産業連携チームでは、RIBF施設の共用促進事業を行っております。RIBFが世界に誇る高エネルギー重イオンビームとＲＩビームを、産業界の皆様に使って頂いております。

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既に産業利用されている様々な“量子ビーム”を、ビーム粒子の重さ vs. エネルギーでプロットしてみました。仁科センターの加速器が得意とする高エネルギー重イオンビームは、“パンチ力”が強いビームです。その特質を活かした産業利用として、本日は重イオンビームによる「宇宙利用半導体の試験」と、ＲＩビームによる「摩耗試験と摩耗のイメージング開発」について、ご紹介させて頂きます。
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近年、宇宙からの高エネルギーイオンビームが、宇宙利用と地上利用、双方の半導体素子にエラーや故障を引き起こす事が問題視されています。仁科センターでは、宇宙利用半導体の照射試験を行っています。

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宇宙線の起源は、太陽からの軽イオン線と、銀河由来の重イオン線などです。地球には、磁気圏と大気圏の自己遮蔽があります。惑星探査の時代となり、宇宙利用半導体は重イオン線に長期間曝されます。IoT社会の到来
で、地上の高集積化された半導体では、地球の自己遮蔽をくぐり抜けた２次宇宙線の影響が無視できなくなってきました。
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重イオン線が半導体素子を通過すると、電離作用により素子の誤動作・破壊を引き起こします。中性子線の場合でも、同様の電離作用が起こります。高集積化された素子では、粒子線１発で影響が表れるシングルイベン
ト効果が問題視されています。この効果は、重いイオンほどパンチ力(LET)が強くなるため顕著になります。
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仁科センターではアルゴン(Ar)～金(Au)までの高エネルギー重イオンによる半導体試験を行っています。高エネルギーなので空気中で照射が可能です。真空チャンバーが不要なため、信号ケーブルの引き回しは社内試験のままで良く便利です。またビームエネルギーも、利用者が容易に変更できます(Ｅ減衰板制御にて)。 当センター側で、ビームのエネルギーやフラックス等を測定し、照射データとしてご提供します。
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宇宙線のLET vs. フラックス分布(上図)を見ると、重粒子線は桁落ちで減少して行きます。しかし、10数年に及ぶ長期宇宙探査では、１発でも飛来する確率が否めなくなります。仁科の高エネルギー重イオンビーム(下図)は、真空中から空気中へ取り出してもまだエネルギーに余裕があるので、前述のE減衰板を用いて、広いLET範囲でかつ素子の感応層の厚さまで照射試験を行うことが可能です。
7次にRIビームの産業利用ですが、これはまだ黎明期にあります。その１例として、RIビームを機械部品に打ち込んで、オンラインでサブμｍの極微量摩耗分析ができると考えております。更に、回転部品の摩耗のイメージングを、PETやSPECT装置と同様に測定可能な簡易検出装置も開発中です。
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RI核種は昔から感度の良いトレーサーとして用いられてきました。RI核から放出されるγ線は、物質を透過するので、装置の外部から測定できます。通常 、RI は液体の試薬として供給されていますが、仁科センターではこれをビームとして供給できます。浸透が困難な金属材質にもRIトレーサーを打込めるので、オンライン摩耗量測定に応用したいと思っております。
9例えばエンジン部品の摩耗量検査工程を考えてみると、組立て～運転～分解～計測を繰り返す必要があります。運転状態でリアルタイムに摩耗量を測定するために、RIとトレーサーを用いた手法が1970年代頃から用いられてきました。
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摩耗試験に適したRIトレーサーとは、半減期が数か月～数年のRI核種で、摩耗し合う部品表面に濃く分布するように注入する必要があります。従来法(直接放射化法)では、検査部品に大強度な軽イオンビームを照射して、部品中の材質に核反応を起こさせて放射化する事で、RIトレーサーを注入していました。
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従来法の問題点は、部品材質が金属材に限られる点、照射により部品が損傷する点などがありました。新手法の「RIビーム打ち込み法」を用いれば、RIへ核変換する過程を「RIビーム生成分離装置」が担当しますので、これらの問題が解決されます。樹脂、セラミック材なども適用でき、更に打ち込み深さを制御して、表面付近にのみ効率的にトレーサーを注入できます。
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RIビーム生成分離装置を用いて、重イオン１次ビーム(22Ne) を RIビーム (22Na) に核変換して、試験試料に打ち込んだ例です。打込む直前に配置した「回転式エネルギー減衰板」で、打ち込みエネルギーを調整する事で、パルス状の深さ分布が実現できます。更に、エネルギースリット幅を広げることで、この分布を平滑化する事も可能です。
13例えばRIトレーサー(7Be)の打込み濃度は、約10時間の照射で １μm厚さ当たり 13kBq(ベクレル)になります。
この試料が表面から摩耗で削り取られていく過程を試算してみると、約10分間毎の測定で、20nm の摩耗量を検出できる感度があると予想されます。これが RIトレーサーを用いた極微量分析の威力です。
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打込まれたRIトレーサーが摩耗粉となって減少して行く過程を、γ線係数率の変化として計測する事で、オンラインでリアルタイムに摩耗量を測定できます。現状供給可能なトレーサーは、寿命が長めの22Naと短めの7Beです。寿命の差異に応じて、硬質・軟質材の部品に打ち込むのが良いでしょう。また２核種のRIトレーサー使うと、「部品間の摩耗速度検査」や「摩耗深さゲージ」といった高度な摩耗量試験も考えられます。
15さて、装置外部からγ線の係数率を測定しているだけでは摩耗量が分からない場合があります。例えば、潤滑油が取出せない密閉装置などです。この様な検査対象にも適用できるように、摩耗のオンラインイメージングをやってみたいと思いました。
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RIトレーサーのイメージングでは医療用PET診断装置が有名です。PETでは２つのγ線を放出する β+崩壊核 の試薬を患者に投与し、周囲を囲んでいる多数の検出器で計測します。ところで摩耗検査部品の多くは、イメージング測定には好都合なことに「自ら回転」してくれています。この場合、検出器の構成を単純化できます。
左右一対の検出器をスライドさせるだけでPETと同等な360°方向のパノラマデータを取得可能だからです。
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GIRO装置は、中心に回転する機械部品を模擬した回転台を置き、その左右に平行移動する１対のγ線検出器を配置した単純な構成です。装置は検査対象のサイズに合わせてスケーラブルです。 線源から反対方向に放出される２本のγ線を同時計測する事で、360°方向のパノラマデータ(サイノグラム)が得られます。点状線源２つを観測すると、サイノグラム上では、周波数が同じで位相と振幅が異なる２つのサインカーブを描きます。
18３つの点状線源の測定例です。γ線の強度が異なるので、サイノグラム上では濃さの異なる３本のサインカーブになります。このサイノグラムを、PETと同じ逆投影法で画像処理して得られた再構成画像の位置分解能は約4mmでした。これはγ線検出器入口の鉛スリットの幅に相当します。PETと比べ検出器数が少ない分、検出効率が低く、測定に時間が掛かりますが、長時間測定する摩耗検査などには使えるでしょう。
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左右の検出器を２段重ねにする事で、３次元画像を取得する事を試みました。22Na を濾紙にしみ込ませて文字形状にした面状線源２枚と、点状線源１個を、回転台上に高さ違いで３層に配置して測定しました。左右の検出器の同時測定条件を分けて解析する事で、３つの層の画像が分離できました。この様に、回転軸方向に検出器を増設する事で、簡易的な３次元イメージングへ拡張する事も可能です。
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γ線スリットの指向性を改善する事で、SPECTモードでのトレーサー画像の取得を試みました。SPECTモードは、γ線１個のみで計測できるので、適用可能なRIトレーサー核種が増えます。また左右の同時計測条件が不要ですので、短時間で測定可能な反面、得られた画像の S/N比や空間分解能が低下します。約30分間の短時間測定なので、画像のS/Nは悪いものの、PETとSPECTの両方の画像を同時に測定できました。
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GIRO法は、検査対象が回転物に限られ、測定時間も長くなるのが短所です。でも検出器構成が単純なのでPETと比較してかなり安価にRIイメージングが可能となります。目標としては、サイノグラムプロット上で摩耗粉が拡散して行く過程を(できれば定量的に)イメージングしたいと思っております。回転する機械部品だけでなく、植木鉢の植物を低速回転させたり、液体容器の中身の動きを観察するような応用も可能かもしれません。
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以上、本日ご紹介させて頂いた「重イオンの産業利用」の例として、１つ目は重イオンビームのパンチ力を生かした宇宙利用半導体の耐性試験、2つ目はＲＩビームの特性を生かしたオンライン摩耗検査、及びそれをサポートするGIRO法によるRIイメージング技術の開発について紹介させて頂きました。皆様のご専門分野で、この様な重イオン加速器のビームがお役に立てそうでしたら、是非お気軽にご相談ください。
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最後に、気になる施設利用料金です。料金は、利用される加速器とRIビーム生成装置の構成(施設種別)で値段が異なります。トライアル利用も可能ですので、是非ご相談下さい。詳しくは、本事業のHomePageをご参照ください。
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