SI mass spectra obtained from the same recorded signals with different SI counting procedures. Our results show that the use of a counting system, which can cope with high SI yields is necessary for quantitative analysis of SI mass spectra obtained under high SI yield per impact conditions, including the case of cluster ion impacts on organic compounds.

論文

Comparison of secondary ion emission yields for poly-tyrosine between cluster and heavy ion impacts

平田 浩一*; 齋藤 勇一; 千葉 敦也; 山田 圭介; 高橋 康之; 鳴海 一雅

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 268(19), p.2930 - 2932, 2010/10

 被引用回数:3 パーセンタイル:30.42(Instruments & Instrumentation)

Emission yields of secondary ions necessary for the identification of poly-tyrosine were compared for incident ion impacts of energetic cluster ions (0.8 MeV C$$_{8}$$$$^{+}$$, 2.4 MeV C$$_{8}$$$$^{+}$$, and 4.0 MeV C$$_{8}$$$$^{+}$$) and swift heavy monoatomic molybdenum ions (4.0 MeV Mo$$^{+}$$ and 14 MeV Mo$$^{4+}$$) with similar mass to that of the cluster by time-of-flight secondary ion mass analysis combined with secondary ion electric current measurements. The comparison revealed that (1) secondary ion emission yields per C$$_{8}$$$$^{+}$$ impact increase with increasing incident energy within the energy range examined, (2) the 4.0 MeV C$$_{8}$$$$^{+}$$ impact provides higher emission yields than the impact of the monoatomic Mo ion with the same incident energy (4.0 MeV Mo$$^{+}$$), and (3) the 2.4 MeV C$$_{8}$$$$^{+}$$ impact exhibits comparable emission yields to that for the Mo ion impact with higher incident energy (14 MeV Mo$$^{4+}$$). Energetic cluster ion impacts effectively produce the characteristic secondary ions for poly-tyrosine, which is advantageous for highly sensitive amino acid detection in proteins using time-of-flight secondary ion mass analysis.

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:12 パーセンタイル:65.48(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

Organic contaminant detection of silicon wafers using negative secondary ions induced by cluster ion impacts

平田 浩一*; 齋藤 勇一; 千葉 敦也; 鳴海 一雅

Applied Physics Express, 1(4), p.047002_1 - 047002_3, 2008/04

 被引用回数:4 パーセンタイル:20.01(Physics, Applied)

Emission yields of carbon and hydrogenated carbon cluster secondary ions CpHq$$^pm$$ (p$$ge1$$, q$$ge0$$) originating from organic contaminants on a silicon wafer are compared between monoatomic (0.5 MeV/atom-C1$$^+$$) and cluster ion (0.5 MeV/atom-C8$$^+$$) impacts using time-of-flight (TOF) secondary ion mass spectrometry. CpHq$$^pm$$ for the cluster ion impact exhibits the highest emission yield per incident atom among CpHq$$^pm$$ with the same p number. The highest relative CpHq$$^pm$$ emission yield for the cluster ion impact reaches $$simeq 20$$ and $$simeq 60$$ times higher in comparison with those of CpHq$$^-$$ and CpHq$$^+$$ with the same p number for the impact of the monoatomic ion with the same velocity, respectively. Combination of negative secondary ion TOF measurements with cluster impact ionization is a promising tool for highly sensitive detection of organic-contaminants on silicon wafers.

論文

Laser ablation of silicon in neon gas; Study of excitation mechanism of neon neutrals by ablated silicon ions

佐伯 盛久; 平田 紘一*; 作花 哲夫*; 大場 弘則; 横山 淳

Journal of Applied Physics, 98(4), p.044912_1 - 044912_6, 2005/08

 被引用回数:3 パーセンタイル:14.36(Physics, Applied)

Nd:YAGレーザーの基本波を用いてネオンガス中でシリコンのレーザーアブレーションを行い、アブレーション生成物であるシリコンイオンによるネオンの励起過程を分光学的手法により調べた。その結果、ネオンは入力エネルギーの数十倍のエネルギー準位まで励起されており、その励起過程は早い成分($$<$$100ns)と遅い成分($$<$$300ns)に分類できることがわかった。さらに、早い成分は特定の励起状態においてのみ観測された。シリコンイオンとネオンで発光の時間変化を比較した結果、早い成分はシリコンイオンとネオンの電子状態間での共鳴的なエネルギー移動過程によるものであり、遅い成分はシリコンイオンの衝突エネルギーによりネオンが励起される過程であることが明らかになった。

論文

生殖生長期ダイズの生育とリン酸吸収に及ぼすアーバスキュラ菌根菌の影響; 可給態リン酸蓄積黒ボク畑表土を用いたポット試験

渡邉 浩一郎*; 六平 一良*; 松田 広子*; 有馬 泰紘*; 平田 熙*; 久米 民和; 松橋 信平

日本土壌肥料学雑誌, 72(6), p.793 - 796, 2001/12

アーバスキュラ菌根菌(AM菌)感染が生殖成長期のダイズの生育、リン酸吸収に及ぼす影響についてポット実験で検討した。すなわち、あらかじめ$$gamma$$線照射殺菌した土壌を用いて接種A菌の影響,$$gamma$$線照射殺菌の有無により土着AM菌の影響についてそれぞれ調べた。その結果、可給態リン酸が蓄積した黒ボク畑表土においても、生殖生長期ダイズの生育及びリン酸吸収に対してAM菌共生が有効であることが示された。

論文

Defects in 30 keV Er$$^{+}$$-implanted SiO$$_{2}$$/Si studied by positron annihilation and cathodoluminescence

平田 浩一*; 荒井 秀幸*; 河裾 厚男; 関口 隆央*; 小林 慶規*; 岡田 漱平

Journal of Applied Physics, 90(1), p.237 - 242, 2001/07

 被引用回数:4 パーセンタイル:22.55(Physics, Applied)

30keVのErイオン打込みによってSiO$$_{2}$$(48nm)/Si中に生成する欠陥を陽電子消滅及びカソードルミネッセンスによって調べた。3$$times$$10$$^{14}$$Er$$^{+}$$/cm$$^{2}$$及び1.5$$times$$10$$^{15}$$Er$$^{+}$$/cm$$^{2}$$の注入量に対して、低速陽電子ビームによるドップラー拡がり測定を行った。ESR測定の結果と併せて考えると、注入によって発生する欠陥の種類が注入量に依存することが判明した。カソードルミネッセンスと陽電子消滅のアニール温度依存性と、欠陥がルミネッセンスに及ぼす影響について可能性を探る。

論文

MeVクラスターイオン開発と照射効果

齋藤 勇一; 水橋 清; 田島 訓; 荒川 和夫; 平田 浩一*; 小林 慶規*

JAERI-Conf 2000-019, p.93 - 96, 2001/02

MeVクラスターイオンの照射は単原子イオンのそれと比較して、大きな運動量を局所的に付与することができるので非線形な効果が現れ、材料開発等への応用が期待される。そこで、われわれはタンデム加速器を利用したクラスターのMeVエネルギーへの加速及びそれらと標的材料との相互作用の研究を行っている。今回、新たに酸化鉄(FeO)イオンをMeVエネルギーに加速することに成功した。また、標的との相互作用の研究では、炭素クラスターイオン(C$$_{2}$$~C$$_{4}$$)照射と炭素単原子イオン照射で損傷形成量に違いのあること、及び金クラスター(Au$$_{2}$$~Au$$_{4}$$)照射により標的表面からの2次正イオンが増加することを確認した。

報告書

Japanese contributions to blanket design for ITER

黒田 敏公*; 吉田 浩; 高津 英幸; 関 泰; 野田 健治; 渡辺 斉; 小泉 興一; 西尾 敏; 真木 紘一*; 佐藤 瓊介*; et al.

JAERI-M 91-133, 191 Pages, 1991/08

JAERI-M-91-133.pdf:5.79MB

国際熱核融合実験炉(ITER)の概念設計は、1990年12月を以て3年間に渡る活動を終了した。この報告書はITERの概念設計の内、トリチウム増殖ブランケットに対する日本の設計検討をまとめたものである。日本は従来よりセラミック増殖材(Li$$_{2}$$O)をペブル形状で充填するブランケットを提案している。本設計においては、中性子増倍材(ベリリウム)をやはりペブル形状とし、Li$$_{2}$$Oペブルと混合して充填する方式および増殖材と増倍材の共存性が問題となった場合にこれを回避することを考えた分離充填方式(多層型)の2案について検討した。これらの構造概念を示すと共に、核および熱流動、強度特性に対する解析を実施し、トリチウムインベリ評価、製作性の検討を行った。正味トリチウム増殖比はいずれのブランケットも~0.8であり、外部からの供給と合わせ、ITERの運転に対するトリチウム燃料の供給を行える見込みである。

口頭

クラスターイオン照射効果の高感度表面分析への応用

平田 浩一*; 齋藤 勇一; 千葉 敦也; 鳴海 一雅; 小林 慶規*; 福田 光宏*

no journal, , 

クラスターイオン照射では、同一クラスターを起源とする複数の原子が、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。C$$_{1}$$$$^{+}$$単原子イオン(0.5MeV/atom), C$$_{8}$$$$^{+}$$クラスターイオン(0.5MeV/atom), C$$_{8}$$$$^{+}$$クラスターイオン(0.1MeV/atom)を1次イオンとして、有機物汚染した単結晶シリコン試料に照射した。その結果、有機物由来炭化物系2次イオンの相対強度が、クラスターイオン(0.5MeV/atom)照射の方が、C$$_{1}$$$$^{+}$$単原子イオン(0.5MeV/atom)照射に比べて、有機物汚染由来の2次イオンスペクトル強度が高いことがわかった。また、C$$_{8}$$$$^{+}$$クラスターイオン(0.1MeV/atom)でも、C$$_{1}$$$$^{+}$$単原子イオン(0.5MeV/atom)照射に比べて入射原子あたりに生成する2次イオン量が多かった。このように、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ことで、半導体表面上の汚染物質を高感度で分析することができる。

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

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

C$$_{60}$$イオン照射によるPTFEからの2次イオン放出

平田 浩一*; 齋藤 勇一; 千葉 敦也; 山田 圭介; 鳴海 一雅; 神谷 富裕

no journal, , 

数百keV程度のC$$_{60}$$1次イオンを用いた試料表面からの2次イオン質量分析装置を開発し、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)から放出される各2次イオンの放出強度に関して、C$$_{60}$$クラスターイオンの入射イオンエネルギー依存性を調べた。その結果、C$$_{60}$$の入射エネルギーが30keV$$rightarrow$$60keV$$rightarrow$$120keV$$rightarrow$$270keVと高くなるにつれて、上記の特徴的な2次イオン強度が高くなっていることがわかった。これにより、C$$_{60}$$の入射エネルギーを高くすることで、PTFE分析に必要な2次イオン強度を高めることが可能であり、高感度分析に有効であることを明らかにした。

口頭

有機高分子薄膜へのC$$_{60}$$イオン照射と単原子イオン照射による負2次イオン放出の比較

平田 浩一*; 齋藤 勇一; 鳴海 一雅; 千葉 敦也; 山田 圭介

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比較して2次イオン放出量が増大する現象が観測される。これを表面分析法に応用する技術開発の一環として、C$$_{60}$$イオン照射と単原子イオン照射による有機高分子薄膜からの負2次イオン放出量について比較した。C$$_{60}$$イオンとArイオンを1次イオンとして用いて、PMMA高分子薄膜試料の負2次イオンを飛行時間型質量分析器で分析したところ、以下の知見が得られた。(1)C$$_{60}$$イオンの入射エネルギーが高くなる程、分析に有用な2次イオンが増大し、30keVと540keVで比較すると、十数倍から数十倍、540keVの2次イオン強度が高い。(2)同一入射エネルギーのC$$_{60}$$とAr1次イオンを比較したところ、C$$_{60}$$入射イオンあたりの放出される総2次イオン量は、Arイオンに比べて2桁程度高い。(3)C$$_{60}$$とAr1次イオンで、2次イオンスペクトルの時間変化を調べたところ、Arでは、試料の帯電により2次イオン強度が急激に減少するが、C$$_{60}$$イオンでは、スペクトルに変化が見られず、安定に2次イオンスペクトルを得ることができる。これらにより、クラスターイオンは高分子膜などの絶縁物の表面2次イオン分析に有効であることを明らかにした。

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