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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

Implementation of muon interaction models in PHITS

安部 晋一郎; 佐藤 達彦

Journal of Nuclear Science and Technology, 54(1), p.101 - 110, 2017/01

 被引用回数:4 パーセンタイル:18.09(Nuclear Science & Technology)

宇宙線ミューオンを用いた原子炉の透視や核物質の検出、低エネルギー負ミューオンを用いた非破壊元素分析や超寿命核分裂生成物(LLFP)の核変換など、様々なミューオン応用研究が進められている。このようなミューオン応用研究にPHITSを適用可能とするため、本研究ではミューオンと物質との相互作用(制動放射、電子・陽電子対生成、ミューオン光核反応、負ミューオン捕獲反応)に関するモデルを構築し、PHITSに実装した。改良したPHITSは水中および地中での宇宙線ミューオンの透過フラックスおよび、ミューオン光反応および負ミューオン捕獲反応からの中性子生成に関する実験値をよく再現した。またコンクリート壁を前面に配置したミューオン照射による放射性核種生成断面積の測定実験を解析した結果、実験値との良好な一致が得られた。以上のように、粒子の透過距離や放射性核種生成の評価が重要となるミューオン施設の遮蔽設計に対して、新しい反応モデルを実装したPHITSの適用性が実証された。

論文

Feasibility study of nuclear transmutation by negative muon capture reaction using the PHITS code

安部 晋一郎; 佐藤 達彦

EPJ Web of Conferences (Internet), 122, p.04002_1 - 04002_6, 2016/06

 パーセンタイル:100

高レベル放射性廃棄物に含まれる長寿命核種(LLFP)の処理方法として、核変換技術が研究されている。しかしながら、$$^{90}$$Sr, $$^{126}$$Sn, $$^{137}$$Csなどの中性子吸収断面積および核分裂断面積が小さい核種に関しては、中性子による核変換が困難である。このような核種の核変換について、負ミューオンの適用が検討されている。低エネルギーの負ミューオンは原子に捕獲されミューオン原子を形成し、その後崩壊または原子核に捕獲されるが、このミューオンを捕獲した原子核は中性子や陽子などを放出し、別の核種へと変換される。放射線輸送計算コードPHITSの最新版では、負ミューオン捕獲反応の計算機能が実装された。そこで、PHITSを用いて負ミューオン捕獲反応による核変換の実現可能性の調査として、$$^{90}$$Srによる負ミューオン捕獲反応を計算した。その結果、94%の負ミューオンが原子核に捕獲され、66%の$$^{90}$$Srが安定核または半減期20日以下の核種へ変換されることが確認された。一方で、15%の$$^{90}$$Srは元よりも半減期の長い$$^{87}$$Rbへ変換されることも判明した。

論文

ミューオン輸送のPHITSシミュレーション

安部 晋一郎

核データニュース(インターネット), (114), p.18 - 27, 2016/06

粒子・重イオン輸送計算コードPHITSでは、ミューオンの輸送を模擬する計算モデルが実装されている。本記事では、最新のPHITS(ver. 2.84)に搭載されている制動放射、電子・陽電子対生成、ミューオン光核反応及び負ミューオン捕獲反応のモデルの概要を紹介すると共に、ベンチマーク結果および応用研究成果を示す。ベンチマークでは、地中での環境ミューオン透過フラックスについて、PHITSは測定値を非常によく再現した。また、ミューオン核反応からの粒子生成に関しても実験値との概ね良い一致が得られたが、鉛標的からの中性子生成に関しては実験値を過小評価することがわかった。計算モデルを利用した応用研究として、負ミューオン捕獲反応による長寿命放射性核種の核変換に関しては、PHITS計算で得られた変換効率を用いて核変換に要する時間を概算し、その実現には非常に高強度のミューオン源が必要となることを明らかにした。他、二次宇宙線ミューオン起因ソフトエラーを解析し、ここでは負ミューオン捕獲反応がソフトエラーの主因であることを示した。

論文

高温工学試験研究炉(HTTR)の内部構造を可視化成功; ミューオンを利用した非接触・非破壊検査技術

高松 邦吉

非破壊検査, 65(5), p.207 - 210, 2016/05

特願 2010-166333   公報

福島第一原子力発電所の事故前、宇宙線ミューオンを使って原子番号の違いを検出できないか検討した結果、散乱法を用いた宇宙線ミューオンの可視化技術は、黒鉛ブロック、原子炉圧力容器、ウラン(燃料体)、空気を識別することができた。また、福島第一原子力発電所の事故後、燃料デブリの状況を把握するため、透過法を用いた宇宙線ミューオンの可視化技術を提案した結果、原子力機構のHTTRの原子炉圧力容器(RPV)および原子炉格納容器(CV)の外側から、炉心および炉内構造物を可視化することができた。

論文

Shielding effect on secondary cosmic-ray neutron- and muon-induced soft errors

安部 晋一郎; 佐藤 達彦

Proceedings of Radiation Effects on Components and Systems Conference 2016 (RADECS 2016) (Internet), 5 Pages, 2016/00

二次宇宙線中性子は、地上における電子機器のソフトエラーの主因として知られている。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の影響が懸念されている。本研究では二次宇宙線中性子およびミューオン起因ソフトエラー発生率(SER: Soft Error Rate)への遮蔽効果による影響を調査した。地球上のほぼ全ての場所、時期における宇宙線フラックスを見積もる解析モデルPARMA 4.0で得られる宇宙線の二重微分フラックスを用いて、PHITSによる建屋への二次宇宙線中性子およびミューオン照射の計算を行った。その結果、建屋内での中性子フラックスの計算値と実験値との非常に良い一致が得られた。野外および建屋1階での二次宇宙線中性子およびミューオン起因のSERは、多重有感領域(MSV: Multiple Sensitive Volume)モデルとPHITSを用いて解析した。その結果、建屋による遮蔽効果は中性子起因SERの減少にのみ寄与することが判明した。建屋1階でのミューオン起因SERは中性子起因SERに対して20%程度であり、屋内で使用する機器の信頼性評価を行う際は二次宇宙線ミューオンの影響を考慮する必要があること明らかにした。

論文

Effects of muon interactions with matter on terrestrial muon-induced soft errors

安部 晋一郎; 佐藤 達彦; 松葉 大空*; 渡辺 幸信*

Proceedings of 11th International Workshop on Radiation Effects on Semiconductor Devices for Space Applications (RASEDA-11) (Internet), p.45 - 48, 2015/11

宇宙から降り注ぐ放射線(一次宇宙線)と大気の相互作用で生じる二次宇宙線は、地上にある電子機器の半導体デバイスの誤作動(ソフトエラー)の原因であることが知られている。次世代型のデバイスは微細化によって放射線耐性が低下しており、近年環境ミューオンの影響が懸念されている。ミューオンは仮想光子を介した反応や負ミューオン捕獲反応により二次荷電粒子を生成する。そこで本研究ではこれらの反応に着目し、環境ミューオン起因のソフトエラー率(SER)への影響を解析した。本研究では、PHITSと多重有感領域(MSV)モデルを用いて、設計ルール(半導体部品中の基本的な配線の太さ)が25nmのNMOSFETに対するSERを解析した。その結果、環境ミューオン起因のSERは環境中性子起因のSERの数%以下となり、その主因は負ミューオン捕獲で、仮想光子を介したミューオン核反応の影響は小さいことを明らかにした。また、環境ミューオンの直接電離による影響は臨界電荷量の非常に低い領域のみに現れることも実証した。

報告書

大強度陽子加速器計画におけるNME施設内3GeVビーム陽子ラインに関する検討

明午 伸一郎

JAERI-Tech 2000-088, 32 Pages, 2001/02

JAERI-Tech-2000-088.pdf:2.3MB

大強度陽子加速器計画の生命・物質科学実験施設を構成する短寿命核種実験施設(E),中間子実験施設(M),中性子散乱実験値施設(N)(合わせてNME施設と呼ぶ)における3GeV陽子ビーム輸送ラインのビームオプティクス,ビーム形状及びビームスピルについて検討を行った。ビームオプティクス及びビームスピルの計算は、TRANSPORT及びDECAY-TURTLEコードを用いて行った。TRANSPORTコードを用いた計算の結果,ビームラインは前長86mとなり、概念検討の施設の案に収まることがわかった。DECAY-TURTLEを用いたビーム形状及びビームスピルの計算の結果,ビームスピルは目標とする15%以下にできることがわかった。また、中性子ターゲットにおけるビーム形状も目標とする横13cm,縦5cmの一様にできることがわかった。以上の検討結果は、今後のNME施設内の詳細配置の基本設計として用いられる。

報告書

第1回「大強度陽子加速器の利用」に関するワークショップ; 1995年2月7$$sim$$8日、日本原子力研究所、東海村

水本 元治; 田中 俊一

JAERI-Conf 95-017, 220 Pages, 1995/09

JAERI-Conf-95-017.pdf:8.0MB

第1回「大強度陽子加速器利用」に関するワークショップが1995年2月7日と8日の両日、日本原子力研究所(原研)東海研究所において開催された。このワークショップにおいて原研がこれまで検討を進めてきた1.5GeV、10mA級の大強度陽子加速器を中心とした研究センター構想についての報告と、大強度陽子加速器を用いた多彩な研究分野に関する講演が行われた。講演では加速器開発、オメガ計画(通称)、中性子、中間子、ミューオン、スポレーションRI利用等に関する27件の報告があった。本報文集はそれら論文をまとめたものである。

口頭

格納容器/圧力容器内部観察技術の開発

伊藤 主税

no journal, , 

原子力機構が自主研究として実施してきた原子炉格納容器・圧力容器内部調査のための技術開発の成果を報告する。ファイバスコープによる観察技術とレーザー誘起ブレークダウン分光による元素分析技術を組み合わせて炉内の燃料デブリの分布を調査する装置の開発では、観察と組成分析の両機能を併用できる水中用のプローブシステムの成立性を確認するとともに、これらの光信号を伝送する光ファイバの耐放射線性を向上させ、積算$$gamma$$線量100万Gyまでの使用を可能とした。宇宙線ミューオンを用いた非破壊検査技術では、HTTRの炉内を可視化する実験を行い、炉心部と炉内構造物を識別できることを確認し、1Fに適用するための高度化改良計画を立案した。また、JMTRの炉内照射試験技術として開発してきた自己出力型$$gamma$$線検出器を1F炉内の線量計測に使えるように高感度化し、検出器を試作して$$gamma$$線照射試験を行い、検出下限を10Gy/hまで拡張できたことを確認した。今後、国プロが実施する格納容器・圧力容器内部調査技術開発等において本研究開発の成果に基づく提案を行い、技術の適用を目指していく。

口頭

ミューオンと物質との相互作用の計算機能のPHITSへの実装

安部 晋一郎; 佐藤 達彦

no journal, , 

高エネルギーの宇宙線ミューオンを用いた火山や原子炉などのラジオグラフィや、低エネルギー負ミューオンを用いた非破壊元素分析や超寿命核分裂生成物(LLFP)の核変換など、様々なミューオン応用研究が進められている。このようなミューオン応用研究にPHITSを利用可能にするため、本研究では、ミューオンの制動放射、電子・陽電子対生成、仮想光子を介した核反応および負ミューオン捕獲反応の計算機能を新たにPHITSに実装した。実装した計算機能を用いて、地中での環境ミューオンの透過割合の計算を行った。その結果、ミューオンの電離のみ考慮した計算値は実験値を過大評価する一方で、ミューオンと物質との相互作用を考慮することで、計算値と実験値との良好な一致が得られることを実証した。次に、LLFPの一つである$$^{90}$$Srを標的として、負ミューオン捕獲反応による二次核種生成量を計算し、標的に入射した負ミューオンのうち94%が原子核に捕獲され、67%の$$^{90}$$Srが安定核または半減期20日以下の核種に変換されることを明らかにした。

口頭

半導体メモリーに対する宇宙線ミューオン誘起シングルイベントアップセットの発生予測

松葉 大空*; 渡辺 幸信*; 安部 晋一郎

no journal, , 

放射線が半導体デバイスに入射することで記憶データの反転(シングルイベントアップセット: SEU)が生じ、結果として電子機器に一時的な誤動作(ソフトエラー)が生じる。半導体デバイスは微細化に伴い放射線耐性が低下しており、近年環境ミューオンによる影響が指摘されている。ミューオンは自身による直接電離に加え、負ミューオン捕獲反応による生成二次荷電粒子によってもソフトエラーを引き起こすことが可能である。本研究では粒子輸送計算コードPHITSおよび単一有感領域モデルを用いて、設計ルール(半導体部品の基本的な配線幅)が65, 45, 32および25nmの4世代のNMOSFETにおけるソフトエラー発生率(SER)を評価した。その結果、中性子起因SEUと同様に、設計ルールの微細化に伴う単位bit当たりのSERの減少傾向が得られた。また設計ルール25nmのNMOSFETについて詳細に解析した結果、入射ミューオンによる直接電離と負ミューオン捕獲反応からの生成二次重イオンが主因であることがわかった。

口頭

ミューオン輸送のPHITSシミュレーション

安部 晋一郎; 佐藤 達彦

no journal, , 

最近、ミューオン相互作用(制動放射、電子・陽電子対生成、ミューオン光核反応、負ミューオン捕獲反応)の計算モデルが現在開発中のPHITSに実装された。この計算モデルのベンチマークおよび応用研究について、原子力学会の核データ部会セッションで報告する。ベンチマークを行った結果、地中での環境ミューオン透過フラックスについて、PHITSは測定値を非常によく再現した。また、ミューオン核反応からの粒子生成に関しても実験値との概ね良い一致が得られたが、鉛標的からの中性子生成に関しては実験値を過小評価することがわかった。計算モデルを利用した応用研究として、負ミューオン捕獲反応による長寿命放射性核種の核変換および二次宇宙線ミューオン起因ソフトエラーに関するシミュレーションを進めた。核変換に関しては、PHITS計算で得られた変換効率を用いて核変換に要する時間を概算し、その実現には非常に高強度のミューオン源が必要となることを明らかにした。二次宇宙線ミューオン起因ソフトエラーに関しては、負ミューオン捕獲反応がソフトエラーの主因であることを示した。

口頭

宇宙線ミュオンによる原子炉非破壊検査

高松 邦吉

no journal, , 

福島第一原子力発電所の事故前、宇宙線ミューオンを使って原子番号の違いを検出できないか検討した結果、散乱法を用いた宇宙線ミューオンの可視化技術は、黒鉛ブロック、原子炉圧力容器、ウラン(燃料体)、空気を識別することができた。また、福島第一原子力発電所の事故後、燃料デブリの状況を把握するため、透過法を用いた宇宙線ミューオンの可視化技術を提案した結果、日本原子力研究開発機構の高温工学試験研究炉(HTTR)の原子炉圧力容器(RPV)および原子炉格納容器(CV)の外側から、炉心および原子炉内構造物を可視化することができた。

口頭

高温工学試験研究炉(HTTR)の内部構造を可視化; ミューオンを利用した非接触・非破壊検査技術

高松 邦吉

no journal, , 

福島第一原子力発電所の事故前、宇宙線ミューオンを使って原子番号の違いを検出できないか検討した結果、散乱法を用いた宇宙線ミューオンの可視化技術は、黒鉛ブロック, 原子炉圧力容器, ウラン(燃料体), 空気を識別することができた。また、福島第一原子力発電所の事故後、燃料デブリの状況を把握するため、透過法を用いた宇宙線ミューオンの可視化技術を提案した結果、原子力機構のHTTRの原子炉圧力容器(RPV)および原子炉格納容器(CV)の外側から、炉心および炉内構造物を可視化することができた。

口頭

PHITSのミューオン反応モデルとその応用

安部 晋一郎

no journal, , 

2015年12月にリリースしたPHITS ver.2.82では、ミューオン相互作用(制動放射、電子・陽電子対生成、ミューオン光核反応、負ミューオン捕獲反応)の計算モデルが実装された。これらの計算モデルの概要、ベンチマーク結果および応用研究成果について、高エネルギー加速器研究機構で開催される負ミュオン研究会で報告する。ベンチマークを行った結果、地中での環境ミューオン透過フラックスについて、PHITSは測定値を非常によく再現した。また、ミューオン核反応からの粒子生成に関しても実験値との概ね良い一致が得られたが、鉛標的からの中性子生成に関しては実験値を過小評価することがわかった。計算モデルを利用した負ミューオンの応用研究として、負ミューオン捕獲反応による長寿命放射性核種の核変換および二次宇宙線ミューオン起因ソフトエラーに関するシミュレーションを進めた。核変換に関しては、PHITS計算で得られた変換効率を用いて核変換に要する時間を概算し、その実現には非常に高強度のミューオン源が必要となることを明らかにした。二次宇宙線ミューオン起因ソフトエラーに関しては、負ミューオン捕獲反応がソフトエラーの主因であることを示した。

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