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Ion beam induced luminescence of complexes formed in adsorbent for MA recovery process

渡部 創; 片井 雄也*; 松浦 治明*; 加田 渉*; 江夏 昌志*; 佐藤 隆博*; 新井 剛*

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 450, p.61 - 65, 2019/07

Ion-beam induced luminescence (IBIL) analysis on MA recovery adsorbent was performed to give chemical states of complexes formed in the adsorbent as fundamental information for process design, and EXAFS analysis was also carried out to support discussions. The IBIL spectra of the binary extractants system seemed to be superposition of individual ones, however it has also original peaks. As intensities of those peaks rapidly decreased with iteration time of measurements and the original peaks were not observed for the adsorbent without charging Eu(III), they were attributed to complexes of Eu(III) with organic compounds. Contributions of CMPO and HDEHP extractants for Eu(III) extraction must be not only individual ones but also cooperative.


Benchmark analyses of probabilistic fracture mechanics for cast stainless steel pipe

北条 公伸*; 林 翔太郎*; 西 亘*; 釜谷 昌幸*; 勝山 仁哉; 眞崎 浩一*; 永井 政貴*; 岡本 年樹*; 高田 泰和*; 吉村 忍*

Mechanical Engineering Journal (Internet), 3(4), p.16-00083_1 - 16-00083_16, 2016/08




江夏 昌志; 石井 保行; 山田 尚人; 大久保 猛; 加田 渉*; 喜多村 茜; 岩田 吉弘*; 神谷 富裕; 佐藤 隆博

JAEA-Technology 2016-006, 41 Pages, 2016/03


日本原子力研究開発機構原子力科学研究部門高崎量子応用研究所のイオン照射研究施設では、これまでに、3MVシングルエンド加速器におけるMeV級軽イオンマイクロビームによる高空間分解能な局所元素分析・加工システムの開発を行ってきた。ここでは、加速器、ビーム輸送ライン及びマイクロビーム形成装置などの主構成機器に加えて、マイクロPIXE/PIGE(Particle Induced X-ray/Gamma-ray Emission)分析、三次元元素分布分析(PIXE-CT: Computed Tomography)、イオン誘起発光分析(IBIL: Ion Beam Induced Luminescence)及び微細加工(PBW: Proton Beam Writing)への応用研究に用いるための付帯装置・治具類に関する技術的な改良について、これらの機器・装置等の概要とともに纏める。


Particle induced X-ray emission-computed tomography analysis of an adsorbent for extraction chromatography

佐藤 隆博; 横山 彰人; 喜多村 茜; 大久保 猛; 石井 保行; 高畠 容子; 渡部 創; 駒 義和; 加田 渉*

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 371, p.419 - 423, 2016/03

 被引用回数:2 パーセンタイル:57.25(Instruments & Instrumentation)

The cross-sectional distribution of neodymium (Nd) simulating minor actinides (MA) in a minute globular adsorbent of less than 50 $$mu$$m in diameter was measured using PIXE (particle induced X-ray emission)-CT (computed tomography) with a 3-MeV proton microbeam for the investigation of residual MA in extraction chromatography of spent fast reactor fuel. The measurement area was 100 $$times$$ 100 $$mu$$m$$^2$$ corresponding to 128 $$times$$ 128 pixels of projection images. The adsorbent target was placed on an automatic rotation stage with 9$$^{circ}$$ step. Forty projections of the adsorbent were finally measured, and image reconstruction was carried out by the modified ML-EM (maximum likelihood expectation maximization) method. As a result, the cross-sectional distribution of Nd in the adsorbent was successfully observed, and it was first revealed that Nd remained in the region corresponding to internal cavities of the adsorbent even after an elution process. This fact implies that the internal structure of the adsorbent must be modified for the improvement of the recovery rate of MA.


New application of NV centers in CVD diamonds as a fluorescent nuclear track detector

小野田 忍; 春山 盛善; 寺地 徳之*; 磯谷 順一*; 加田 渉*; 花泉 修*; 大島 武

Physica Status Solidi (A), 212(11), p.2641 - 2644, 2015/11

 被引用回数:4 パーセンタイル:66.91(Materials Science, Multidisciplinary)

Nitrogen-vacancy (NV) center in diamond is a luminescent point defect with applications of quantum computation and atomic scale sensors. One of the most important features of NV center is high emission rate. This enables single NV centers to be detected using a confocal laser scanning microscope. In this study, we propose a new application of NV centers as a single ion track detector. We perform 490 MeV Os ion irradiation to diamond grown by chemical vapor deposition (CVD) technique. After high temperature annealing at 1000 $$^{circ}$$C, the ion track is able to be visualized by using confocal laser scanning microscope. In short, we have successfully detected ion track in diamonds.


NV centers in diamond used for detection of single ion track

春山 盛善; 小野田 忍; 加田 渉*; 寺地 徳之*; 磯谷 順一*; 大島 武; 花泉 修*

Proceedings of 11th International Workshop on Radiation Effects on Semiconductor Devices for Space Applications (RASEDA-11) (Internet), p.184 - 187, 2015/11

We propose that diamond can be utilized as a new Fluorescent Nuclear Track Detector (FNTD) material. For this aim, we focus on Nitrogen Vacancy (NV) centers in diamond. One of the most important features of a NV center is a high emission rate, which enable us to observe single NV center. After high energy ion irradiation and subsequent annealing, we successfully observe Os ion tracks in various diamonds containing dense nitrogen impurity. However, Os ion track cannot be observed from diamond without nitrogen impurity. We found that the optimization of nitrogen impurity is a key issue for developing high sensitive FNTD based on diamond.


Precise determination of $$^{12}_{Lambda}$$C level structure by $$gamma$$-ray spectroscopy

細見 健二; Ma, Y.*; 味村 周平*; 青木 香苗*; 大樂 誠司*; Fu, Y.*; 藤岡 宏之*; 二ツ川 健太*; 井元 済*; 垣口 豊*; et al.

Progress of Theoretical and Experimental Physics (Internet), 2015(8), p.081D01_1 - 081D01_8, 2015/08

 被引用回数:6 パーセンタイル:38.64(Physics, Multidisciplinary)

$$gamma$$線分光によって$$^{12}_{Lambda}$$Cハイパー核のレベル構造を精密に測定した。ゲルマニウム検出器群Hyperball2を用いて、$$^{12}$$C$$(pi^{+}, K^{+}gamma)$$反応からの4本の$$gamma$$線遷移を同定することに成功した。基底状態スピン二重項$$(2^{-}, 1^{-}_{1})$$のエネルギー間隔は直接遷移$$M1$$$$gamma$$線により、$$161.5pm0.3$$(stat)$$pm0.3$$(syst)keVと測定された。また、励起準位である$$1^{-}_{2}$$$$1^{-}_{3}$$について、それぞれ、$$2832pm3pm4$$, keVと$$6050pm8pm7$$, keVと励起エネルギーを決定した。これらの測定された$$^{12}_{Lambda}$$Cの励起エネルギーは反応分光による$$lambda$$ハイパー核の実験研究において決定的な基準となる。


Fabrication of microstructures embedded in SC-CVD diamond with a focused proton microbeam

加田 渉*; 神林 佑哉*; 三浦 健太*; 猿谷 良太*; 久保田 篤志*; 佐藤 隆博; 江夏 昌志; 神谷 富裕; 花泉 修*

Key Engineering Materials, 643, p.15 - 19, 2015/05

Micro-processing procedures have been extensively studied using a Proton Beam Writing (PBW) technique in order to fabricate two or three dimensional microscopic patterns in single-crystal chemical vapor deposition (SC-CVD) diamonds. In this study, various microscopic patterns were drawn on SC-CVD diamonds (3.0 mm $$times$$ 3.0 mm $$times$$ 0.5 mm IIa single-crystal) at various fluences with PBW using 0.75 and 3 MeV proton beams. The beam conditions of PBW other than the beam energy were as follows; a beam size of 1 $$mu$$m, a scanning area of 800 $$mu$$m $$times$$ 800 $$mu$$m and beam current of up to 100 pA. From the result of the observations based on the optical and electrical modification of SC-CVD, the microscopic patterns were fabricated in the diamonds by the micro-processing procedure varying fluence and beam energy. This result demonstrated that the micro-processing procedure with PBW enables us to fabricate the two or three dimensional microscopic patterns, which are optically and electrically modified, in SC-CVD diamonds by optimizing fluence and beam energy.


Development of microbeam technology to expand applications at TIARA

神谷 富裕; 佐藤 隆博; 江夏 昌志; 加田 渉*

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 348, p.4 - 7, 2015/04

 被引用回数:3 パーセンタイル:53.75(Instruments & Instrumentation)

Ion microbeam technology has been progressed at TIARA, aiming at expanding its applications. Micro-analyses of micro-PIGE and micro-IBIL (Ion Beam Induced Luminescence) based on the micro-PIXE have expanded a region of their analyzing objects. Micro-fabrication by mask-less irradiation on materials based on the technique of PBW (Proton Beam Writing) without etching processes was applied for optical, magnetic or other novel micro-devices fabrication. Single-ion-hitting technique which was required for reliable irradiation to biological cells or semiconductor devices progressed so that each ion hit could be monitored in real time using an efficient scintillator and a high sensitivity camera. Development of a thin film type particle detector was newly started for the same purpose. This paper summarizes the latest progress of the ion microbeam technology and applications at TIARA, and discusses their future prospects.


Development of diagnostic method for deep levels in semiconductors using charge induced by heavy ion microbeams

加田 渉*; 神林 佑哉*; 岩本 直也*; 小野田 忍; 牧野 高紘; 江夏 昌志; 神谷 富裕; 星乃 紀博*; 土田 秀一*; 児島 一聡*; et al.

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 348, p.240 - 245, 2015/04

 被引用回数:4 パーセンタイル:43.49(Instruments & Instrumentation)

Deep level defects in semiconductors act as carrier traps Deep Level Transient Spectroscopy (DLTS) is known as one of the most famous techniques to investigate deep levels. However, DLTS does not well work for samples with high resistivity. To overcome this issue, DLTS using charge generated by ion incidence was proposed. Recently, we developed a deep level evaluation system based on Charge Transient Spectroscopy using alpha particles from $$^{241}$$Am (Alpha Particle Charge Transient Spectroscopy: APQTS) and reported the effect of deep levels in 6H SiC pn diodes generated by electron irradiation on the characteristics as particle detectors. In this study, we report the development of Charge Transient Spectroscopy using Heavy Ion Microbeams (HIQTS). The HIQTS can detect deep levels with micron meter spatial resolution since microbeams are applied. Thus, we can clarify the relationship between deep levels and device characteristics with micron meter resolution. When a 6H-SiC pn diode was irradiated with 12 MeV-oxygen (O) ions at 4$$times$$10$$^{9}$$ and 8$$times$$10$$^{9}$$ /cm$$^{2}$$, the charge collection efficiency (CCE) decreased to 71 and 52%, respectively. HIQTS signals obtained from those damaged regions using 15 MeV-O microbeams increased at measurement temperature ranges above 350 K, and the signals are larger with increasing 12 MeV-O ion fluence.


Development of embedded Mach-Zehnder optical waveguide structures in polydimethylsiloxane thin films by proton beam writing

加田 渉*; 三浦 健太*; 加藤 聖*; 猿谷 良太*; 久保田 篤志*; 佐藤 隆博; 江夏 昌志; 石井 保行; 神谷 富裕; 西川 宏之*; et al.

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 348, p.218 - 222, 2015/04

 被引用回数:5 パーセンタイル:34.97(Instruments & Instrumentation)

The Mach-Zehnder (MZ) optical structures were previously fabricated in a Poly-methyl-methacrylate (PMMA) thin film by Proton Beam Writing (PBW). The enhancement of optical transmittance in the structures is, however, required for industrial use. In this study, the MZ optical waveguides have been fabricated in a poly-dimethyl-siloxane (PDMS) thin film which has the higher optical permeability. The PDMS films were spin-coated on a silicon wafer (40 $$times$$ 20 $$times$$ 0.5 mm$$^3$$) with a thickness of approximately 30 $$mu$$m. The MZ waveguides were drawn by a 750 keV proton microbeam of 1$$mu$$m in diameter having the penetration depth of 18 $$mu$$m with fluence of 40-100 nC/mm$$^2$$. The beam writing was carried out combining an electric scanner and a mechanical sample-stage. The observation of the single-mode light propagation of 1.55 $$mu$$m fiber-laser in the MZ waveguides indicated that the optical transmittance have been successfully enhanced using PDMS.


Development of a scintillator for single-ion detection

横山 彰人; 加田 渉*; 佐藤 隆博; 江夏 昌志; 山本 春也; 神谷 富裕; 横田 渉

JAEA-Review 2014-050, JAEA Takasaki Annual Report 2013, P. 168, 2015/03

サイクロトロンでは、数百MeV以上の重イオンマイクロビームを用いたシングルイオンヒット技術が生物細胞などの照射実験で利用されており、高精度位置検出が必要とされている。しかし、現状の固体飛跡検出器では 照射後の薬品による表面処理と顕微鏡での照射位置の観察に時間を要し、リアルタイムでの検出が困難であった。そこで、ビームモニタに利用されているZnS等の発光体などを試用したが発光強度や位置分解能が十分ではなかった。本研究では、単結晶サファイアに賦活剤として注入するEuイオンの量や熱処理条件等の調整により、強いイオンルミネッセンス(Ion Luminescence: IL)を発する試料の開発と発光検出装置の感度試験を行った。予備実験として調製試料の表面にレーザー照射することにより、電子励起過程を伴って発光するフォトルミネッセンス(Photoluminescence: PL)を測定した結果、表面から30nm$$sim$$70nmにEuを7.5ions/nm$$^{3}$$を注入した後に、600$$^{circ}$$Cで30分間熱処理した試料のPL強度が最大だった。また、同試料を用いた発光検出装置の感度試験では、260MeV Neイオンを1秒間に200個のフルエンス率で1点照射することによってILを捕えることができた。しかしながら、シングルイオンヒット実験では、ビーム電流量が数cps程度と低いことから、感度の向上のために賦活剤の濃度の調整などの改良を今後行う。


Development of real-time position detection system for single-ion hit

横山 彰人; 加田 渉*; 佐藤 隆博; 江夏 昌志; 山本 春也; 神谷 富裕; 横田 渉

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 332, p.334 - 336, 2014/08

 被引用回数:1 パーセンタイル:85.28(Instruments & Instrumentation)

サイクロトロンでは、数百MeV以上の重イオンマイクロビームを用いたシングルイオンヒット技術が生物細胞などの照射実験で利用されており、高精度位置検出が必要とされている。しかし、現状の固体飛跡検出器では照射後の薬品による表面処理と顕微鏡での照射位置の観察に時間を要し、リアルタイムでの検出が困難であった。そこで、ビームモニタに利用されているZnS等を試用したが発光強度や位置分解能が十分ではなかった。本研究では、単結晶サファイアに賦活剤として注入するEuイオンの量や熱処理条件等の調整により、イオン入射方向に強いイオンルミネッセンス(Ion Luminescence: IL)を発する試料を開発できると考え、試料の調製、高感度な発光検出装置の構築を行った。調製試料の評価には、予備実験として試料表面にレーザーを照射することにより、ILと同様に電子励起過程を伴って発光するフォトルミネッセンス(Photoluminescence: PL)を実施した。この結果、表面から30nm$$sim$$70nmにEuを7.5ions/nm$$^{3}$$を注入した後、600$$^{circ}$$Cで30分間熱処理した試料のPL強度が最大だった。また、同試料を用いた発光検出装置の感度試験では、200cps以上の酸素イオンの照射によってILを捕えることができた。しかしながら、シングルイオンヒット実験では、ビーム電流量が数cps程度と低いため、今後賦活剤の濃度等の調製や開口の大きな対物レンズへの変更による感度向上などの改良を行う。


Real-time single-ion hit position detecting system for cell irradiation

佐藤 隆博; 江夏 昌志; 加田 渉*; 横山 彰人; 神谷 富裕

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 332, p.242 - 244, 2014/08

 被引用回数:3 パーセンタイル:61.51(Instruments & Instrumentation)

AA new real-time single-ion hit position detecting system was developed to be replaced with SSNTD (Solid State Nuclear Track Detector) for cell irradiation experiments because SSNTD takes several minutes for off-line etching. The new real-time system consists of a 1-mm-thick CaF$$_2$$(Eu) scintillator, an optical microscope with a 10$$times$$ objective lens and a high-gain CCD (Charge Coupled Device) or CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) camera. Each ion of 260-MeV neon passing through a 100-$$mu$$m-thick SSNTD sheet was detected using the real-time system in a performance test for the spatial resolution. The FWHMs of the distances between positions detected by the real-time system and the centers of the etch pits on SSNTD were 4.9 and 11.4 $$mu$$m in x- and y-axis directions, respectively. The result shows that the system is useful for typical cultured cells of a few tens of micrometers.


Simultaneous ion luminescence imaging and spectroscopy of individual aerosol particles with external proton or helium microbeams

加田 渉*; 佐藤 隆博; 横山 彰人; 江夏 昌志; 神谷 富裕

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 332, p.42 - 45, 2014/08

 被引用回数:5 パーセンタイル:43.1(Instruments & Instrumentation)

バイオエアロゾルと呼ばれる有機物が付着した数十$$mu$$m程度の微粒子の動態を正確に解析するためには、不純物を含む大気試料からバイオエアロゾルを個別に弁別し化学状態を分析することが必要である。このような分析を可能とするために、200$$sim$$900nmの波長範囲で光子計数レベルの極めて低い強度の荷電粒子誘起発光(Ion Luminescence: IL)の測定が可能な光学系を、日本原子力研究開発機構高崎量子応用研究所で開発した。この高感度光学系を用い、シングルエンド加速器からの1$$sim$$3MeVの陽子及びヘリウムイオンのマイクロビームをプローブとして個別の微粒子から発生するILの測定を行った結果、ILのピーク波長がバイオエアロゾル表面に付着するとされる特定の有機物の標準試料のものと一致する微粒子の弁別に成功した。これらのことから、イオンマイクロビームを用いたIL測定がバイオエアロゾルの個別分析に極めて有効であることが示された。


Continuous observation of polarization effects in thin SC-CVD diamond detector designed for heavy ion microbeam measurement

加田 渉*; 岩本 直也; 佐藤 隆博; 小野田 忍; Grilj, V.*; Skukan, N.*; 江夏 昌志; 大島 武; Jak$v{s}$i$'c$, M.*; 神谷 富裕

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 331, p.113 - 116, 2014/07

 被引用回数:12 パーセンタイル:14.01(Instruments & Instrumentation)




加田 渉*; 横山 彰人; 佐藤 隆博; 江夏 昌志; 神谷 富裕

放射線と産業, (136), p.40 - 45, 2014/06

イオンビーム照射により、試料から発生する可視光領域の発光(イオン誘起発光、Ion Luminescence: IL)を分光分析する測定装置に、両面凸レンズの顕微集光レンズを開発して付加することで、ILに対する感度が従来よりも3桁程度向上した。この分光技術を既存の大気マイクロPIXE(Particle Induced X-ray Emission)分析技術と組み合わせることにより、化学組成と元素組成を高感度に測定可能なILの顕微イメージング分光(Ion Luminescence Microscopic Imaging and Spectroscopy: ILUMIS)システムを開発した。本システムを用いて、大気中から採取した直径数$$mu$$mのエアロゾル粒子を個別に測定した結果、10分程度で粒子の元素組成と化合物の二次元イメージングの取得に成功した。今後は、大気中を長期間浮遊して越境汚染の伝播媒体となっているエアロゾルの固着・伝播メカニズムを解き明かす重要な情報が得られると考えられる。


Operation status of interlock system of Materials and Life Science Experimental Facility (MLF) in J-PARC

酒井 健二; 甲斐 哲也; 大井 元貴; 渡辺 聡彦; 中谷 健; 髭本 亘; 明午 伸一郎; 坂元 眞一; 高田 弘; 二川 正敏

Progress in Nuclear Science and Technology (Internet), 4, p.264 - 267, 2014/04

J-PARCの物質・生命科学実験施設(MLF)は、陽子ビームをターゲットに入射し、大強度の中性子・ミュオンビームを発生させ、実験装置に供給する施設である。MLFでは、ビーム運転の他、機器保守、実験装置増強などの作業に対して安全を確保するために、MPS, TPS, PPSという3種類のインターロックシステムを運用している。これらのインターロックシステムは、J-PARCの中央制御室を通じて加速器や他実験施設と連動して運用される。MPSは想定外のビーム照射から機器を保護し、TPSは中性子ターゲットに特化して重大なトラブルを防ぐ役割を果たす。PPSは運転員を高放射線による被曝から保護する。さらに、PPSは、線源保守エリアへの入退室を制限したり、利用者の実験装置室への安全な入退室を管理する役割も持つ。MLFインターロックシステムは、2008年の5月にビーム運転を開始した後、ターゲット関連機器の増強や段階的な実験装置の増設に応じて対象を拡大しているが、これまでトラブルなく安定に運用されてきた。本発表では、MLFインターロックシステムの設計概念,構成,運転状況及びアップグレードなどについて報告する。


Development of scintillator for detention of single-ion

横山 彰人; 加田 渉*; 佐藤 隆博; 江夏 昌志; 山本 春也; 神谷 富裕; 横田 渉

JAEA-Review 2013-059, JAEA Takasaki Annual Report 2012, P. 164, 2014/03

サイクロトロンでは、数百MeV以上の重イオンマイクロビームを用いたシングルイオンヒット技術が生物細胞などの照射実験で利用されており、高精度位置検出が必要とされている。しかし、現状の固体飛跡検出器では照射後の薬品による表面処理と顕微鏡による照射位置の観察に時間を要し、リアルタイムの検出が困難であった。そこで、これにかわりビームモニタに利用されているZnS等発光体を検出器として試用したが発光強度や位置分解能が十分ではなかった。本研究では、単結晶サファイアに賦活剤として注入するEuイオンの量や熱処理条件等の調整により、強いイオンルミネッセンス(Ion Luminescence: IL)を発する試料を開発できると考え、試料の調製を行った。調製試料の評価には、予備実験として試料表面にレーザー照射することにより、ILと同様に電子励起過程を伴って発光するフォトルミネッセンス(Photoluminescence: PL)測定を実施した。この結果、表面から30nm-70nmにEuを7.5ions/nm$$^{3}$$を注入した後、600$$^{circ}$$Cで30分間熱処理した試料のPL強度が最大だった。また、同試料を用いた酸素イオン照射によるIL検出実験では、200cps未満ではILを検出できなかったが、それ以上の照射から検出することができた。しかしながら、一般的なシングルイオンヒット実験におけるビーム電流量は数cps程度と低いことから、不十分であり、今後感度の向上のために賦活剤の濃度の調整などの改良を行う。


Fast single-ion hit system for heavy-ion microbeam at TIARA cyclotron, 6

横田 渉; 佐藤 隆博; 奥村 進; 倉島 俊; 宮脇 信正; 柏木 啓次; 吉田 健一; 江夏 昌志; 横山 彰人; 加田 渉*; et al.

JAEA-Review 2013-059, JAEA Takasaki Annual Report 2012, P. 160, 2014/03

原子力機構のTIARAサイクロトロンのHXコースに設置された重イオンマイクロビーム用高速シングルイオンヒットシステムにおいて、マイクロビーム及びシングルイオンヒットの質や利便性を向上させる技術開発を継続して行った。シングルイオンヒット位置のリアルタイム検出技術の開発では、増幅率8$$times$$10$$^{5}$$の超高感度EMCCD(Electron Multiplying CCD)カメラと光学顕微鏡とを組合せて感度と集光率の双方を高めた検出システムを構築して、シングルイオンによるCaF$$_{2}$$のシンチレーションの位置検出をリアルタイムで可能にし、目的を達成した。また、SEM(Secondary Electron Microprobe)を用いた従来方式では2次電子放出率が低いために計測できない320MeV-Cビームの大きさを、本システムを用いた調整により10$$mu$$m$$times$$10$$mu$$mに集束することに初めて成功した。

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