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論文

J-PARC加速器用イグナイトロン代替半導体スイッチの開発

小野 礼人; 高柳 智弘; 植野 智晶*; 堀野 光喜*; 山本 風海; 金正 倫計

Proceedings of 17th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.590 - 593, 2020/09

J-PARCでは、直線型加速器の高周波加速用クライストロン電源のクライストロン短絡保護装置(クローバー装置)に水銀整流器(イグナイトロン)を用いている。イグナイトロンは、世界的に使用が制限されている水銀を使用しており、将来的に製造中止が見込まれる。そこで、大電力半導体素子(MOSゲートサイリスタ)を用いたイグナイトロン代替用半導体スイッチを設計した。クローバー装置に使用するためには、120kV, 40kA, 50usの動作出力が必要である。1枚当たり、3kV, 40kA, 50usの動作出力を実現するオーバル型基板モジュールを製作した。このオーバル型基板モジュール4枚を4直列で接続し、既設機器(120kV, 40kA)の電圧に対して1/10スケール(12kV, 40kA)での動作性能を確認することができた。その出力試験結果について報告する。

論文

Development of low inductance circuit for radially symmetric circuit

高柳 智弘; 植野 智晶; 堀野 光喜

Journal of Physics; Conference Series, 1350(1), p.012183_1 - 012183_7, 2019/12

 被引用回数:0 パーセンタイル:100

J-PARC RCSの安定した運転を維持継続するための高度化研究開発の一つとして、キッカーシステムで採用しているサイラトロン代替用半導体スイッチ回路の開発を行っている。その中で、次世代半導体の一つであるSIC-MOSFETの半導体を用いた放射対称型回路は、多数の半導体スイッチが直列, 並列に多重化された構成である。この放射対称型回路では、全ての並列回路の長さが等しいため、タイミングジッタやレベル変化により出力波形が歪むことは原理的には無い。そのためこの回路は、超高速ショートパルスの波形の出力に有用である。本研究では、電力伝送回路を2重の円リング構造にすることで同軸形状とし、更なる低インダクタンス化を実現する回路を開発した。構造と出力波形から求めたインダクタンス値を比較した結果、約10%の低減を実現した。また、実試験にて計算と実測の比較検証を行い、開発した円リング構造が計算通り低インダクタンス化に有効であることを確認した。

論文

放射光リアルタイム光電子分光で観る半導体表面の酸素分子の吸着反応

吉越 章隆

放射光, 32(4), p.185 - 198, 2019/07

放射光軟X線光電子分光は、固体表面の化学状態の精密分析に適した手法である。SPring-8の軟X線放射光を使うと気体孤立分子の固体表面との間で起きる化学反応を実時間"その場"観察する放射光リアルタイム光電子分光が可能となる。酸素分子による表面酸化は、半導体絶縁膜の形成などの表面機能化や燃料電池の電極反応、三元触媒反応や錆(腐食現象)などナノテクノロジー, 環境・エネルギー, 物質・材料のさまざまな研究分野に関係する重要な反応である。本稿では、シリコン単結晶の表面酸化における酸素吸着反応に焦点を当てる。著者が進めてきた一連の研究の紹介を通して、固体表面における分子吸着反応研究の重要性とそのメカニズム解明あるいは新規反応探索に対する放射光リアルタイム光電子分光の有用性を述べるとともに将来展望を試みた。

論文

J-PARC加速器用イグナイトロン代替半導体スイッチと新キッカー電源の開発

小野 礼人; 高柳 智弘; 植野 智晶*; 堀野 光喜*; 山本 風海; 金正 倫計

Proceedings of 16th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.399 - 403, 2019/07

J-PARCでは、LINACの高周波加速用クライストロン電源のクローバー装置にイグナイトロン、RCSのキッカー電源システムにサイラトロンを用いている。イグナイトロンは、世界的に使用が制限されている水銀を使用しており、将来的に製造中止が見込まれる。そこで、MOSゲートサイリスタを用いたイグナイトロン代替用半導体スイッチを設計した。クローバー装置に使用するためには、120kV, 40kA, 50usの動作出力が必要である。1枚当たり、3kV, 40kA, 50usの動作出力を実現するオーバル型基板モジュールを製作し、仕様を満足すること確認した。また、サイラトロン代替スイッチにSiC-MOSFETを用いたLTD回路を採用したモジュール型パルス電源を製作し、RCSキッカー電源システムに必要な、立ち上がり250ns以下、フラットトップ1.5us以上を実現する。1枚当たり800V, 2kAの主回路基板26枚とフラットトップを補正する100V, 2kAの補正回路基板14枚を積み重ね、20kVの出力を実現した。試験結果について報告する。

論文

Development of a new modular switch using a next-generation semiconductor

高柳 智弘; 植野 智晶*; 堀野 光喜*

Journal of Physics; Conference Series, 1067, p.082019_1 - 082019_6, 2018/10

 被引用回数:0 パーセンタイル:100

Semiconductor switches using SiC-MOSFETs are expected to substitute the thyratron, and they are designed by connecting many semiconductor switches in parallel-series for high power operation. In order to suppress the common-mode noise caused by switching, it is common to form a symmetrical circuit. However, as the number of parallel connections in the horizontal direction increases, the length of the parallel circuit becomes longer, and the output waveform is distorted due to time lag between the circuits. Therefore, we propose a radially-symmetrical type module switch which can equalize the circuit length regardless of the number of parallel circuit. Even in circuit fabrication, it was easy for the radially-symmetrical type to make the distances of the parallel circuits equal, shorten the circuit length, and make the circuit impedance lower than the line-symmetrical type. It was confirmed that the radially-symmetrical type circuit is very useful for constructing multiple circuits. The design and preliminary test results of two types of switch circuits, radially-symmetrical type and general line-symmetrical type are presented here.

論文

Irradiation test of semiconductors components on the shelf for nuclear robots based on Fukushima Accidents

川妻 伸二; 中井 宏二; 鈴木 義晴; 加瀬 健

QST-M-2; QST Takasaki Annual Report 2015, P. 81, 2016/12

原子力施設の緊急時対応や廃止措置のためのロボットに使用される市販半導体素子の耐放射線性を評価した。福島第一原子力発電所事故の直後、市販半導体の耐放射線性評価と管理方法に関するガイドラインの作成が試みられた。その際に用いられたデータは、高放射線量かつ高汚染環境下で使用される力フィードバック型サーボマニピュレータ開発の一環として開発された古いデータベースであった。耐放射線性はかなり保守的に評価された。その理由は、主としてシリコンを母材とする古い半導体のデータであったためである。現在、ガリウム・ヒ素を簿在とする半導体が主流になりつつあり、耐放射線性もより高いと期待される。そのため、現在、市販されている半導体の照射試験を行い、耐放射線性の評価を行った。

論文

Measurement of radioactive contamination on work clothing of workers engaged in decontamination operations

辻村 憲雄; 吉田 忠義; 星 勝也

JPS Conference Proceedings (Internet), 11, p.070003_1 - 070003_7, 2016/11

To rationally judge the necessity of the contamination screening measurements required in the decontamination work regulations, a field study of the surface contamination density on the clothing of the workers engaged in decontamination operations was performed. The clothing and footwear of 20 workers was analyzed by high-purity germanium (HPGe) $$gamma$$-ray spectroscopy. The maximum radiocesium activities ($$^{134}$$Cs + $$^{137}$$Cs) observed were 3600, 1300, and 2100 Bq for the work clothing, gloves, and boots, respectively, and the derived surface contamination densities were below the regulatory limit of 40 Bq/cm$$^{2}$$. The results of this field study suggest that the upper bounds of the surface contamination density on the work clothing, gloves, and boots are predictable from the maximum soil loading density on the surface of clothing and footwear and the radioactivity concentration in soil at the site.

論文

Soft error rate analysis based on multiple sensitive volume model using PHITS

安部 晋一郎; 佐藤 達彦

Journal of Nuclear Science and Technology, 53(3), p.451 - 458, 2016/03

 被引用回数:5 パーセンタイル:38.13(Nuclear Science & Technology)

地上における電子機器の信頼性を脅かす問題として、二次宇宙線中性子によるソフトエラーが知られている。既に開発済のマルチスケールモンテカルロシミュレーション手法PHYSERDは信頼性の高いソフトエラー解析コードで電荷収集過程を詳細に解析できるが、テクノロジーCAD(TCAD)シミュレーションに長時間を要する。そこで本研究では、収集電荷量の概算に多重有感領域(MSV: Multiple Sensitive Volume)モデルを採用し、PHITSとMVSモデルを用いた二次宇宙線中性子起因ソフトエラー発生率(SER: Soft Error Rate)計算を行った。この計算結果をPHYSERDおよび単純有感領域(SSV: Single Sensitive Volume)モデルによる結果と比較した。その結果、PHITSとMSVモデルを用いることで、PHYSERDによるSER計算値と同等の値を短時間で算出できることがわかった。また、PHITSとMSVモデルを用いて電荷収集効率の位置依存性を考慮することで、PHITSとSSVモデルよりもSERや電荷収集をより正確に再現できることを定量的に明らかにした。

論文

Observation of oriented organic semiconductor using Photo-Electron Emission Microscope (PEEM) with polarized synchrotron

関口 哲弘; 馬場 祐治; 平尾 法恵; 本田 充紀; 和泉 寿範; 池浦 広美*

Molecular Crystals and Liquid Crystals, 622(1), p.44 - 49, 2015/12

BB2014-1632.pdf:0.72MB

 被引用回数:0 パーセンタイル:100(Chemistry, Multidisciplinary)

分子配向は有機半導体材料の様々な性能を制御する上で重要な因子の一つである。一般に薄膜材料は様々な方向を向く微小配向領域の混合状態となっている。したがって、各々の微小領域において配向方向を選別して顕微分光観測できる手法が望まれてきた。我々は、光電子顕微鏡(PEEM)法と直線偏光性をもつ放射光X線や真空紫外(VUV)光を組み合わせる装置の開発を行っている。ポリ(3-ヘキシルチオフェン)(P3HT)導電性ポリマー薄膜を溶液法により作製し、偏光放射光励起によるPEEM像の観測を行った。また様々な偏光角度のUV照射下におけるPEEM像を測定した。放射光励起実験において各微小領域の硫黄S 1s励起X線吸収スペクトルが得られ、微小領域におけるポリマー分子配向の情報を得ることができた。またUV励起実験においては、偏光角度に依存して異なる微結晶層を選択観測することに成功した。実験結果はポリマーの特定の分子軸へ向いた配向領域だけを選択的に顕微鏡観測できることを示唆する。

論文

Electronic properties of 6,13-Bis(triisopropylsilylethynyl)pentacene probed by inner-shell spectroscopy

池浦 広美*; 関口 哲弘

Molecular Crystals and Liquid Crystals, 622(1), p.50 - 54, 2015/12

 被引用回数:0 パーセンタイル:100(Chemistry, Multidisciplinary)

$$pi$$積層型有機電導性分子は分子エレクトロニクスへの応用として広く期待されている。もし有機半導体における伝導帯の電子構造の直接観測が行えれば、電導メカニズムの理解が飛躍的に進むと期待される。通常、伝導帯の状態密度の観測には、X線吸収分光(XAS)が用いられる。ここで内殻励起される元素の部分状態密度が観測される。しかしながら、XASでは空軌道の局在性・非局在性の情報を得ることはできない。本研究では、共鳴オージェ電子分光法(RAS)における正孔時計法を電子材料に応用する。非局在化軌道をもつ伝導帯をアト秒領域で高速移動する電子を観測する。本発表ではペンタセン誘導体材料に適用した例をあげ、電子伝導機構を議論する。

論文

研究用原子炉を用いた工業生産

河村 弘

電気評論, 100(5), p.11 - 12, 2015/05

研究用原子炉とは、発電を行うための原子炉ではなく、原子炉用燃料・材料や放射線に係る研究・開発、研究者・技術者の教育等を推進するための原子炉である。研究用原子炉は、原子力・放射線関係の研究・開発、そして教育を推進する上で必要不可欠な基盤的研究施設として、我が国においても従来、研究機関や大学の有する研究炉がそれぞれに大きな役割を果たしてきた。現在においても研究用原子炉の利用分野は広く、エネルギー利用に留まらず、産業利用、学術研究等と多岐に渡っている。今回の発表では、研究用原子炉を用いた工業生産の観点から、特に放射性同位元素(RI)及びシリコン半導体の製造を中心に報告を行う。

論文

イオンビームスパッタ成長法

山口 憲司

シリサイド系半導体の科学と技術, p.113 - 121, 2014/09

本稿は、イオンビームと固体との相互作用に起因するスパッタリング現象について概説したのち、これを薄膜創製に応用したイオンビームスパッタ蒸着法の説明をしている。さらに、イオンビームスパッタ蒸着装置に基板表面処理用のイオン照射系を備えた実験装置の構成例を示したうえで、本手法によってシリコン基板上に作製された鉄シリサイド半導体薄膜の特徴を解説した。実験結果が示すところでは、薄膜は基板に対して高配向した連続膜であり、しかも、基板との間に非常に鮮明な界面を形成することも分かった。

論文

Impact of nanostructures and radiation environment on defect levels in III-V solar cells

Hubbard, S.*; 佐藤 真一郎; Schmieder, K.*; Strong, W.*; Forbes, D.*; Bailey, C. G.*; Hoheisel, R.*; Walters, R. J.*

Proceedings of 40th IEEE Photovoltaic Specialists Conference (PVSC-40) (CD-ROM), p.1045 - 1050, 2014/06

量子ドット(QD)を含むガリウム砒素(GaAs)pn接合ダイオードとQDを含まないpnダイオードに対する、1MeV電子線及び140keV陽子線照射の影響を欠陥準位評価(DLTS)法によって評価した。照射前のQDダイオードからはEc$$-$$0.75eVの欠陥準位が観測され、電子線照射後はそれに加えて、GaAsにおいてよく見られるE3, E4トラップと思われる準位が観測された。QDを含まないGaAsダイオードと比較すると、点欠陥起因のE3のトラップ密度は低く、複合欠陥起因のE4トラップ密度は高くなる傾向にあることが分かった。同様に、陽子線照射後はPR1, PR2, PR4'トラップが観測された。QDを含まないGaAsダイオードの結果と比較すると、PR4'のトラップ密度は低く、PR2については有意な差が見られないことが分かった。これらの結果から、QD層が点欠陥の生成を抑制し、逆に複合欠陥を生成しやすくする可能性があると結論付けられる。

論文

Effect of irradiation on gallium arsenide solar cells with multi quantum well structures

Maximenko, S.*; Lumb, M.*; Hoheisel, R.*; Gonz$'a$lez, M.*; Scheiman, D.*; Messenger, S.*; Tibbits, T. N. D.*; 今泉 充*; 大島 武; 佐藤 真一郎; et al.

Proceedings of 40th IEEE Photovoltaic Specialists Conference (PVSC-40) (CD-ROM), p.2144 - 2148, 2014/06

多重量子井戸(MQW)構造を持つガリウム砒素(GaAs)太陽電池の放射線応答を明らかにするため、電子線および陽子線を照射し、電子線誘起電流(EBIC)測定および、容量・電圧(CV)測定を用いて複合的に解析した。MQW層の電子輸送特性をEBICによって調べ、2次元拡散モデルを用いて解析したところ、照射によりMQW層における電界強度分布が不均一化することが明らかとなった。また、CV測定の結果から、はじき出し損傷量が1$$times10^{-8}$$MeV/g以下の領域でMQW層の伝導型が弱いn型からp型へ変化している可能性が見出された。この結果は、EBICの測定結果から得られる電界強度の変化と一致しており、MQW層における特有の劣化現象である可能性が示唆された。

論文

Orientation effect of organic semiconducting polymer revealed using Photo-Electron Emission Microscope (PEEM)

関口 哲弘; 馬場 祐治; 下山 巖; 平尾 法恵; 本田 充紀; 和泉 寿範; 池浦 広美*

Photon Factory Activity Report 2013, Part B, P. 546, 2014/00

分子配向性は有機半導体材料の様々な性能を制御する上で重要である。一般に薄膜材料は様々な方向を向いた微小配向領域の混合状態である。したがって、各微小領域の配向方向を選択して顕微分光観測できる手法の開発が望まれている。我々は、光電子顕微鏡(PEEM)法と直線偏光性をもつ放射光X線や真空紫外(VUV)光を組み合わせる装置の開発を行っている。ポリ(3-ヘキシルチオフェン)(P3HT)導電性ポリマー薄膜を溶液法により作製した。偏光放射光励起により特定方向を向くポリマー分子鎖領域のPEEM像の観測を行うことができた。各微小領域の硫黄S 1s励起X線吸収スペクトルが得られ、微小領域におけるポリマー分子配向の情報を得ることに成功した。

論文

Novel photosensitive materials for hydrogen generation through photovoltaic electricity

山口 憲司; 鵜殿 治彦*

International Journal of Hydrogen Energy, 32(14), p.2726 - 2729, 2007/09

本研究では、FeSi$$_2$$を基とする材料により太陽光を電気エネルギーに変換し、これにより水を電気分解し水素製造を安価に行う新しい材料の研究開発活動を紹介する。この方法による水素製造は炭素を放出することなく、「環境」に対しても低負荷であると考えられる。本研究では、$$beta$$-FeSi$$_2$$なるシリサイド系の半導体材料に焦点を当て、太陽電池材料としての特性をSiと比較する。$$beta$$-FeSi$$_2$$は0.87eVのバンド幅を有する直接遷移型の半導体で、1eVで10$$^5$$cm$$^{-1}$$という非常に大きな吸収係数を有するとされる。このため、素子の薄膜化が可能で大幅な資源的節約が図れる。本研究で紹介する$$beta$$-FeSi$$_2$$の製法はイオンビーム技術やナノ構造評価手法の発展的応用であり、これまでに100nm程度の高品位薄膜が開発されている。

論文

PDF analysis on semiconductive CdTe-ZnTe alloy

米田 安宏; 鈴谷 賢太郎; 小原 真司*; 水木 純一郎

Ferroelectrics, 339, p.165 - 174, 2006/09

 被引用回数:0 パーセンタイル:100(Materials Science, Multidisciplinary)

CdTe-ZnTe半導体混晶はzinc-blendeタイプの構造を持つ物質として、初めて強誘電性が確認された。しかし、強誘電性領域においても構造が変化しないことから、強誘電性発現機構がいまだ明らかにはなっていない。われわれは実験室系のX線回折においてZn原子の温度因子が大きく変化することを見いだした。これは熱的揺動だけではなく、静的なdisorderが生じていると考えられる。そこで、disorderな構造を明らかにするために、高エネルギーX線回折とPDF解析を用いて改めてこのCdTe-ZnTe半導体混晶の構造解析を行った。その結果、平均構造位置からのdisorderはZn, Cdサイトだけではなく、むしろTeサイトで支配的に起こっていることがわかった。これらの原子のdisorderの結果、分極が生じ強誘電性を発現していると考えられる。

論文

Electrical conductivity increase of Al-doped ZnO films induced by high-energy-heavy ions

須貝 宏行; 松波 紀明*; 福岡 修*; 左高 正雄; 加藤 輝雄; 岡安 悟; 志村 哲生*; 田沢 真人*

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 250(1-2), p.291 - 294, 2006/09

 被引用回数:14 パーセンタイル:27.6(Instruments & Instrumentation)

AlドープZnO(AZO)半導体薄膜は、電気伝導性及び可視光透過性に優れ、低コストで環境負荷の軽い透明電極材料として応用研究が行われている。熱的過程では限界があるAZO薄膜の電気特性向上を試みて、高エネルギー重イオン照射を行った。RFマグネトロンスッパター法により作製したAZO薄膜は、Al/Zn組成比4%,膜厚0.3$$mu$$mであった。フルーエンス4$$times$$10$$^{13}$$/cm$$^{2}$$まで100MeV Xeイオンを照射すると、電気伝導度は1.5$$times$$10$$^{2}$$から8$$times$$10$$^{2}$$S/cmまで単調に増加した。このような電気伝導度の増加は、100keV Neイオン照射の場合にも観測しているが、100keV Neイオン照射の場合には、フルーエンス3$$times$$10$$^{16}$$/cm$$^{2}$$(深さ0.1$$mu$$mのレンジ付近で、7dpa)で電気伝導度が最大となった。100MeV Xeイオン照射の場合、フルーエンス4$$times$$10$$^{13}$$/cm$$^{2}$$におけるdpaは0.008となるので、100MeV Xeイオン照射における電気伝導度の増加は、電子励起効果によると考えられる。

論文

Irradiation effects with 100 MeV Xe ions on optical properties of Al-doped ZnO films

福岡 修*; 松波 紀明*; 田沢 真人*; 志村 哲生*; 左高 正雄; 須貝 宏行; 岡安 悟

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 250(1-2), p.295 - 299, 2006/09

 被引用回数:23 パーセンタイル:14.46(Instruments & Instrumentation)

AlドープZnO(AZO)半導体薄膜は、電気伝導性及び可視光透過性に優れ、低コストで環境負荷の軽い透明電極材料として応用研究が行われている。熱的過程では限界があるAZO薄膜の電気特性向上を試みて、高エネルギー重イオン照射を行い、光学特性の変化を調べた。RFマグネトロンスッパター法により作製したAZO薄膜は、Al/Zn組成比4%,膜厚0.3$$mu$$mであった。フルーエンス4$$times$$10$$^{13}$$/cm$$^{2}$$までの100MeV Xeイオン照射により、電子励起効果によると考えられる電気伝導度の増加(1.5$$times$$10$$^{2}$$から8$$times$$10$$^{2}$$S/cm)を観測したが、照射前後の吸光度測定及びX線回折測定によると、可視光透過率及び結晶性に大きな変化はなかった。

論文

Effect of thermal annealing on the photoluminescence from $$beta$$-FeSi$$_2$$ films on Si substrate

山口 憲司; 志村 憲一郎; 鵜殿 治彦*; 笹瀬 雅人*; 山本 博之; 社本 真一; 北條 喜一

Thin Solid Films, 508(1-2), p.367 - 370, 2006/06

 被引用回数:12 パーセンタイル:47.63(Materials Science, Multidisciplinary)

成膜後の加熱処理が$$beta$$-FeSi$$_2$$薄膜からの発光(PL)特性に与える影響をより詳細に調べるために、作製した薄膜試料をさまざまなアニール条件で処理した。試料の作製はイオンビームスパッタ蒸着(IBSD)法もしくは分子線エピタキシー(MBE)法によった。いずれの製法でも、蒸着速度は0.5nm min$$^{-1}$$とほぼ同程度で、膜厚は50-100nmであった。また、PL測定は1100-1700nmの波長範囲で行った。測定の結果、最も強いPL強度を示すのは、IBSD法で作製した試料を1153Kにて$$>$$10$$^{-4}$$Pa程度の真空中でアニールした場合であることがわかった。この場合、測定温度150K以下では、温度が増加してもPL強度はさほど減少しない。しかし、150K以上になると、温度の増加とともに急激に減少するとともに、ピーク位置も低エネルギー側へシフトすることがわかった。一方、超高真空(10$$^{-7}$$Pa)下でアニールをした場合、アニールによりPL強度は著しく減少した。さらに、透過型電子顕微鏡による断面組織観察によって、高温での真空アニールによりシリサイド膜は数10nm程度の粒状となり、周囲をSiにより取り囲まれてしまうこともわかった。MBE法により成膜した鉄シリサイド膜についてもPL特性を調べたが、概して強度は弱く、また、アニールによる強度の増加もごくわずかであった。

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