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論文

Use of gafchromic dosimetry films to measure a large-area ion-beam distribution

石坂 知久; 今井 浩二*; 百合 庸介; 湯山 貴裕; 石堀 郁夫; 奥村 進

JAEA-Review 2012-046, JAEA Takasaki Annual Report 2011, P. 157, 2013/01

A research and development (R&D) study is now in progress on the heavy-ion uniform-beam formation using multipole magnets in TIARA. It is important to evaluate the quality of the uniform beam precisely for the R&D study and future applications. We have been, therefore, developing several techniques to measure the two-dimensional intensity distribution of a large-area ion beam expanded on the target. We here employed Gafchromic radiochromic films. The film, whose color turns blue due to radiation exposure, is widely used for dose evaluation in radiation therapy. It has various advantages such as high resolution, large area, relatively low-dose range. We thus expect that it can be applied to ion beams as well. The coloring response was investigated when the HD-810 and EBT2 films are irradiated with ion beams. It was found that the relative intensity distribution of various ion beams can be measured at practical fluence ranges using Gafchromic films.

論文

Operation of the electron accelerator and the $$gamma$$-ray irradiation facilities

上松 敬; 春山 保幸; 花屋 博秋; 山縣 諒平; 清藤 一; 長尾 悠人; 金子 広久; 山口 敏行*; 八木 紀彦*; 高木 雅英*; et al.

JAEA-Review 2012-046, JAEA Takasaki Annual Report 2011, P. 174, 2013/01

電子・$$gamma$$線照射施設は大きなトラブルもなく順調に稼動した。2011年度における運転時間は、電子加速器では1059時間、コバルト第1棟では18722時間、コバルト第2棟では9976時間、食品棟では7427時間であった。主要なトラブルメンテナンスは次の通りである。電子加速器では電子流制御回路の故障とSF$$_{6}$$絶縁ガスへの空気の混入のトラブルがあり修理を行った。コバルト第2棟の定期整備を行った。コバルト第2棟への線源の補充を行った。古い線源の処分では、30cm棒状線源45本とコインタイプ線源8個と$$gamma$$フレックス用線源の処分を日本アイソトープ協会を通して行った。

論文

Status report on technical developments of the JAEA AVF cyclotron

倉島 俊; 柏木 啓次; 宮脇 信正; 奥村 進; 吉田 健一; 百合 庸介; 湯山 貴裕; 石坂 知久; 石堀 郁夫; 奈良 孝幸

JAEA-Review 2012-046, JAEA Takasaki Annual Report 2011, P. 154, 2013/01

原子力機構AVFサイクロトロンではビームの迅速切換や品質の向上などを目指してさまざまな技術開発を行っている。サイクロトロンのアクセプタンスの全領域を明らかにするために、入射ラインに設置されているスキャナ電流とアクセプタンス計測を連動して行う装置の開発を進めた。ビームの位相幅はエネルギー幅を決定する重要なパラメータであり、ビームバンチャーの有無でどのように変化するのかをプラスティックシンチレータを用いて計測した。その結果、ビーム位相の全幅は変化しないが入射ビームの圧縮により半値幅,引き出し効率は改善されることがわかった。新たなビーム迅速切換技術としてスケーリング法の導入を進めている。等時性磁場を短時間で形成するため、位相プローブによる計測システムを自動化した。その結果、数分で等時性磁場を形成し、20分程度でビームを切り換えることに成功した。

論文

Utilization of the electron accelerator and the $$gamma$$-ray irradiation facilities

春山 保幸; 上松 敬; 花屋 博秋; 山縣 諒平; 清藤 一; 長尾 悠人; 金子 広久; 山口 敏行*; 八木 紀彦*; 高木 雅英*; et al.

JAEA-Review 2012-046, JAEA Takasaki Annual Report 2011, P. 175, 2013/01

電子加速器及び$$gamma$$線照射施設を年間計画に基づいて照射利用に供した。電子線の利用では、原子力施設材料やバイオ技術の分野が増加し、有機材料の分野や宇宙環境材料の分野で減少が見られた。$$gamma$$線照射施設の利用においては、宇宙環境材料及び有機材料の分野で増加したが、原子力施設の材料研究やバイオ技術分野で減少した。福島第一原子力発電所の震災での復興支援においては、電子加速器では15件、$$gamma$$線照射施設においては94件の利用があった。

論文

Operation of the AVF cyclotron

奥村 進; 石堀 郁夫; 倉島 俊; 吉田 健一; 湯山 貴裕; 石坂 知久; 宮脇 信正; 柏木 啓次; 百合 庸介; 奈良 孝幸; et al.

JAEA-Review 2012-046, JAEA Takasaki Annual Report 2011, P. 172, 2013/01

東日本大震災のため、2011年度のAVFサイクロトロンの運転は5月9日から開始し、4月に計画されていたすべての実験は中止となった。全運転時間は3,038.4時間であった。4月の中止分を補てんするため、土曜日の運転を8回実施した。例年の整備を実施した。

論文

Imaging of root exudates secreted from soybean root to soil by using carbon-11-labeled carbon dioxide and PETIS

尹 永根; 鈴井 伸郎; 河地 有木; 石井 里美; 山崎 治明; 小柳 淳*; 藤巻 秀

JAEA-Review 2012-046, JAEA Takasaki Annual Report 2011, P. 92, 2013/01

The root of higher plant has important role in absorb essential nutrients critical to life. On the other hand, the root evolved special abilities to uptake of nutrients from the rhizosphere environment because that is fixed in the soil. As one example, the roots secrete organic acids to surrounding of rhizosphere for solubilization of the insoluble mineral in soil and absorb directly or indirectly of the nutrition. Previously, our group has reported that imaging of cadmium (Cd) uptake from hydroponic culture solution to root for study the mechanism of mineral metabolism by using a positron-emitting tracer imaging system (PETIS) in plant. In this study, we performed the imaging of organic matter which is exudate from root to soil cultivation by using carbon-11-labeled carbon dioxide ($$^{11}$$CO$$_{2}$$) gas tracer with PETIS.

論文

A New method to analyze individual photosynthetic abilities of young plant seedlings using positron-emitting tracer imaging system (PETIS)

河地 有木; 小柳 淳*; 鈴井 伸郎; 石井 里美; 尹 永根; 山崎 治明; 岩崎 郁*; 小川 健一*; 藤巻 秀

JAEA-Review 2012-046, JAEA Takasaki Annual Report 2011, P. 93, 2013/01

We had employed the positron emitting tracer imaging system (PETIS) in combination with carbon-11- labeled carbon dioxide ($$^{11}$$CO$$_{2}$$) as the tracer gas. In the present study, we have developed a new method based on PETIS and $$^{11}$$CO$$_{2}$$ to evaluate individual photosynthetic abilities of young seedlings planted collectively on a petri dish with agar culture medium and thus investigate the effect of genetic modification or treatment on plant biomass enhancement. We report for the first time a method based on the use of PETIS and tracer gas of $$^{11}$$CO$$_{2}$$ for the quantitative and statistical evaluation of carbon fixation by small plant individuals. We plan to extend this method to the analysis of the relationship between the individual carbon fixation ability and gene expression, which is probably related to photosynthesis.

論文

Development of beam generation and irradiation technology for electrostatic accelerators

山田 圭介; 千葉 敦也; 横山 彰人; 齋藤 勇一; 石井 保行; 佐藤 隆博; 大久保 猛; 宇野 定則

JAEA-Review 2012-046, JAEA Takasaki Annual Report 2011, P. 155, 2013/01

TIARA静電加速器において平成23年度に行ったビーム発生及び照射技術開発の成果を報告する。タンデム加速器では、クラスターイオン用荷電変換ガスの探索のために、0.065-0.750MeV/atomの炭素クラスターイオンとHe, N$$_{2}$$,及びXeガスとの衝突によるクラスターイオンの解離断面積を評価した。その結果、解離断面積は実験の範囲ではエネルギー依存性がないことがわかった。また、用いたガスではHeの解離断面積が最も小さく、荷電変換ガスに適していることが示唆された。シングルエンド加速器では、既存のエミッタンスモニターに0.1mm径のCuワイヤーを用いて電流測定を行うことで、1MeV H$$^{+}$$ビームのエミッタンスを測定した。この結果、x方向の70%エミッタンスとして1.9mm・mradの値が得られた。イオン注入装置では、クラスターイオン実験の効率化のため、ビームラインの設計・増設・ビーム輸送試験を行った。この中で、振分電磁石の交換及びビームライン機器の取り付けを完了するとともに、ビーム輸送試験では目的のビーム電流の輸送に成功した。

論文

Operation of electrostatic accelerators

宇野 定則; 千葉 敦也; 山田 圭介; 横山 彰人; 齋藤 勇一; 石井 保行; 佐藤 隆博; 大久保 猛; 奈良 孝幸; 北野 敏彦*; et al.

JAEA-Review 2012-046, JAEA Takasaki Annual Report 2011, P. 173, 2013/01

TIARAの3台の静電加速器では、2011年3月11日に発生した東北大地震の際に機械的損傷はなかった。しかし、その後の東京電力による計画停電の影響で4月下旬までは運転することができなかった。この1か月の実験時間の損失を補うために10日間の土曜日運転が追加された。その結果、年間運転時間は平年の水準を維持できた。タンデム加速器では、11.7MVでErイオンの新たな加速試験が行われ3価で20nAのビーム強度であった。イオン注入装置において利用者の要望により、2種類のフラーレンイオンによる連続生成・照射を混合試料法によってフリーマン型イオン源を交換することなく実現した。

論文

Quantitative evaluation of charge state for internuclear distance of constituent ions dissociated from C$$_2^+$$ ion moving in a solid

千葉 敦也; 齋藤 勇一; 鳴海 一雅; 山田 圭介; 金子 敏明*

JAEA-Review 2012-046, JAEA Takasaki Annual Report 2011, P. 161, 2013/01

高速クラスターイオンが薄膜を透過するとき、薄膜で解離したクラスター構成イオンの平均電荷は、同元素同速度の単原子イオンのそれよりも減少する。このクラスターイオン特有の電荷減少効果は固体中を移動する構成イオン間の核間距離に強く依存すると考えられている。しかしながら、構成イオン間に働く遮蔽クーロン斥力で増加する核間距離に対してそれらの平均電荷を実験により定量的に評価することは難しく、これまで報告はない。そこで、2原子クラスターイオンを対象に、薄膜を透過した構成イオンの発散角分布を電荷の組合せごとに正確に測定し、その発散角分布を軌道計算で解析することにより固体中での核間距離に対する平均電荷を定量評価する方法を構築した。得られた結果は電荷におけるクラスター効果を考慮した理論値とおおむね一致した。

論文

Electroplating of Ni microstructures on the cross section of Cu wire using PMMA mother fabricated by proton beam writing

田邊 祐介*; 岩本 隆志*; 高橋 潤一*; 西川 宏之*; 佐藤 隆博; 石井 保行; 神谷 富裕

JAEA-Review 2012-046, JAEA Takasaki Annual Report 2011, P. 129, 2013/01

In this study, the Ni microstructures were attempted to be fabricated on a distal surface of Cu wires with a diameter of 1.0 mm aiming at the use for imprint lithography. Firstly a PMMA master block was fabricated on the distal surface by exposing PB with beam size of 1.1 $$mu$$m at 3.0 MeV and developing it by IPA-water for electroplating. The master block was composed of the 4-$$mu$$m wide lines with pitches of 25 $$mu$$m and depths of 20 $$mu$$m. Secondly the electroplating was performed on the PMMA master block using a nickel sulfamate bath. Thirdly the electroplated Ni surface was mechanically polished easily to remove PMMA by smoothing its surface. Finally, the Ni microstructures with 20.5 $$mu$$m were fabricated by removing the PMMA after polishing. We additionally performed UV imprint lithography of the photosensitive polymer using the Ni microstructures as a mold. The observation result of SEM images of Ni microstructures and UV imprinted grooves showed that their imprinted grooves were successfully transferred by way of the Ni microstructures from the PMMA master block using the combination of the electroplating and imprinting.

論文

Mach-Zehnder polymer waveguides fabricated using proton beam writing

三浦 健太*; 佐藤 隆博; 石井 保行; 江夏 昌志; 桐生 弘武*; 小澤 優介*; 高野 勝昌*; 大久保 猛; 山崎 明義; 加田 渉; et al.

JAEA-Review 2012-046, JAEA Takasaki Annual Report 2011, P. 126, 2013/01

In this study, a PMMA-based MZ waveguide was fabricated utilizing PBW to develop a thermo-optic switch. A 10-$$mu$$m-thick PMMA film was firstly spin-coated onto the 15 $$mu$$m SiO$$_2$$ film as the under cladding. Cores of a MZ waveguide with 8 $$mu$$m width were secondary drawn at the dose of 100 nC/mm$$^2$$ in the PMMA film using PBW with H$$^+$$ beam of the size of $$sim$$1.1 $$mu$$m and beam current of $$sim$$50 pA at 1.7 MeV. The MZ waveguide was drawn by symmetrically coupling two Y junctions and its branching angle was set to 2$$^circ$$ to reduce optical branching loss. Finally a 10-$$mu$$m-thick PMMA film was deposited again on the sample as an upper cladding by spin-coating. The mode-field diameter of near field patterns with about 10 $$mu$$m width was observed at $$lambda$$= 1.55 $$mu$$m on the basis of a fundamental mode without no higher-order modes which required to develop our objective MZ type thermo-optic switch for optical-fiber telecommunication. The result of the observation showed that the PMMA-based single-mode MZ waveguide for $$lambda$$= 1.55 $$mu$$m was successfully fabricated using PBW. As the next step to develop the optical switch, we will form a Ti thin-film heater and A$$ell$$ electrodes on the MZ waveguide using photolithography and wet-etching processes.

論文

MFM observation of micrometer-sized magnetic patterns produced by heavy ion microbeam irradiation in FeRh films

愛甲 一馬*; 唐木 淳志*; 松井 利之*; 岩瀬 彰宏*; 佐藤 隆博; 高野 勝昌*; 江夏 昌志; 齋藤 勇一; 神谷 富裕

JAEA-Review 2012-046, JAEA Takasaki Annual Report 2011, P. 133, 2013/01

As the irradiation effect appears only within irradiated regions, we have used ion micro-beam irradiation to produce micrometer-sized and two-dimensional magnetic patterns on the surface of FeRh thin films. The thin films nearly show the anti-ferromagnetic state at room temperature. To realize the lateral magnetic modification on the sample surface, the micro-beam irradiation was performed by using 3-MeV tandem accelerator at the TIARA. The focused 10 MeV iodine ion micro-beam, which had a rectangular shape of 2$$mu$$m $$times$$ 4$$mu$$m, was scanned on the FeRh thin film surface. After irradiation, the surface roughness and the magnetic state were observed by means of atomic force microscopy (AFM) and magnetic force microscopy (MFM), respectively. The AFM images show that the ion micro-beam does not create any topographic modification at the FeRh surface, while an array with 2$$mu$$m $$times$$ 4$$mu$$m bright rectangles at designated regular intervals is seen in the MFM image. The ion micro-beam is a useful tool for the fabrication of two-dimensional and micrometer-sized magnetic patterns on FeRh samples.

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

Fast single-ion hit system for heavy-ion microbeam at TIARA cyclotron, 5

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 2012-046, JAEA Takasaki Annual Report 2011, P. 156, 2013/01

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ための技術開発を継続して行った。本論文は、主な課題である(1)シングルイオンヒット照射におけるミスヒットの低減、(2)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、(3)新マイクロビームの開発の進捗に加えて、東北地方太平洋沖地震の当システムへの影響がなかったことを報告する。

論文

Ion scattering spectroscopy of polarity-controlled ZnO surfaces by 1-2 MeV C$$^{+}$$ ions

本橋 健次*; 齋藤 勇一; 宮脇 信正; 神谷 富裕

JAEA-Review 2012-046, JAEA Takasaki Annual Report 2011, P. 135, 2013/01

We studied the mechanism of collisions between 1-2-MeV carbon ions and polarity-controlled ZnO surfaces in order to investigate the efficient reflection of swift ions on solid surfaces for transportation of ion beams without magnetic and/or electrostatic beam handling. The intensities of ions scattered on three different surfaces of Zn and O faces of the ZnO crystals and a polycrystalline Au film were measured by a Si surface barrier detector. As a result, the intensity on the Zn face of the ZnO crystals significantly increased at 2-MeV comparing to that at 1-MeV, although there was a small increase in intensity in the case of the O face of the ZnO and Au surfaces. The details of this finding have not been clarified yet. However, efficient reflection of MeV ions is expected on polarity-controlled ZnO surfaces.

論文

Ion induced luminescence from sapphire irradiated with swift cluster ion beams; Cluster ion size and energy dependences

柴田 裕実*; 齋藤 勇一; 千葉 敦也; 山田 圭介; 鳴海 一雅; 田口 光正

JAEA-Review 2012-046, JAEA Takasaki Annual Report 2011, P. 162, 2013/01

This study is to elucidate the characteristics of the interaction between energetic cluster ions and solids by means of measuring luminescence from solid surfaces irradiated with cluster ions. We report present results of luminescence measurement for the sapphire target irradiated with carbon cluster ions. Luminescent spectra from sapphire induced by 0.25-3.0 MeV/atom (21-252 keV/u) C$$_{1}$$$$^{+}$$-C$$_{8}$$$$^{+}$$ ion irradiation were measured in the wavelength range of 250-800 nm as a function of ion fluence at room temperature. The experimental results show the same tendency as a calculation of stopping power theory. This suggests that luminescence caused by irradiation defects directly relates to the stopping power of incident cluster ion.

論文

Electronic stopping power connected with average charge reduction for swift carbon cluster ions in carbon

金子 敏明*; 井原 功介*; 河野 雅砂*; 齋藤 勇一; 千葉 敦也; 鳴海 一雅

JAEA-Review 2012-046, JAEA Takasaki Annual Report 2011, P. 164, 2013/01

The aim of this study is to present the electronic stopping power for swift carbon clusters as a basic quantity, taking account of the charge reduction effect, in order to promote attention of experimental researches and to contribute to collection of cluster-impact electronic excitation data. This theoretical research is composed of estimating the reduced average charges of constituent ions in a cluster and evaluating the electronic stopping power for a cluster, using the reduced average charges. The theoretical basis in the present study is to describe the incident cluster as an ensemble of partially stripped ions, where their charges are determined by the self-consistent cluster average-charge theory, and their spatial charge distribution is described in a statistical manner. The excitation of target electrons is treated in an electron gas model. In a case of carbon target, four electrons per atom are assumed to participate in electron gas and the rest two electrons are in the 1S state. As a result, the average charge per ion decreases with increasing the number of constituent ions in a cluster. This tendency can be understood by the theoretical model, which leads us to a conclusion that increase of the surrounding ions implies enhancement of the binding force on ionized electrons, resulting in less degree of ionization.

論文

Visualization of a single cluster particle track in polystyrene films

麻野 敦資*; 高野 勝昌*; 千葉 敦也; 齋藤 勇一; 丸井 裕美*; 大道 正明*; 前吉 雄太*; 本庄 義人*; 佐伯 昭紀*; 山田 圭介; et al.

JAEA-Review 2012-046, JAEA Takasaki Annual Report 2011, P. 163, 2013/01

In this study, a visualization of the tracks of fragments from a dissociated cluster ion in a target was tried using polystyrene derivatives with higher sensitivity for the ion beam irradiation. The results were compared with the case of ion beam consisting of single ion, considering the feature of cluster beam irradiation. The ion species were selected to be $$^{12}$$C$$_{4}$$$$^{+}$$ and $$^{48}$$Ti$$^{+}$$. As a result, the density of the structures at the $$^{48}$$Ti$$^{+}$$ beam irradiation was almost the same to the ion fluence. However, the density at the $$^{12}$$C$$_{4}$$$$^{+}$$ irradiation was much less than the ion fluence. It is supposed that many cluster particles are fragmentized during penetration in the polymer film. The radial dose distribution inside a particle tracks is decreased, and then the cross-linking reaction is induced insufficiently. In order to visualize the tracks of the fragmentation, optimization of the development or selection of materials with higher sensitivity should be needed.

論文

Development of visible light measurement techniques for detection of 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

JAEA-Review 2012-046, JAEA Takasaki Annual Report 2011, P. 159, 2013/01

研究の初年度である2011年度では以下の3つについて実施した。(1)単結晶Al$$_{2}$$O$$_{3}$$にEuを注入したAl$$_{2}$$O$$_{3}$$:Euについて、Eu量及び熱処理条件が発光量に及ぼす影響を調べた。試料に対するフォトルミネッセンス(Photoluminescence: PL)測定の結果、10$$times$$10$$times$$0.3mmの試料表面から30nm$$sim$$70nmに7.5ions/nm$$^{3}$$を注入して、600$$^{circ}$$Cで1時間熱処理したAl$$_{2}$$O$$_{3}$$:Euが最もPL強度が大きく、これを(2)で使用した。(2)発光検出装置の感度試験では、タンデム加速器で加速した15MeV-O$$^{4+}$$をAl$$_{2}$$O$$_{3}$$:Eu及びZnS:Agシンチレータにそれぞれ照射した結果、200cps及び1cps以上の照射により発光画像が得られた。このことから、試料のパラメータを改善して発光量を増やすことと開口数のより大きな対物レンズへの変更によって、装置の感度を200倍以上高めることが必要であることがわかった。(3)調製したAl$$_{2}$$O$$_{3}$$:Euに3MeV-H$$^{+}$$ビームを照射して得られたイオンビーム誘起発光スペクトルでは690nmにEu固有のピークが見られた。試料が厚いほど、入射ビームが散乱して広がった領域から生じる発光を検出することになるため、照射位置分解能が低下するが、このピークを含む600nm$$sim$$700nmのバンドパスフィルターを使用してEu層のみの発光を検出することによりこれを向上できることがわかった。

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