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論文

Development of next-generation LLRF control system for J-PARC rapid cycling synchrotron

田村 文彦; 杉山 泰之*; 吉井 正人*; 漁師 雅次*

IEEE Transactions on Nuclear Science, 66(7), p.1242 - 1248, 2019/07

J-PARC RCSのLLRF制御システムは2007年に運転を開始した。システムの重要な機能として、デュアルハーモニック運転とマルチハーモニックRFフィードフォワードによるビームローディング補償が挙げられる。これまでLLRF制御システムは大きな問題もなくその性能を発揮してきたが、使用されているFPGAが古くなり、最新の開発環境でサポートされないなど今後の維持は困難になることが予想されている。このため、MTCA.4ベースにした新しいシステムにより、既存のVMEシステムを置き換えることを検討中である。この発表では、次世代LLRFシステムの構成、これまでに実装されている機能、テスト結果について報告する。

論文

Development of a radiological characterization submersible ROV for use at Fukushima Daiichi

Nancekievill, M.*; Jones, A. R.*; Joyce, M. J.*; Lennox, B.*; Watson, S.*; 片倉 純一*; 奥村 啓介; 鎌田 創*; 加藤 道男*; 西村 和哉*

IEEE Transactions on Nuclear Science, 65(9), p.2565 - 2572, 2018/09

 パーセンタイル:100(Engineering, Electrical & Electronic)

福島第一原子力発電所の格納容器内に水没した燃料デブリを探査する技術の開発に貢献するため、小型の放射線検出器とソナーを搭載した遠隔水中ロボット(ROV)システムの開発を行っている。線量率モニタリングおよび$$gamma$$線分光法のための臭化セリウム(CeBr$$_{3}$$)シンチレータ検出器をROVに統合し、実験室および水中の両条件で$$^{137}$$Cs線源を用いて実験的に検証した。さらに、IMAGENEX 831Lソナーと組み合わせたROVは、水プール設備の底に置いた模擬燃料デブリの形状およびサイズを特徴付けることができた。

論文

Negative and positive muon-induced single event upsets in 65-nm UTBB SOI SRAMs

真鍋 征也*; 渡辺 幸信*; Liao, W.*; 橋本 昌宜*; 中野 敬太*; 佐藤 光流*; 金 政浩*; 安部 晋一郎; 濱田 幸司*; 反保 元伸*; et al.

IEEE Transactions on Nuclear Science, 65(8), p.1742 - 1749, 2018/08

 パーセンタイル:100(Engineering, Electrical & Electronic)

近年、半導体デバイスの放射線耐性の低下に伴い、二次宇宙線ミューオンに起因する電子機器の誤動作現象が注目されている。本研究では、J-PARCにおいて半導体デバイスの設計ルール65nmを持つUTBB-SOI SRAMへミューオンを照射し、シングルイベントアップセット(SEU: Single Event Upset)断面積のミューエネルギーおよび供給電圧に対する依存性を明らかにした。実験の結果、ミューオンの照射エネルギーが35MeV/cから39MeV/cの範囲では、正ミューオンに比べて負ミューオンによるSEU断面積が2倍から4倍程度高い値となった。続いて、供給電圧を変化させて38MeV/cのミューオンを照射したところ、電圧の上昇に伴いSEU断面積は減少するが、負ミューオンによるSEU断面積の減少幅は、正ミューオンと比べて緩やかであることを明らかにした。さらに、PHITSを用いて38MeV/cの正負ミューオン照射実験を模擬した解析を行い、負ミューオン捕獲反応によって生成される二次イオンが、正負ミューオンによるSEU断面積のミューエネルギーおよび供給電圧に対する傾向の差異の主因となることが判った。

論文

Measurement and mechanism investigation of negative and positive muon-induced upsets in 65-nm Bulk SRAMs

Liao, W.*; 橋本 昌宜*; 真鍋 征也*; 渡辺 幸信*; 安部 晋一郎; 中野 敬太*; 佐藤 光流*; 金 政浩*; 濱田 幸司*; 反保 元伸*; et al.

IEEE Transactions on Nuclear Science, 65(8), p.1734 - 1741, 2018/08

 パーセンタイル:100(Engineering, Electrical & Electronic)

設計ルールの微細化に伴い半導体デバイスのソフトエラーへの感受性が高まっており、二次宇宙線ミューオンに起因するソフトエラーが懸念されている。本研究では、ミューオン起因ソフトエラーの発生メカニズムの調査を目的とし、J-PARCにて半導体デバイス設計ルール65nmのBulk CMOS SRAMへミューオンを照射し、ソフトエラー発生率(SER: Soft Error Rate)を測定した。その結果、正ミューオンによるSERは供給電圧の低下に伴い増加する一方で、負ミューオンによるSERは0.5V以上の供給電圧において増加した。また、負ミューオンによるSERは正のボディバイアスを印加すると増加した。更に、1.2Vの供給電圧において、負ミューオンは20bitを超える複数セル反転(MCU: Multiple Cell Upset)を引き起こし、MCU率は66%に上った。これらの傾向は、負ミューオンによるSERに対し、寄生バイポーラ効果(PBA: Parasitic Bipolar Action)が寄与している可能性が高いことを示している。続いて、PHITSを用いて実験の解析を行った結果、負ミューオンは正ミューオンと比べて多量の電荷を付与できることがわかった。このような付与電荷量の多いイベントはPBAを引き起こす原因となる。

論文

Development of radiation-resistant in-water wireless transmission system using light emitting diodes and photo diodes

武内 伴照; 柴田 裕司; 大塚 紀彰; 上原 聡明; 土谷 邦彦; 柴垣 太郎*; 駒野目 裕久*

IEEE Transactions on Nuclear Science, 63(5), p.2698 - 2702, 2016/10

 被引用回数:1 パーセンタイル:76.09(Engineering, Electrical & Electronic)

福島第一原子力発電所事故の教訓から、耐放射線性を有する水中無線伝送システムの開発を開始した。本研究では、$$gamma$$線照射下におけるLEDとフォトダイオード(PD)の発光及び受光素子としての適用性を調べた。この結果、市販のLED及びPDに対する1MGyまでの$$gamma$$線照射試験から、光学的特性の劣化主因は、半導体部の照射損傷ではなく、樹脂レンズ部の放射線着色であることが示唆された。一方、使用候補であるLED及びPDを用いた水中5mにおける光伝送を検討したところ、光吸収や1MGy時の暗電流増加を考慮しても受光が可能な信号レベルであると見積もられた。以上より、LED及びPDを用いた耐放射線性を有する水中無線伝送システムの構築に見通しが得られた。

論文

Investigation of single-event damages on silicon carbide (SiC) power MOSFETs

水田 栄一*; 久保山 智司*; 阿部 浩之; 岩田 佳之*; 田村 貴志*

IEEE Transactions on Nuclear Science, 61(4), p.1924 - 1928, 2014/08

 被引用回数:23 パーセンタイル:3.93(Engineering, Electrical & Electronic)

Radiation effects in silicon carbide power MOSFETs caused by heavy ion and proton irradiation were investigated. In the case of ions with high LET, permanent damage (increase in both drain and gate leakage current with increasing LET) was observed and the behavior is similar to the permanent damage observed for SiC Schottky Barrier diodes in our previous study. In the case of ions with low LET, including protons, Single Event Burnouts (SEBs) were observed suddenly although there was no increase in leakage current just before SEBs. The behavior has not been observed for Si devices and thus, the behavior is unique for SiC devices.

論文

Enhanced charge collection by single ion strike in AlGaN/GaN HEMTs

小野田 忍; 蓮池 篤*; 鍋島 佳明*; 佐々木 肇*; 矢嶋 孝太郎*; 佐藤 真一郎; 大島 武

IEEE Transactions on Nuclear Science, 60(6), p.4446 - 4450, 2013/12

 被引用回数:17 パーセンタイル:9.29(Engineering, Electrical & Electronic)

窒化ガリウムの高電子移動度トランジスタ(GaN HEMT)は、宇宙用の高周波デバイス(固体素子増幅器: SSPA)としての応用が期待されているが、その照射効果については明らかになっていない。今回、単一重イオン(18MeV Ni)入射による過渡電流を観測し、その電荷収集量について調べた。その結果、オフ状態(ゲートバイアス-10V)においてはバイポーラ効果に起因する過剰電荷収集が観測され、ピンチオフ状態(同-2.5V)及びオン状態(同-10V)においては、バイポーラ効果に加えてバックチャンネル効果に起因する過剰電荷収集が数ナノ秒という長時間にわたって観測されることが判明した。このような過剰電荷収集と放射線損傷との関係を調べた結果、放射線損傷による電気特性の劣化が過剰電荷収集を抑える働きがあることが明らかとなった。

論文

Heavy-ion induced anomalous charge collection from 4H-SiC Schottky barrier diodes

牧野 高紘; 出来 真斗; 岩本 直也; 小野田 忍; 星乃 紀博*; 土田 秀一*; 平尾 敏雄*; 大島 武

IEEE Transactions on Nuclear Science, 60(4), p.2647 - 2650, 2013/08

 被引用回数:4 パーセンタイル:62.81(Engineering, Electrical & Electronic)

SiCデバイスのイオン誘起破壊現象研究の一環として、逆方向電圧を印加したn型六方晶(4H)SiCショットキーダイオードへ重イオンを照射し、ダイオード内で収集される電荷量を測定した。その結果、イオンの飛程がエピタキシャル層厚と同等、もしくはそれ以上の場合に、本来、入射イオンがイオンダイオード内に生成する電荷量を越えた多量の電荷収集が発生することが観測された。解析の結果、ショットキーダイオードにおける過剰な電荷収集においては、イオンの飛程とエピタキシャル層厚の関係が重要なパラメータであり、エピタキシャル層と基板の界面付近で発生した電荷によりポテンシャルが変動し、基板側から電荷が流れ込むという描像で説明できることが見いだされた。

論文

Electronic transport transition of hydrogenated amorphous silicon irradiated with self ions

佐藤 真一郎; 大島 武

IEEE Transactions on Nuclear Science, 60(3), p.2288 - 2299, 2013/06

 被引用回数:1 パーセンタイル:84.29(Engineering, Electrical & Electronic)

自己イオンである、陽子線及びシリコン照射による水素化アモルファスシリコン薄膜の電気伝導度変化について調べ、変化を引き起こすメカニズムを系統的に明らかにした。低フルエンス領域ではドナー型欠陥の生成に伴う電気伝導度及び光伝導度の上昇が起こるが、これは照射量を増やすとすぐに消失する。さらに照射を続けると、これらは深い準位の欠陥の蓄積に伴ってキャリア寿命の減少及び多数キャリア濃度の減少が起こり、むしろ減少に転じる。その後光伝導はほぼ完全に消失するが、さらに照射量を増やすと、今度は暗伝導度が劇的に上昇し始める。この高フルエンス領域での電気伝導度の上昇は、深い準位の欠陥の過剰な蓄積に伴うキャリアのホッピング遷移に起因しており、これはイオン照射によって支配的な電気伝導メカニズムがバンド伝導からホッピング伝導へと変化したことを意味している。こうした一連の変化の現れ方は照射するイオン種によって異なるが、それは核的エネルギー付与と電子的エネルギー付与の比率の違いによって解釈できることが判明した。

論文

Applicability of redundant pairs of SOI transistors for analog circuits and their applications to phase-locked loop circuits

槙原 亜紀子*; 横瀬 保*; 土屋 義久*; 宮崎 良雄*; 阿部 浩之; 新藤 浩之*; 海老原 司*; 丸 明史*; 森川 剛一*; 久保山 智司*; et al.

IEEE Transactions on Nuclear Science, 60(1), p.230 - 235, 2013/02

 被引用回数:2 パーセンタイル:72.96(Engineering, Electrical & Electronic)

デジタル回路において放射線耐性を飛躍的に向上させる技術として既に確立されているRadiation Hardening By Design (RHBD)技術の一つであるSOIトランジスタペアをカレントミラー回路等のアナログ回路にも拡大可能であることを検証した。具体的にはそのアナログ回路を適用したPLL回路を実際に作製し、TIARAサイクロトロン加速器を用いてイオン照射を実施した。その結果すぐれた耐放射線性を有することを確認した。

論文

Spatial, LET and range dependence of enhanced charge collection by single ion strike in 4H-SiC MESFETs

小野田 忍; 牧野 高紘; 小野 修一*; 片上 崇治*; 新井 学*; 大島 武

IEEE Transactions on Nuclear Science, 59(4), p.742 - 748, 2012/08

 被引用回数:3 パーセンタイル:64.33(Engineering, Electrical & Electronic)

耐放射線性に優れている炭化ケイ素(SiC: Silicon Carbide)金属半導体電界効果トランジスタ(MESFET: Metal Semiconductor Field Effect Transistor)に単一の重イオンを照射することで、付与電荷よりも過剰な電荷が収集される現象が報告されている。この電荷増幅機構を明らかにするため、さまざまな線エネルギー付与(LET: Linear Energy Transfer)と飛程を持つイオンをMEFETに照射し、発生する過渡電流を計測した。実験の結果、イオンがゲートとドレインの間に入射したときに最も大きな過渡電流が観測されることがわかった。シミュレーションの結果、イオン入射後にソースからMESFETの基板を通りドレインへ電流が流れることが明らかになった。さらに、イオン入射後にソースからチャネル領域を通りドレインへ電流が流れることもわかった。これらの電荷増幅効果は、ゲートとドレイン間だけでなく、ゲートやドレインにイオンが入射したときも起こることもわかった。実験及びシミュレーションから、イオンのエネルギーが高く飛程が長くなるほど、電荷増幅効果の継続時間が長くなることが明らかとなった。また、LETが高くなるほど電荷増幅効果の影響が大きくなることがわかった。

論文

Response measurement of a Bonner sphere spectrometer for high-energy neutrons

増田 明彦*; 松本 哲郎*; 原野 英樹*; 西山 潤*; 岩元 洋介; 萩原 雅之*; 佐藤 大樹; 岩瀬 広*; 八島 浩*; 中村 尚司*; et al.

IEEE Transactions on Nuclear Science, 59(1), p.161 - 166, 2012/02

 被引用回数:11 パーセンタイル:22.82(Engineering, Electrical & Electronic)

大阪大学核物理研究センター(RCNP)において、$$^{7}$$Li(p,n)反応によって得られる245MeV及び388MeVの準単色中性子を用いて、ボナー球スペクトロメータの高エネルギー中性子に対する応答測定を行った。使用したボナー球スペクトロメータは、ポリエチレン,鉛,銅の6種類の減速材の組合せと球形$$^{3}$$He比例計数管で構成されている。高エネルギー中性子に対する応答は、準単色場の低エネルギー成分の影響を差し引いて求められる。その解析手法と解析結果、モンテカルロシミュレーション計算コードによる応答関数の検証について発表する。

論文

Single-alpha-particle-induced charge transient spectroscopy of the 6H-SiC p$$^+$$n diode irradiated with high-energy electrons

岩本 直也; 小泉 淳*; 小野田 忍; 牧野 高紘; 大島 武; 児島 一聡*; 小池 俊平*; 内田 和男*; 野崎 眞次*

IEEE Transactions on Nuclear Science, 58(6), p.3328 - 3332, 2011/12

 被引用回数:5 パーセンタイル:50.9(Engineering, Electrical & Electronic)

電子線照射による6H-SiC(Silicon Carbide) p$$^+$$nダイオードの電荷収集量低下の原因を調べるため、電子線照射によりダイオード中に形成される欠陥について、単一アルファ粒子による電荷の過渡スペクトル分析(single-alpha-particle-induced charge transient spectroscopy: SAPICTS)と過渡容量分光法(deep level transient spectroscopy: DLTS)による評価を行った。SAPICTSによって検出された欠陥は、その活性化エネルギーとアニール特性から、DLTSで検出される電子トラップE$$_i$$と同一の欠陥であることが示唆された。アニール処理を施した結果、当該欠陥が減少するとともに、ダイオードの電荷収集量が回復することが明らかとなった。以上のことから、SAPICTSにより検出された欠陥は電荷収集量の低下に最も寄与する欠陥であると結論できた。

論文

Status of development on $$^{99}$$Mo production technologies in JMTR

稲葉 良知; 飯村 光一; 細川 甚作; 出雲 寛互; 堀 直彦; 石塚 悦男

IEEE Transactions on Nuclear Science, 58(3), p.1151 - 1158, 2011/06

 被引用回数:3 パーセンタイル:66.23(Engineering, Electrical & Electronic)

材料試験炉(JMTR)は現在改修中であるが、2011年度には再稼働する予定である。再稼働後のJMTRでは、$$^{99m}$$Tcの親核種である$$^{99}$$Moを製造する計画で、2種類の製造方法(固体照射法及び溶液照射法)を用いた$$^{99}$$Mo製造技術の開発を行ってきている。本論文では、固体照射法及び溶液照射法による$$^{99}$$Mo製造技術開発の現状について述べた。JMTRでは、まず固体照射法により$$^{99}$$Moの製造を開始することにしており、国内需要の20%を供給できる見通しを得た。また、溶液照射法に関しては、照射ターゲット候補として選定したモリブデン酸塩水溶液の基本特性を$$gamma$$線照射試験によって明らかにした。

論文

Imaging of carbon translocation to fruit using carbon-11-labeled carbon dioxide and positron emission tomography

河地 有木; 菊地 郁*; 鈴井 伸郎; 石井 里美; 藤巻 秀; 石岡 典子; 渡部 浩司*

IEEE Transactions on Nuclear Science, 58(2), p.395 - 399, 2011/04

 被引用回数:7 パーセンタイル:39.29(Engineering, Electrical & Electronic)

Carbon kinetics into the fruit is an agricultural issue on the growth and development of the sink organs to be harvested. Particularly, photoassimilate translocation and distribution are important topics for understanding the mechanism. In the present work, carbon-11 ($$^{11}$$C) labeled photoassimilate translocation into fruits of tomato has been imaged using carbon-11-labeled carbon dioxide and the positron emission tomography (PET). Dynamic PET data of gradual increasing of $$^{11}$$C activity and its distribution is acquired quantitatively in intact plant body. This indicates that the three dimensional photoassimilate translocation into the fruits is imaged successfully and carbon kinetics is analyzable to understand the plant physiology and nutrition.

論文

Transient analysis of an extended drift region in a 6H-SiC diode formed by a single alpha particle strike and its contribution to the increased charge collection

岩本 直也; 小野田 忍; 牧野 高紘; 大島 武; 児島 一聡*; 小泉 淳*; 内田 和男*; 野崎 眞次*

IEEE Transactions on Nuclear Science, 58(1), p.305 - 313, 2011/02

 被引用回数:7 パーセンタイル:39.29(Engineering, Electrical & Electronic)

高エネルギー粒子検出器用の6H-SiC p$$^{+}$$nダイオードの電荷収集メカニズムを明らかにするため、アルファ線に対する電荷収集量の逆バイアス電圧依存性を測定した。測定結果を従来の電荷収集モデルを用いて解析した結果、低バイアス領域において実験結果を説明できないことが明らかになった。一方、半導体デバイスシミュレータを用いて解析した結果、すべてのバイアス領域において実験結果を再現することができた。シミュレーション結果より、アルファ線によって生成された高密度の電子及び正孔がドリフト及び拡散することにより、空乏層外に新たな電界が形成され、従来のモデルから予想される電荷量よりも過剰な電荷量が収集されることが明らかになった。

論文

Charge enhancement effects in 6H-SiC MOSFETs induced by heavy ion strike

小野田 忍; 牧野 高紘; 岩本 直也*; Vizkelethy, G.*; 児島 一聡*; 野崎 眞次*; 大島 武

IEEE Transactions on Nuclear Science, 57(6), p.3373 - 3379, 2010/12

耐放射線性炭化ケイ素(SiC)半導体デバイス開発の一環として、単一の重イオンが六方晶(6H)SiC電界効果トランジスタ(MOSFET)に入射した際、ドレイン,ソース,ゲート電極に誘起される過渡電流の計測を行った。重イオンがドレインに入射した際に発生したドレイン電流は、イオンの入射エネルギーから算出した電荷量よりも大きな電荷量であることがわかった。解析の結果、ソース(n$$^+$$)-エピタキシャル層(p)-ドレイン(n$$^+$$)から成る寄生npnバイポーラトランジスタによる電流増幅効果であることを明らかにした。

論文

Characterization of microdose damage caused by single heavy ion observed in trench type power MOSFETs

久保山 智司*; 丸 明史*; 池田 直美*; 平尾 敏雄; 田村 高志*

IEEE Transactions on Nuclear Science, 57(6), p.3257 - 3261, 2010/12

 被引用回数:12 パーセンタイル:26.04(Engineering, Electrical & Electronic)

パワーMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)は人工衛星等の電源機器を構成するうえで不可欠な電子デバイスである。最近のLSIの高集積化によって3.3V以下の低電圧電源が必要となっており、現在、この電圧範囲でより高効率な動作が可能なトレンチ型パワーMOSFETの宇宙適用が検討されている。トレンチ型パワーMOSFETでは、単発の重イオン入射によって特性が大きく劣化する現象が発見されているが、カクテルイオンを用いた照射試験を行い、パワーMOSFETの閾値電圧の変化を解析した結果、この現象が微細領域におけるトータルドーズ効果の結果として発生することが明らかとなった。

論文

DICE-based flip-flop with SET pulse discriminator on a 90 nm bulk CMOS process

丸 明史*; 新藤 浩之*; 海老原 司*; 槇原 亜紀子*; 平尾 敏雄; 久保山 智司*

IEEE Transactions on Nuclear Science, 57(6), p.3602 - 3608, 2010/12

 被引用回数:8 パーセンタイル:39.88(Engineering, Electrical & Electronic)

近年の微細化プロセス用を用いて作製された半導体回路は、放射線に対して非常に敏感になってきている。この問題を解決するため、シングルイベント誤動作(SET)に対して特に強いとされているメモリ回路であるDICE(Dual Interlocked Storage Cell)を基本にしたSET対策付きフリップフロップを、90nmバルクCMOSプロセスを用いて設計し、SET耐性について、現行のTMR(Triple Modular Redundant)との比較を行った。その結果、DICE回路は、TMRと同等のSET耐性を維持しつつ、小面積化が図れるという特長があることが明らかとなった。また、同プロセスにてDICEベースのSET対策付きラッチ回路を搭載したTEGデバイスを製造し、耐性評価を実施した。TIARA施設のカクテルビームを用いて、イオン入射角度依存性を調べたところ、ある限定した角度照射において、放射線感度が非常に高くなるという新たな現象が見いだされた。

論文

Unified beam control system of J-PARC linac

佐甲 博之; Allen, C. K.*; 池田 浩*; Shen, G.*

IEEE Transactions on Nuclear Science, 57(3), p.1528 - 1535, 2010/06

 パーセンタイル:100(Engineering, Electrical & Electronic)

J-PARCリニアックにおける大強度H$$^{-}$$ビームの性能とロス抑制の厳格な設計目標を達成するため、ビーム制御系を開発した。このシステムでは統一ビーム制御という新しい概念を導入し、統一データ源・標準化制御単位、統一オンラインモデル、上位アプリケーションフレームワークを設計・実装した。効率的かつ精密なビーム制御のために、さまざまなビーム調整アルゴリズムを開発した。これにより、J-PARCリニアックにおいて、目標のビーム性能、ビーム安定性、ビームロス抑制を達成した。

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