「プラズマ科学における分光計測の高度化と原子分子過程研究の新展開」「原子分子データ応用フォーラムセミナー」
2016.12.21 核融合研

重イオンビームが生成するナノメータサイズ
プラズマの粒子シミュレーション

量子科学技術研究開発機構
森林 健悟

内容
（１）序論
（２）シミュレーションモデル
（３）ナノサイズプラズマの生成と緩和（４）応用（５）まとめ重イオンビーム科学での新規モデルの提案
自然は学問の垣根を知らない（福井謙一先生の名言の１つ）👉 垣根、学問の分野は正しく設定されているのか？？

放射線科学
X線、電子、陽子線高強度場科学重XFEL
高強度レーザー

相違：生成される荷電粒子（電子、分子イオン）間距離長い
短い
阻止能：弱い阻止能：強い仮説：強い阻止能の重イオンはÅに集光したXFELと類似→ XFELでのシミュレーションモデルを重イオンビーム科学に適用。

新規モデル、研究の目的
従来のシミュレーションモデル

提案する新規モデル

放射線孤立系

高強度場多体系

戻ってくる電子 → ナノサイズのプラズマを生成(特徴）プラズマが非常に狭い領域で発生：（１）原子レベルでの詳細なシミュレーション可能（プラズマ生成•緩和過程の理解を深める？）（２）放射線生物学（重粒子線がん治療）・イオン加工に重要（研究の目的） プラズマの生成・緩和過程とその応用を調べる

内容
（１）序論
（２）シミュレーションモデル
（３）ナノサイズプラズマの生成と緩和（４）応用（５）まとめシミュレーションモデル
(1)標的の設定
水分子(2)イオンを照射し、水分子イオンと二次電子を生成させる。

ZZ(3)二次電子の運動v

30nm

個々の二次電子と個々の荷電粒子との間のクーロン相互作用をニュートン方程式で解く。

(4)電子衝突過程
10 nm

入射イオンの軌道
液体密度設定水分子イオン
二次電子

水分子の電離、励起を取り扱う。
電子のエネルギーは起こる過程によりエネルギーを失う：動径線量計算に使用

粒子（イオン、電子）線衝突過程の取り扱い方、二次電子の初期エネルギーの決め方
分子

粒子線衝突電離が起きると以下の計算をする乱数
Ese∫ f (E ' )dE ' = R∫ f (E ' )dE '粒子

se0se

n∞

0

個々の分子に断面積を設置する
粒子線衝突断面積

衝突過程が起きるsese

二次電子の初期エネルギーとなる

青円：1つの分子衝突過程が起きない粒子が断面積を通過したときのみ衝突過程が起きるとする
K. Morbayashi, Phys.Rev.A, 84, 012702 (2011), Phys. Scr. 90 054013 (2015), NIMB, in press (2015).

内容
（１）序論
（２）シミュレーションモデル
（３）ナノサイズプラズマの生成と緩和（４）応用（５）まとめ重イオン照射で生成する分子イオン
20 nm
衝突電離断面積

小small
陽子1 MeV(0.8 nm）(0.3 nm interval）
C6+
He2+H+0.1

1

10100

陽子 500 keV
断σion面
陽子 200 keV
積
C6+ 3 MeV/ularge
大重イオンの軌道
シンボル：水分子イオン

イオンエネルギー(MeV/u)
C.D. Cappello et al., nucl.Ins.Meth.Phys.Res.B, 267, 781 (2009) K. Morbayashi, Phys.Rev.A, 84, 012702 (2011).

入射イオンによる衝突電離が起きる間隔（平均自由行程）の理論式と一致：
シミュレーションが正常に動作していることを確認

1τ =nσ ion

n: 水分子の数密度σion：イオン衝突電離断面積

重イオン照射で生成する分子イオンのが作り出す電場

1.E+101010

1.E+101010
109
1.E+09
1.E+08108

電場(E2) (V/m)

電場(E1) (V/m)(1)水分子イオンの (2)電場：電子の(3)電場：電子のスクリー二ング無視
スクリー二ング考慮
生成場所
1110
1.E+11
1.E+111011
σion=3 ×10-15cm2(r -1)
点電荷(r -2)0.11110σion=10-15cm2σion=4 ×10-16cm2

1.E+09109
E2 = E1108
1.E+081010110100σ0σ ion

10010100

重イオンの軌道からの距離(r) (nm) 重イオンの軌道からの距離(r) (nm)イオンの平均生成間隔距離1τ∝σ ion （平均自由行程）に一致

σE1 ∝ ionr

σ ion
σ0E2 = E1∝σ ionr

成果：重イオン照射で誘発される電場の簡便式の導出に成功

10.10.01

シミュレーション結果
1
τ∝
σ ion

1
τ∝
σ ion

放射線科学型

高強度場科学型◇スクリーニング効果考慮

◆電子のスクリー
ニング効果無視

表面からの脱出確率

軌道からの脱出確率

二次電子が電場から脱出する確率
観測値

1▲：観測値

0.10.011< q2 >∝0.1 1
1σ ion10< q 2 > [Kimura et al. NIMB,

0.010.1 1001
10111τ∝∝σ ion < q 2 >平均自由行程 τ (nm)

成果：二次電子の脱出確率の簡便式の導出に成功。
実験値の傾向を再現することにも成功。
K. Moribayashi, J. Phys. Soc. Jpn., in press (2016.12)

1193, 661 (2002）]

二次電子が電場から脱出する確率（考察）∫
脱出確率 ~∫

Eis,max
Eis,minEis,max
0f (Eis )dEisf (Eis )dEis

∝∫

11dE~
is
Eis,minE is2
Eis,minEis,max

分布関数 f (Eis )1二次電子の初期エネルギー分布
1.E+001f (Eis ) ∝Eis210-2
1.E-02

Eis,min : 脱出できる二次電子の最小のエネルギー
Eis,min ∝重イオン照射で生成する電場
1(電子のスクリーニング無視)
τ1∝τすなわち Eis,min∝ σ ion ∝∝ σ ion ∝10-4
1.E-04010100 1000２次電子のエネルギーEis (eV)(for Eis,min > 30 eV)

すなわち1（電子のスクリーニング考慮）τ1Eis,min∝ τ

K. Moribayashi, J. Phys. Soc. Jpn., in press (2016.12)

r < 1 nmの二次電子の電子温度の時間変化
入射イオン：3MeV/uの炭素イオン 実線：マクセル分布 数字：電子温度
200

10 eV300

照射後２ fs

照射後1 fs

electron number

1000005 eV20204040300

照射後4 fs
200100010 eV0004040

照射後10 fs
250

6 eV002020500

8 eV1000electron number

20020204040

electron energy (eV)0020204040

electron energy (eV)K. Moribayashi, JPS Conf. Proc. 1. 013089 (2014), Rad. Phys. Chem. 96, 211 (2014).

二次電子のエネルギー付与（動径線量）
C6+ with 3 MeV/u
1.E+06106

電場考慮
我々の新規モデル
断面積：大高強度場科学型

動径線量 (Gy)

1.E+06106

断面積：小放射線科学型

1.E+05105
動径線量 (Gy)107
1.E+07

C6+ with 15 MeV/u

105
1.E+05104
1.E+04
電場考慮しない
従来のモデル104
1.E+040

1.E+0312

3

軌道からの距離 (r) (nm)

40

1234

軌道からの距離(r) (nm)電子温度（エネルギー）の減少→ 標的の温度（エネルギー）上昇（エネルギー付与）
放射線生物学、重粒子線がん治療、イオン加工の分野に有用
K. Moribayashi, Rad. Phys. Chem. 96, 211 (2014).

重粒子線の課題

DNA損傷

RBE：放射線の生物効果の強さを表す指標

3.4 nm

クラスター
DNA損傷

生存率0.1に対するα線のRBEは
RBE＝ 5Gy/1.25Gy = 4

課題：重粒子線の生物効果比（RBE）が大きいことを説明できない。
最有力の仮説：クラスターDNA損傷が生成し、それがRBEを大きくする（DNA損傷の空間分布が重要：動径線量が役に立つ）

まとめ◎高強度場科学のシミュレーションモデルを重イオンビーム科学に適用した。
（成果）• 重イオン照射での誘導電場とその電場の二次電子の運動への影響を計算し、この計算結果を再現する簡便式の導出に成功• 二次電子の運動に関して実験値の再現に成功• 動径線量で二次電子の運動に電場の影響を取り入れた新しいモデルを提案ご静聴、ありがとうございました