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論文

Temperature of thermal spikes in amorphous silicon nitride films produced by 1.11 MeV C$$_{60}^{3+}$$ impacts

北山 巧*; 中嶋 薫*; 鈴木 基史*; 鳴海 一雅; 齋藤 勇一; 松田 誠; 左高 正雄*; 辻本 将彦*; 磯田 正二*; 木村 健二*

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 354, p.183 - 186, 2015/07

https://doi.org/10.1016/j.nimb.2014.11.002
 被引用回数：2 パーセンタイル：17.57(Instruments & Instrumentation)

According to an inelastic-thermal-spike (i-TS) model, which is regarded as the most promising among several models proposed to explain the formation of an ion track, a part of the energy deposited to electrons in a solid by a swift heavy ion is gradually transferred to target atoms via electron-phonon coupling. The temperature of target atoms rises along the ion path and consequently an ion track is formed when the temperature exceeds the melting point. Therefore, the temperature of target atoms along the ion path is regarded as a key parameter for the i-TS model; however, such a spatiotemporally-localized temperature is difficult to measure because the processes involved occur in a very short period ($$<$$ 10$$^{-10}$$ s) and in a very localized area. In this study, the temperature of target atoms along the ion path is estimated experimentally with transmission-electron-microscope (TEM) observation of desorption of Au nanoclusters (the melting point $$sim$$1300 K) on an amorphous Si$$_{3}$$N$$_{4}$$ thin film under 1.1-MeV C$$_{60}^{3+}$$-ion irradiation to the fluence of $$sim$$5$$times$$10$$^{10}$$ ions/cm$$^{2}$$. TEM images show that Au nanoclusters, deposited at the areal density of 1.16$$times$$10$$^{12}$$ particles/cm$$^{2}$$, disappear in a surface area with a diameter of $$sim$$20 nm around each ion track, whose diameter is $$sim$$4 nm, after irradiation. This indicates that the temperature at the film surface rises locally to at least 1300 K by the ion bombardment.

論文

Structure analysis of carbon cluster ion using coulomb explosion

千葉 敦也; 齋藤 勇一; 鳴海 一雅

JAEA-Review 2005-001, TIARA Annual Report 2004, p.343 - 345, 2006/01

https://jopss.jaea.go.jp/pdfdata/JAEA-Review-2005-001-p0268-p0412.pdf

高速度領域におけるクラスターイオン照射では、媒質に与えるエネルギー密度は莫大なものとなり、ミクロな領域に高温度・高圧力状態が形成される。これはクラスターの持つ幾何学的構造やその構造体の媒質への入射角度に依存すると考えられ、照射するクラスターイオンの構造及び角度を把握することが、クラスターの衝突反応メカニズムの解明と言った基礎物理研究はもちろん、革新的表面加工技術の開発や新材料創製などの応用的研究に繋がると期待される。そこで、本研究では、高速クラスターイオンの幾何学的構造及び入射角度の測定技術の開発を行っている。今回は、炭素クラスターについて、その構造により違いがあるとされる薄膜透過後の構成原子の電荷分布を、CEI法を応用して測定した。

論文

TIARA研究発表会報告

荒川 和夫

放射線化学, (80), p.57 - 59, 2005/09

http://ci.nii.ac.jp/naid/10019341773

第14回TIARA研究発表会の開催結果について報告したもので、研究発表会の趣旨,特徴プログラム構成について紹介するとともに、特別講演(1件),特別セッション(発表3件),口頭発表10件について講演・発表内容の概要をまとめた。

論文

Electron emission from solids by fast cluster impact

工藤 博*; 岩崎 渉*; 村主 拓也*; 齋藤 勇一; 山本 春也; 鳴海 一雅; 楢本 洋

JAERI-Review 2002-035, TIARA Annual Report 2001, p.214 - 216, 2002/11

われわれが最近行ったC及びAuクラスターによる電子分光実験について、測定系の確立と問題点,テストデータとその解釈について報告する。実験はTIARAタンデム加速器のクラスタービームラインを利用し、Ni多結晶試料から後方135$$^{circ}$$に放出される電子のエネルギー測定を行った。測定系としては、クラスタービームには電流安定度に多少問題があるため、数値微分によってエネルギースペクトルを求めなければならない阻止電界型エネルギー分析器よりも静電偏向型エネルギー分析器が本実験目的に適合していることがわかった。得られたエネルギースペクトルより、0.5MeV/atomのC$$_{8}$$クラスターは等速のC$$_{1}$$に比べて15eV以下の収量が25%程度低下しており、またCより高速の1.67MeV/atomのAu$$_{3}$$クラスターは等速のAu$$_{1}$$に比べて10eV以下の収量がわずかに低下していることが見出された。このような非線形効果が特に低速電子生成に現れることは、従来報告されている2次電子の総量(電流値)の測定では得られなかった知見であり、非線形効果がクラスターとターゲット内原子との遠隔衝突に起因していることを示唆している。

論文

MeVクラスターイオン照射による2次荷電粒子の計測

齋藤 勇一; 中嶋 佳則; 鳴海 一雅; 柴田 裕実*; 伊藤 秋男*; 間嶋 拓也*; 大野 勝也ルイス*

JNC TN7200 2001-001, p.122 - 125, 2002/01

MeVエネルギークラスターイオンを照射実験に提供する場合、クラスターイオンビーム電流の標的上での正確な測定が求められる。単原子イオン照射の場合、入射イオンビーム電流は、試料からの2次電子を追い返すためのサプレッサー電極にマイナス数百ボルトの電圧をかけることにより、測定することができる。しかし、MeVクラスターイオンを照射すると、同じシステムを用いても、測定ビーム電流がターゲットの種類や照射時間により異なるという現象が観測された。これは、照射の際に、標的からの2次粒子の量などが非線形効果により単原子イオン照射の場合と大きく異なり、試料電流の正確な測定を妨げているためと予想される。そこで、炭素クラスターイオン(C1$$sim$$C8, 0.5MeV/atom)を標的(銅)に照射して、標的電流及び標的からの2次荷電粒子による電流を、サプレッサー電圧を変えて測定した。その結果、クラスターイオンの構成原子数が大きい方が2次電子の放出率が小さくなることがわかった。また、2次イオンは逆にそれが大きくなった。

論文

Acceleration of cluster and molecular ions by TIARA 3MV tandem accelerator

齋藤 勇一; 水橋 清; 田島 訓

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 452(1-2), p.61 - 66, 2000/09

https://doi.org/10.1016/S0168-9002(00)00427-7
 被引用回数：21 パーセンタイル：77.56(Instruments & Instrumentation)

ホウ素、炭素、酸素、アルミ、シリコン、銅、金、フッ化リチウム及び酸化アルミのクラスターまたは分子イオンビームを3MVタンデム加速器を用いてナノアンペアの強度でMeVエネルギーに加速することに成功した。これらのクラスタービームはセシウムスパッター型負イオン源で生成される。スパッターカソード中の試料密度を変えてイオン生成テストを行った結果、高密度カソードがクラスターイオン生成に適していることが判明した。また、タンデム加速器で加速するときの荷電変換ガス圧と各イオンのクラスター透過効率を詳細に調べた結果、酸化アルミの2価イオンを確認した。

論文

Energy losses of B clusters transmitted through carbon foils

鳴海 一雅; 中嶋 薫*; 木村 健二*; 万波 通彦*; 齋藤 勇一; 山本 春也; 青木 康; 楢本 洋

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 135, p.77 - 81, 1998/00

https://doi.org/10.1016/S0168-583X(97)00575-2
 被引用回数：38 パーセンタイル：92.28(Instruments & Instrumentation)

高速クラスターイオンを固体に照射すると、非常に狭い領域に高密度の物質及びエネルギーを付与できるため、単原子イオンを照射する場合とは異なった効果が期待される。薄膜が2-17$$mu$$g/cm$$^{2}$$の炭素薄膜を透過した0.8MeV/atomのB$$_{2+}$$,B$$_{3+}$$,B$$_{4+}$$イオンのエネルギースペクトルを半導体検出器で測定し、2つのクラスター照射効果を観測した。まず、クラスターを構成する原子1個当たりの平均のエネルギー損失と0.8MeVのB$$^{+}$$イオンのエネルギー損失との薄膜依存は、薄い膜厚で1より大きくなり、膜厚が厚くなると1に近づくことがわかった。このことは、クラスターに対する阻止能が単原子イオンに対する阻止能を単に積算したものではないことを示している。また、測定に用いた半導体検出器の出力において、パルス波高欠損が観測された。これは、クラスターの持つ高いLETによって半導体中に高密度の電子・正孔プラズマが生成されたため、単原子イオンの場合よりも電子・正孔対の再結合の確率が高くなり、見かけの出力が小さくなったことによる。

論文

タンデム加速器を用いた分子イオン加速,II

齋藤 勇一; 水橋 清; 田島 訓

第9回タンデム加速器及びその周辺技術の研究会報告集, 0, p.100 - 102, 1996/00

MeVエネルギーの分子・クラスターイオンは、近接効果による物質中での飛程の変化の研究や注入による材料改質などへの応用が期待されている。我々は3MVタンデム加速器を用いてこれらのイオンの加速技術の開発を行っており、カーボン及びシリコンについてはクラスターサイズNがそれぞれN=8、N=4までのイオンを6MeVでnA以上の電流で得ている。今回、ホウ素についてもN=4までのイオンの加速に成功した。また、カーボンについて、荷電変換ガスで壊れたあとのイオンを質量分析することにより、その構造を考察した。

口頭

Cluster-size dependence of secondary-electron yields induced by bombardment of carbon foils with 100's-kev/u cluster ions

鳴海 一雅; 千葉 敦也; 山田 圭介; 的場 史朗; 齋藤 勇一

no journal, , 

A vicinage effect on secondary-electron (SE) emissions from a solid induced by swift molecular/cluster ions is one of the open questions of atomic collisions in solids. It cannot be explained by only the production process of the three-step model of SE emissions, which is closely related to the energy deposition by a projectile. We have investigated cluster-size dependence of SE yields emitted in the forward direction from amorphous C foils (2-100 $$mu$$g/cm$$^{2}$$) bombarded with 62.5-keV/u C$$_{{it n}}$$$$^{+}$$ ions ($${it n}$$ = 1-4) in order to demonstrate the vicinage effect not originating from the production process in the present study. Suppression of SE emissions (one of the vicinage effects) is observed and does not diminish in all the foils measured. The suppression effect is larger as the cluster size $${it n}$$ is larger. This dependence is observed for at least 60 $$mu$$g/cm$$^{2}$$, indicating that the effect originating from some physical mechanism exists even at the thick foils, where the contribution of the production process to the effect could be excluded on the basis of previous studies. This can lead to the conclusion that the vicinage effect not originating from the production process is demonstrated experimentally.

口頭

Transmission secondary ion mass spectrometry of phenylalanine on silicon nitride membranes using MeV monoatomic and cluster 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*

no journal, , 

Secondary-ion mass spectrometry has been much improved in sensitivity to large molecular ions with large clusters as primary ions, such as C$$_{60}$$ ions, Ar cluster ions, water cluster ions and so on in the last two decades. In this study, further enhancement of sensitivity to the intact organic molecular ions is demonstrated with measuring secondary ions emitted in the forward direction by transmission of swift cluster ions through a film target. Thin phenylalanine films (20-100 nm thick) deposited on self-supporting SiN membranes (20 or 50 nm thick) were bombarded with 5-MeV C$$_{60}$$$$^{+}$$ ions. Mass distributions of positive secondary ions emitted in the forward direction were measured using a time-of-flight technique under the bombardment of the SiN side, as well as those in the backward direction under the bombardment of the phenylalanine side. Measurements with primary 6-MeV Cu$$^{4+}$$ ions were also carried out for comparison. The yield of intact phenylalanine molecular ions emitted in the forward direction is significantly enhanced compared to that in the backward direction, while yields of small fragment ions are suppressed. The behaviors of the enhancement and suppression both for 5-MeV C$$_{60}$$$$^{+}$$ ions and for 6-MeV Cu$$^{4+}$$ ions will be discussed in terms of density distribution of energy deposited to the surface of the phenylalanine side.

口頭

Sputtering of amorphous SiN induced by 540 keV C$$_{60}$$$$^{2+}$$ irradiation

北山 巧*; 森田 陽亮*; 中嶋 薫*; 鈴木 基史*; 鳴海 一雅; 齋藤 勇一; 松田 誠; 左高 正雄*; 辻本 将彦*; 磯田 正二*; et al.

no journal, , 

Our previous observation of an ion track by sub-MeV C$$_{60}$$-ion bombardment of a thin amorphous silicon nitride (a-SiN) film with transmission-electron microscopy has shown a large density reduction in the core region, and it suggests emission of thousands of atoms from the cylindrical region. Sputtering yields of a-SiN films by C$$_{60}$$ ions were evaluated in order to confirm this suggestion. A-SiN films deposited on Si(001) were irradiated with 540-keV C$$_{60}$$$$^{2+}$$ ions at fluences up to 1$$times$$10$$^{14}$$ ions/cm$$^{2}$$. The sputtering yields were estimated to be 3900$$pm$$500 N atoms/ion and 1500$$pm$$1000 Si atoms/ion from the compositional depth profiles measured with high-resolution Rutherford-backscattering spectroscopy. The sputtering yield of N was two orders of magnitude larger than the elastic sputtering yield by the SRIM code, indicating that the observed sputtering yield cannot be explained by elastic collisions. The sputtering yield of an a-SiN film by 100-MeV Xe$$^{25+}$$ ions was also measured in order to confirm a possibility of electronic sputtering. Although the electronic stopping power for 100-MeV Xe is more than twice larger than that for 540-keV C$$_{60}$$, the observed sputtering yield was only $$sim$$500$$pm$$200 atoms/ion. This indicates that the huge sputtering yield for the impact of C$$_{60}$$ cannot be explained by the simple electronic sputtering, either. A possible explanation might be a synergistic effect of the nuclear and electronic stopping powers.

口頭

62.5keV/u C$$_{n}$$$$^{+}$$イオン衝撃により炭素薄膜から放出される二次電子収量のクラスターサイズ依存性

鳴海 一雅; 千葉 敦也; 山田 圭介; 的場 史朗; 齋藤 勇一

no journal, , 

高速クラスターイオン衝撃による固体からの二次電子放出に対する近接効果は固体内原子衝突研究における未解明問題の一つである。この近接効果は、二次電子放出でよく知られた3ステップモデルにおける、入射粒子のエネルギー付与による二次電子の生成過程だけでは説明できない。本研究では、生成過程に由来しない近接効果の存在を実証するために、同じ速度のC$$_{{it n}}$$$$^{+}$$イオン($${it n}$$=1-4)を、ビーム軸に対して45$$^{circ}$$傾けた厚さが異なる非晶質炭素薄膜(厚さ2-100$$mu$$g/cm$$^{2}$$)に照射し、前方(下流)に放出される二次電子収量のクラスターサイズ依存性を調べた。その結果、全ての厚さの膜で二次電子収量の抑制効果(1原子当たりの二次電子収量がC$$_{1}$$$$^{+}$$の場合よりも小さい)が観測された。抑制効果は${it n}$の増大に伴って大きくなり、この傾向は少なくとも60$$mu$$g/cm$$^{2}$$の膜まで観測された。モンテカルロ法を用いて薄膜中の解離イオンの軌道を計算した結果、厚さ50$$mu$$g/cm$$^{2}$$で解離イオン間距離が十分大きくなるため、それより厚い膜では生成過程に由来する近接効果は除外してよい。したがって、この結果は、生成過程の寄与が除外できるような厚い膜でも、エネルギー付与以外の物理メカニズムに由来する近接効果、すなわち生成過程に由来しない近接効果が存在することを示している。

口頭

有機高分子薄膜へのC$$_{60}$$イオン照射と単原子重イオン照射による2次イオン放出強度の比較

平田 浩一*; 齋藤 勇一; 鳴海 一雅; 千葉 敦也; 山田 圭介; 的場 史朗

no journal, , 

クラスター数が大きく安定で2次イオン強度が高いC$$_{60}$$を、sub-MeV$$sim$$数MeV領域まで加速し、1次イオンとして用いた2次イオン質量分析装置を開発している。今回、市販の2次イオン質量分析装置の1次イオンとして広く用いられている重イオンの一つであるBiイオンとC$$_{60}$$イオンとで、1次イオン種は異なるが2次イオン強度を比較し、より高強度な2次イオンが得られることを実証した。具体的には、市販装置で一般的に用いられる30keVのBiイオン及び同エネルギーのC$$_{60}$$イオンを有機高分子(PMMA)薄膜試料に照射し、試料表面から放出された2次イオンを飛行時間型質量分析器で分析した。その結果、C$$_{60}$$を1次イオンとして用いる方が、PMMAの分析に必要なフィンガープリントに相当する2次イオン(C$$_2$$H$$_3$$O$$_2$$$$^+$$とC$$_4$$H$$_5$$O$$^+$$)の強度が20倍強かった。C$$_{60}$$イオンのエネルギーを1MeV程度にすることによりさらに2次イオン強度が数倍以上強くなることを確認しており、従来のものより高感度な分析を実現できることがわかった。

口頭

62.5-keV/u C$$_{it n}$$$$^{+}$$イオン衝撃による炭素薄膜からの二次電子放出に対する近接効果

鳴海 一雅; 千葉 敦也; 山田 圭介; 的場 史朗; 齋藤 勇一

no journal, , 

高速クラスターイオンと固体標的との衝突においては、構成イオン同士の時空間隔が非常に近接していることに起因する効果(近接効果)が観測される。中でも固体からの二次電子放出に対する近接効果は固体内原子衝突研究における未解明問題の一つである。この近接効果は、二次電子放出でよく知られた3ステップモデルにおける、入射粒子のエネルギー付与による二次電子の生成過程だけでは説明できない。その一方で、生成過程に由来しない近接効果の存在は実証されていない。そこで、これを実証するために、同じ速度のC$$_{it n}$$$$^{+}$$イオン(${it n}$=1-4)を、ビーム軸に対して45$$^{circ}$$傾けた厚さが異なる非晶質炭素薄膜(厚さ2-100$$mu$$g/cm$$^{2}$$)に照射し、前方に放出される二次電子収量のクラスターサイズ依存性を調べた。得られた結果は、全ての厚さの膜で二次電子収量の抑制効果(1原子当たりの二次電子収量がC$$_{1}$$$$^{+}$$の場合よりも小さい)を示し、この抑制効果は少なくとも60$$mu$$g/cm$$^{2}$$の膜まで${it n}$の増大に伴って大きくなった。モンテカルロ法を用いて薄膜中の解離イオンの軌道を計算したところ、厚さ50$$mu$$g/cm$$^{2}$$で解離イオン間距離が十分大きくなるため、それより厚い膜では生成過程に由来する近接効果は除外してよいことがわかった。したがって、この結果は、生成過程の寄与が除外できるような厚い膜でも、エネルギー付与以外の物理メカニズムに由来する近接効果、すなわち生成過程に由来しない近接効果が存在することを示している。

口頭

数百keV/uクラスターイオン衝撃による炭素薄膜からの二次電子放出に対する近接効果

鳴海 一雅; 千葉 敦也; 山田 圭介; 的場 史朗; 齋藤 勇一

no journal, , 

高速クラスターイオンと固体標的との衝突においては、構成イオンの時間的・空間的間隔が非常に近接していることに起因する効果(近接効果)が観測される。固体からの二次電子放出に対する近接効果は、二次電子放出の3つの過程(二次電子の生成, 輸送, 透過)のうち、生成過程における近接効果だけでは説明できない。その一方で、生成過程以外の過程における近接効果は実証されていない。そこで、これを実証するために、62.5keV/uのC$$_{it n}$$$$^{+}$$イオン(${it n}$=1-4)を、ビーム軸に対して45$$^{circ}$$傾けた7種類の厚さ(2-100$$mu$$g/cm$$^{2}$$)の非晶質炭素薄膜に照射し、前方に放出される二次電子収量を測定した。得られた結果は、今回の実験で用いた膜厚の範囲において、1原子当たりの二次電子収量がC$$_{1}$$$$^{+}$$の場合よりも少なくなることを示した。${it n}$の増大に伴って収量がより減少することから、観測結果がクラスターイオン照射に由来するのは明白である。モンテカルロ法を用いて薄膜(1-50$$mu$$g/cm$$^{2}$$)中の解離イオンの軌道シミュレーションをした結果、膜の厚さに伴って解離イオン間距離が長くなり、50$$mu$$g/cm$$^{2}$$程度で、生成過程における近接効果がほとんど寄与しないほど解離イオン間距離が十分長くなった。したがって、それより厚い膜では生成過程における近接効果は除外してよいことがわかった。この結果は、二次電子の生成過程以外の過程においても近接効果が存在することを示している。

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