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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 single-ion hit techniques and their applications at TIARA of JAERI Takasaki

神谷 富裕; 平尾 敏雄; 小林 泰彦

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 219-220, p.1010 - 1014, 2004/06

 被引用回数:8 パーセンタイル:51.5(Instruments & Instrumentation)

日本原子力研究所高崎研究所のTIARAでは4種類のイオンマイクロビーム装置(重イオン, 軽イオン, コリメート型高エネルギー重イオン、及び集束方式高エネルギー重イオン)をもち、それぞれイオンと物質との相互作用の特殊性(照射影響がミクロに局在化する)を活かしたユニークな応用利用が行われている。従来のマイクロビームの応用はマイクロPIXEに代表されるようなMeV軽イオンによる非破壊局所分析が主であったのに対して、TIARAでは、タンデム加速器及びサイクロトロン加速器からのMeV~数100MeVの重イオンによるシングルイオンヒット技術を応用し、高エネルギー重粒子による半導体素子や生物細胞へのシングルイベント効果や照射損傷の機構研究やリスク評価に関する研究に重点をおいている点に特色がある。今回の発表では、シングルイオンヒット技術についてこれまでの開発の経緯と今後の展望について述べ、併せてこれを用いた最新の応用研究成果について紹介する。

論文

ミクロの世界に触れる視線と指先; イオンマイクロビーム技術の開発と応用

神谷 富裕

放射線化学, 2000(69), p.32 - 36, 2000/03

高崎研究所の加速器施設TIARAにおいては、3MVシングルエンド及び3MVタンデム加速器のビームライン上にそれぞれ軽イオン及び重イオンマイクロビーム装置を設置し、技術開発と応用研究を進めている。前者は、いわばミクロの世界を覗く視線であり、マイクロPIXE等による生物細胞を初めとする微細な試料内部に元素がどのように分布しているかを調べるためのものである。これに対し後者は、いわばミクロの世界を探る指先であり、シングルイオンヒットシステム等を用いて半導体素子や生物細胞が高エネルギーイオンにヒットされて引き起こされる現象を模擬し機構を解明するためのものである。本稿ではわれわれ自身が実際に行ってきた実験の一端を紹介し、マイクロビームの持つこれら2つの側面を示した。

報告書

耐放射線性機器・材料データベースの構築・整備

福島 峰夫; 川妻 伸二; 和田 孝雄; 山本 隆一; 田中 康正

PNC-TN8410 93-192, 129 Pages, 1993/05

PNC-TN8410-93-192.pdf:3.02MB

原子力施設など放射線環境下で使用される電子部品や材料等について、多くの放射線照射試験が行われ、様々なデータが得られている。これらのデータは、原子力施設で使用される機器の設計の際、部品の選定や採用の可否の検討に極めて有効であることから、機器・材料の放射線劣化のデータを蓄積・活用するためのデータベースを構築・整備した。データベース構築にあたって、始めに予備検討を行い基本要件(利用対象者、収集するデータ範囲等)及び構築の条件(目的、機能等)を明らかにした。次に、データ入力のためのデータシートの検討を行った。以上の検討結果を基に、データベースシステムの試作を行った後、試作したシステムの課題点を抽出し、データベースシステムの改良を実施した。また、システムの改良と並行して、半導体及び高分子材料の放射線劣化のデータを収集・蓄積した。データベースに関する専門知識のない者でも簡単に操作できるデータベースシステムを構築することができ、平成5年7月現在で、半導体データ約1000件、高分子材料データ約500件を蓄積できた。構築したデータベースを用いて、放射線環境下で使用する電子機器の耐放射線性の評価を実施することができた。今後は放射線環境下で使用される機器の設計支援を行えるように、継続してデータの収集及びシステムの課題点の摘出・改良を行う。

論文

原研重イオンマイクロビーム装置の制御及びビーム計測

神谷 富裕; 湯藤 秀典; 田中 隆一

第5回タンデム加速器及びその周辺技術の研究会報告集, p.116 - 119, 1992/07

宇宙用半導体素子のシングルイベント効果の機構解明及びヒット部位依存性評価のため製作された重イオンマイクロビーム装置は、マイクロビーム集束、ビーム照準及びシングルイオンヒットが可能なように設計されている。本装置の制御は、精密レンズ、ビームシフター、ファラデーカップ及びスリット等のビームライン機器の制御と、ビームスキャナー、2次電子検出器及びターゲットステージ等のターゲットシステムの制御に分けられ、それぞれ計算機を介して遠隔で行われる。このシステムを用いてビームサイズ計測やビーム照準が行われ、これまでに15MeVのNi$$^{4+}$$ビームで0.7$$times$$1.1$$mu$$m$$^{2}$$のスポットサイズが確認された。なお、シングルイオン検出器のオフラインでの調整が現在進められており、今後ターゲットシステムに組み込まれる予定である。

論文

重イオンマイクロビーム装置のシングルイオンヒットシステム

神谷 富裕; 湯藤 秀典*; 田中 隆一

第3回粒子線の先端的応用技術に関するシンポジウム, p.453 - 456, 1992/00

宇宙用半導体素子におけるシングルイベント効果の基礎的な機構を解明するための重イオンマイクロビーム装置が開発された。本装置は高エネルギーの多種のイオンと1$$mu$$m以下に集束し、試料に1$$mu$$m程度の位置精度でビーム照準を行い、そこに単一イオンを打込むシングルイオンヒットを可能とするよう設計された。我々すでに15MeVNiイオンビームで1$$mu$$nのビームサイズを達成しており、現在ビーム照準とシングルイオンヒットの技術開発を進めている。

論文

Microbeam system for study of single event upset of semiconductor devices

神谷 富裕; 宇都宮 伸宏*; 峰原 英介; 田中 隆一; 大泊 巌*

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 64, p.362 - 366, 1992/00

 被引用回数:29 パーセンタイル:91.26(Instruments & Instrumentation)

原研のTIARA施設に設置された3MVタンデム加速器に重イオンによる半導体素子のシングルイベント効果の実験を目的としたマイクロビーム装置が取付けられた。同効果の半導体素子における部位依存性を調べるために、マイクロビーム形成、ビーム照準、シングルイオンヒットの3つの基本的な技術が要求される。本装置は、これらの技術を確立するために早稲田大学で行われたマイクロビーム装置とシングルイオンヒットの予備実験の成果に基づいて設計された。今回は、本装置の概要を報告する。

論文

Development of ion microprobe system at WASEDA University

M.Koh*; 杉森 正章*; 村山 純一*; 則武 克誌*; 松川 貴*; 原 謙一*; 滝口 吉郎*; 神谷 富裕; 宇都宮 伸宏*; 峰原 英介; et al.

Proceedings of International Workshop on Radiation Effects of Semiconductor Devices for Spasce Application, p.105 - 111, 1992/00

半導体素子の任意の位置におけるイオン照射効果を評価するためのマイクロプローブが早稲田大学タンデム加速器のビームライン上に設置された。本装置には、イオンビームによる照射位置の照準を容易にするための走査型電子顕微鏡の小型の鏡筒がターゲットチャンバーに組込まれている。現在までに3MeVのヘリウムイオンビームによって1.9$$times$$1.7$$mu$$m$$^{2}$$のビームスポットが確認されている。今回は本装置の概要と、本装置を用いて行った。ビーム径計測実験及び、ビーム照準のテスト実験について述べる。

論文

JAERI heavy ion microbeam system and single ion hit technique

神谷 富裕; 湯藤 秀典*; 田中 隆一

Proceedings of the International Workshop on Radiation Effects of Semiconductor Devices for Space Application, p.112 - 117, 1992/00

宇宙空間で使用される半導体素子のシングルイベント効果の基礎的な機構を解明するために、原研3MVタンデム加速器のビームライン上に重イオンマイクロビーム装置が設置された。本装置は、2連四重極レンズを用いてNi$$^{4+}$$15MeVのような高エネルギー重イオンを集束し、スキャナーによって高精度に位置制御されたターゲットステージにセットされた試料にマイクロビームをスキャンするように設計されている。これによって我々は1$$mu$$m以下のビームスポットサイズと、試料におけるビームのヒット位置精度を1$$mu$$m以下にすることを目指している。さらに、イオンを1個1個制御して試料とヒットさせるために、シングルイオン検出系と高速ビームスイッチの組合せによるシングルイオンヒットシステムの開発を行っている。

論文

イオンビームを用いる放射線高度利用の研究計画から,2; 宇宙用半導体素子の耐放射線性研究

森田 洋右

放射線と産業, (52), p.40 - 42, 1991/12

人工衛生等の宇宙で使用される半導体素子の耐放射線性の研究の概要について解説した。まず、地球周辺の宇宙の放射線環境について述べ、微細な半導体素子に重イオンが入射した時の現状について述べた。また、タンデム加速器のマイクロビームを使用する半導体素子のエラー発生のマッピングの研究についても説明した。

口頭

Critical charge dependence of correlation of different neutron sources for soft error testing

森 博子*; 上村 大樹*; 松山 英也*; 安部 晋一郎; 渡辺 幸信*

no journal, , 

地上で半導体デバイスに二次宇宙線中性子が入射したことで付与された電荷が、ある閾値以上記憶ノードに収集されると保持データの反転が起こり、ソフトエラーと呼ばれる電子機器に誤動作が生じる。機器の誤動作は甚大な人的・経済的被害に繋がる恐れがあるため、電子機器の防護も重要な課題となっている。二次宇宙線中性子に起因するソフトエラー発生率(SER: Soft Error Rate)を実験的に評価する場合、中性子照射が可能な加速器施設を利用した試験が行われる。照射する中性子スペクトルは施設ごとに異なるため、測定結果を実環境におけるSERへ換算する必要がある。本研究では、様々な中性子照射施設で評価したSERと、JEDECにより報告されている実環境中性子スペクトルによるSERとの比(SER比)に、臨界電荷量依存性を考慮した換算手法を提案する。ここで、SER比はPHITSコードをリンクしたマルチスケールモンテカルロシミュレーション手法PHYSERDを用いて計算したSEU断面積と、各試験施設およびJEDECの中性子スペクトルを用いて算出した。3つの中性子照射施設で試験して得られたSER値を本手法で換算した結果、各SER値の偏差は5%以内となった。

口頭

Radiation induced defects of III-V solar cells embedded with InAs quantum dots

佐藤 真一郎; Schmieder, K.*; Hubbard, S.*; Forbes, D.*; Warner, J.*; 大島 武; Walters, R.*

no journal, , 

インジウム砒素(InAs)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、3MeV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。照射によって生成する欠陥準位のエネルギーと捕獲断面積に加え、照射量の増加に伴う欠陥準位密度の変化について調べた。その結果、照射欠陥に起因すると思われる複数の欠陥準位は照射量に対して比例して増加することが分かった。一方、照射前から存在するEL2トラップと呼ばれる欠陥準位の密度は照射後も増加しないが、照射前におけるQDを含むpn接合ダイオード中のEL2トラップ密度はQDを含まないpn接合ダイオードよりも数倍高くなっており、EL2トラップ密度の改善が今後の課題であることが判明した。

口頭

AlGaN/GaNヘテロ構造を用いたホールセンサの陽子線照射効果

岡田 浩*; Abderrahmane, A.*; Adarsh, S.*; 若原 昭浩*; 佐藤 真一郎; 大島 武

no journal, , 

半導体ホールセンサは、他のセンサ素子や電子回路と一体化させることでシステムが小型軽量化できるというメリットをもつため、宇宙空間利用や過酷環境などへの応用が期待される。そこで今回、サファイア基板上に形成したAlGaN/GaNへテロ構造を用いてホールセンサを作製し、TIARAのイオン注入器を用いて380keVの陽子線を照射することでその放射線照射効果を調べた。1$$times10^{13}$$cm$$^{-2}$$以下では、キャリア移動度ならびにシートキャリア密度に大きな変化は見られなかったが、1$$times10^{14}$$cm$$^{-2}$$の照射により移動度の低下に伴う高抵抗化が生じることがわかった。また、ホールセンサの感度は、1$$times10^{14}$$cm$$^{-2}$$まで初期の値を保つことが明らかとなった。

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。

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