成果報告
大気中シングルイベント照射システムの開発（１）Development of in-air single event irradiation system
安田啓介*1
Keisuke YASUDA
Abstract
For the microbeam tuning in case of the in-air single event irradiation, a beam tuning method using STIM
(Scanning Transmission Ion Microscopy) was developed. A proton microbeam was scanned on a Cu meshtarget, and transmitted protons were detected with a silicon surface barrier detector (SSD). The microbeam
with low beam intensty was successfully tuned with this method.
要約
大気中シングルイベント照射の際のマイクロビーム調整のために STIM（Scanning Transmission Ion Microscopy）
法を用いたビーム調整法の開発を行った。銅メッシュ上でビームを走査し、これを通過したイオンをシリコン半導体検出器で検出した。これによって低ビーム量でもマイクロビームを形成することが可能となった。
I.

緒言
シングルイベント照射とはマイクロビームを用いて微小領域に決められた個数のイオンを照射する手法である。

これは細胞から半導体デバイスまでさまざまな対象への放射線の影響を調べるのに重要なツールである。細胞へのシングルイベント照射では、任意の単一細胞に決められた個数のイオンを照射することが可能になる。ビーム径を 1μm 程度まで絞れば細胞内の器官を狙って照射することも可能になる。近年、放射線生物学の分野ではバイスタンダー効果と呼ばれる現象が注目を集めている。これは、細胞集団に放射線を照射した際、放射線が当たった細胞だけではなく、放射線が当たっていない細胞にも放射線の影響が及ぶという現象である。すべての細胞に放射線が当たるような高線量照射では、放射線の影響は照射線量に比例する。照射の際に放射線が当たる細胞と当たらない細胞が出てくるような低線量照射での放射線の影響は、高線量照射からの外挿で評価されているのが現状である。バイスタンダー効果の存在は、低線量照射での影響が高線量照射からの外挿だけでは説明しきれない可能性を示しており、その評価に大きな影響を及ぼすと考えられている。すなわち、バイスタンダー効果の研究は生物体への低線量放射線の影響を調べるのに重要となってくる。この現象を精度よく定量的に調べるには、照射の際に放射線が当たった細胞と当たっていない細胞を区別して照射後の細胞の挙動を観察することが重要となる。これには細胞一つ一つを狙って照射することができるシングルイベント照射技術が必要不可欠である。半導体デバイスへの応用では、シングルイベントアップセット(SEU)とよばれる現象の解明に利用されている。SEU とは高エネルギー放射線が入射した際に生じる半導体デバイスの誤作動であり、近年衛星搭載機器などの宇宙空間での半導体デバイス使用の際に問題となっている。SEU の機構を解明するためには、微小半導体素子にマイクロビームを照射しその際の過渡現象をイベント・バイ・イベントで調べることが重要となる。
このようにシングルイベント照射技術は生物学から半導体デバイスなどの広い分野で重要であるが、これを実施できる設備と技術を持つ研究機関は限られている。我々はこれまでに照射室１の元素分析．結晶構造解析コースにおいてイオンビーム分析用のマイクロビームの開発を行ってきた 1) ,2) ,3)。その結果、真空中で 2μm、大気中で 10μm 程度の大きさのビームを用いてマイクロ PIXE、マイクロ NRA 分析を行うことが可能となった。次のス
テップとしてこのビームラインでシングルイベント照射システムを構築し生物細胞や半導体デバイスなどのシング*１研究開発部

エネルギー材料グループ

ルイベント照射に供することを計画している。このためには低レートでのマイクロビーム調整、ビーム照準、シングルイベント制御などが必要となってくる。今回は低レートでのマイクロビーム調整を STIM（Scanning Transmission
Ion Microscopy）法を用いて行う方法を開発し、大気中においてマイクロビームのビーム径の評価を行ったので、それらの結果について報告する。
II.

実験と結果

マイクロビームは四重極電磁石（Q レンズ）を用いてビームを試料位置で収束させることによって得られる。Q レンズの電流調整は試料位置においたメッシュの像を見ながら行う。マイクロ PIXE の場合はメッシュからの特性 X線を測定し、これを用いてメッシュ像が得られる。しかし、シングルイベント照射の場合はビーム量が極端に少ないので（マイクロ PIXE の場合はおよそ 108 cps であるのに対し、シングルイベント照射の場合は 100 cps）、特性 X線はほとんど発生せず、これを用いてメッシュ像を得ることはできない。そこで我々は STIM 法によってメッシュ像を得て、ビーム調整を行うことを考えた。STIM 法はマイクロビームを試料上で走査し、試料を透過したイオンを測定することによって試料の二次元像を得る手法である。試料を透過したイオンは試料中でそのエネルギーを失って検出器に入射する。試料中でのエネルギー損失は試料の厚さの関数となるので、エネルギーの測定によって試料の厚さに関する情報が得られる。マイクロビームを試料上で走査することによって、試料の厚さの二次元的な分布が得られる。我々はこの手法を銅メッシュを用いたビーム調整に用いることにした。銅メッシュを試料として STIM を行った場合、開口部を通過したイオンのエネルギーはビームとほぼ同じであるのに対し、銅線部を通過した透過イオンのエネルギーは銅線中でのエネルギー損失の分だけビームエネルギーより低くなる。すなわち、透過イオンのエネルギー測定によって銅線部を通過したイオンのみを選び出すことができる。このイベントで二次元像を作成すれば銅メッシュの像が得られる。銅メッシュの像が得られれば、この像の鮮明さを指標として Q レンズの磁場の調整を行うことができる。
実験は若狭湾エネルギー研究センターW-MAST(The Wakasa Wan Multi-purpose Accelerator withSynchrotron and Tandem) の照射室１にある元素分析・結晶構造解析コース（μ-PIXE コース）においてSSD

microbeam行った。ビームラインの詳細については参考文献 1),2)を参照のこと。ビームにはタンデム加速器で加速された 2.5 MeV 陽子を用いた。このビームを窒化シリコン薄膜（1×1 mm2、厚さ 100 nm）により大気中に取りCu mesh

出した後、銅メッシュ（400 lines/inch、線間隔 62μm,線幅 8μm）を試料としてその上でビームを走査した。
窒化シリコン薄膜と銅メッシュサンプルの距離は 1

図−１ 実験のセットアップの概略図

mm とし、この間にはヘリウムガスを流した。検出器としてシリコン半導体検出器（SSD、CANBERRA PD25-12-100AM）を採用し、銅メッシュを通過したイオンを検出し、そのエネルギーを測定した。図−1 にこの実験のセットアップの概略図を示す。実験ではビームラインにあるスリットの開口幅をマイクロビーム形成時のもの（分析スリット：700μm、対物スリット：2(x)×10(y) μm2、マススリッ
ト：1 mmφ）に設定した 1)。さらに、シングルイオン照射実験に適切なビーム強度（毎秒数百個程度）とするために、SSD のカウントレートを指標にしてイオン源のアイリスを調整した。SSD のカウントレートは毎秒 80〜1100 個だった。

図−２ SSD で測定されたイオンのエネルギースペクトル（a）と、二次元像(b),(c),(d)。
図−２（a）に SSD で測定された陽子のエネルギースペクトルを示す。エネルギースペクトルの A のピークは銅メッシュの銅線部を通過した陽子、C のピークは開口部を通過した陽子にそれぞれ対応する。このようにエネルギースペクトルから銅線部と開口部を通過した陽子をきれいに分離できることがわかった。銅メッシュの像は A に対応するイベントにより位置の二次元像をプロットすることによって得られる。次に一次元方向のみのビーム走査を行い、A に対応するイベントの一次元像を作成して、線幅が最小となるように Q レンズの電流を調整した。調整後の銅メッシュ像を図−２(b)に示す。STIM 法によって銅メッシュ像が得られていることが分かる。また、エネルギースペクトルの B,C に対応するイベントの二次元像を図−２（c）、(d)に示す。 (d)は開口部の像となっている。これはエネルギースペクトルの C の部分が開口部を通過した陽子のエネルギーに対応しているからである。また、（c）は銅線部の端の像となっている。この像は陽子のエネルギーが B に対応するイベントで作られたものである
ので、銅線部の端は中心部より厚さが薄いということを示している。
得られたマイクロビームのビーム径は B のイベントの一次元像から評価した。図−３に示すように一次元像では銅線の端に対応する部分にピークが見られる。この端の部分がビーム径よりも十分狭いときは、ピークの形状がビーム形状を表す。今回はこのような条件を仮定して、ピークの幅からビーム径を評価した。その結果、ビーム径として 5(x)×4(y) μm2 という値が得られた。

図−３ エネルギースペクトルの B に対応するイベントの一次元像。
III. まとめSTIM 法によってシングルイオン照射の際に重要となるマイクロビームの調整方法を開発した。銅メッシュを通過した陽子をシリコン半導体検出器で測定し、開口部を通過した陽子と銅線部を通過した陽子を分離することに成功した。銅線部を通過した陽子のイベントで銅線部の像を作成し、これを用いてマイクロビームの調整を行うことができた。メッシュの端の部分の像からビーム径を評価し、5(x)×4(y) μm2 という値が得られた。本研究で低ビーム量でのマイクロビーム調整法は確立したので、今後はシングルイベント制御、照射位置決定方法などを確立し、シングルイベント照射システムとして完成させる。

参考文献
１） K. Yasuda, M. Hatashita et al., Nucl. Instr. and Meth. B 210 (2003) 27.
２） 安田啓介他、若狭湾エネルギー研究センター平成１４年度研究成果報告集、13(2003)
３） K. Yasuda, V. H. Hai et al., to be published in Nucl. Instr. and Meth. B