理研仁科センター・吉田, 最終稿版 2.2. 応用研究I-宇宙開発と加速器,量子ビーム科学の基礎と応用 - NSA/COMMENTARIES: No.27 -, 原子力システム研究懇話会
ISBN978-4-88911-315-0, 《NSA コメンタリー シリーズ》http://syskon.jp/nsacomp.html

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応用研究 I - 宇宙開発と加速器 (吉田敦)

人類は宇宙世紀を迎えようとしている。近年は民間人の宇宙飛行や、月軌道ゲートウェイ計画、火星・小惑星・深宇宙探査計画などの話題が増えてきた。宇宙へ行く前の準備のために、産業界は重イオン加速器の利用を切望している。

2.2.1 宇宙用半導体の重イオンビーム耐性試験
半導体メーカーと試験会社が、ロケットに搭載する宇宙用半導体を、理研の重イオン加速器施設を用いて試験している。図2.2.1 がその照射試験ビームライン2.2.1)だ。高エネルギー重イオンビームを空気中に取り出し、半導体基板③に照射する。
ビームライン上には、ビームの個数を測定するイオンチェンバーやプラスチック・シンチレーター検出器①、ビームのエネルギーを調整するエネルギー減衰板②がある。原子核実験屋にしてみれば、学生実験レベルの簡素なセットアップだが、半導体試験屋からは「真空槽中ではなく空気中照射なので、自社で試験していたのと同じ試験環境で照射ができて便利だ」と好評だ。彼らは、重イオンビーム１発で半導体が故障する“シングル・イベント効果”の発生頻度を測定し、JAXAに納品するための試験データとしている。宇宙環境とは、加速器からのビームを直接照射するのと同等な、宇宙線が飛び交う厳しい環境だそうである。

図2.2.1 空気中半導体照射ビームラインE5A(理研・仁科加速器科学研究センター)1

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2.2.2 宇宙線と重イオンビーム
宇宙線とは、宇宙空間を飛び交う高エネルギー粒子線だ。その起源である大自然の加速器が、太陽と銀河系だ。太陽からは、核融合反応で生成された軽粒子線(電子、陽子、ヘリウムなど)が太陽風として吹いてきている。太陽系外からも、超新星爆発などで星が消滅した際の塵が、重粒子線(ウランまで)となって飛来している。
そのエネルギーは、数100MeV/uにピークがあり10E+20 eV付近まで分布しているそうだ。
私達と半導体は、地球の磁場と大気による２つの遮蔽壁でこの宇宙線から守られている。地磁気が地球半径(約6400km)の約４倍の高度にバンアレン帯を形成し、宇宙からの低エネルギー軽荷電粒子(電子、陽子線)を磁場に巻きつけて北極と南極へ押しやってくれるので、地上からはオーロラとして見える。これが第１遮蔽壁だ。
その内側の大気層は高度約100kmまでの薄皮だが、空気１気圧は水銀で厚さ76cm、水相当で約10m厚の遮蔽壁となり、殆どの荷電粒子はこの大気層で止まる。これが第２遮蔽壁だ。国際宇宙ステーションの軌道は、第２壁のすぐ外側の高度約400km(約東京～大阪間)にある。静止衛星軌道(Geostationary Earth Orbit : GEO)は、地球半径の約６倍で第１壁の外側付近にある。これより外側では、太陽や銀河から降り注ぐ宇宙放射線をもろに浴びる世界となる。残念ながら月には大気も磁場も殆ど無いそうだ。
GEO軌道での宇宙線の強度分布は、図2.2.2-a) だそうだ。ここで図の縦軸は、粒子線の数量を示す 積分Flux値 [個/cm2/sec]、 横軸は LETという値である。LETの詳
細は後述するが、粒子線１発の“パンチ力”に相当する量である。Flux曲線は、様々な重粒子線成分の積算値である。図中には、太陽活動極小期の HからUビーム成分の幾つかを示した。Feより重核でFlux値がガクっと減るのは、宇宙の元素合成過程でFeが最も安定な原子核である事に起因する。一方、太陽に大規模なフレア爆発が発生すると、太陽風が強くなりFlux分布は２桁ほど増える。半導体デバイスの面積が約 1cm2 だとすると、１年間(3.2E+7秒)に１発飛来しても故障しない事を保証す
るには、縦軸のFlux値で3E-7に相当するLET値を持った宇宙線に耐えられる必要がある。つまり横軸のLET値で 26付近のパンチ力を持つ重イオンビームまで試験をする必要がある。月や火星まで行く探査機では、半導体の耐用年数は10年程と長くなる2

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傾向にある。更に上述のフレア爆発なども考慮して、より高LETなビームまで試験をしておく必要性があるそうだ。

図2.2.2-b) は、加速器試験で宇宙線環境をシミュレートする時に便利な図だ。横軸は同じくLET値、縦軸は重イオンビームを半導体(Si材)中に打込み可能な最大の深さ(飛程：Range)を示した。また図中には、ビームエネルギー値(MeV/u)を補助線として併記した。例えば Kr ビームの場合、理研では 70 MeV/u で供給可能である。
これを図2.2.1 の様に空気中に取り出すと、半導体の照射位置で約 50 MeV/u になる。更にエネルギー減衰板を厚くしてビームのエネルギー下げると、横軸のLET値を大きくすることが可能だ。もう１つ重要なのは、縦軸の飛程値である。半導体デバ
イスの内部で、重イオンに対する感受性が高い回路が組み込まれている部分(感応層:その厚さは数µm)は、表面から約100μmまでの深さにあるそうだ。その深さまでビームが到達するには約10MeV/u 以上が必要である。更にデバイス表面の保護層の厚さや、ビームを空気中に取出すための余裕をみると、約50～100MeV/u が最適とされている。

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図2.2.2 上図 a) 宇宙線のFlux分布2.2.2) 、下図 b) 加速器を用いた試験に於ける重イオ
ンビームの飛程とLET2.2.3)

2.2.3 重イオンビームの半導体への影響
なぜイオンビームは半導体に悪影響を与えるのであろうか？

照射線量の観点から放射線照射効果を大別すると、トータルドーズ(Total Ionizing Dose: TID)効果とシングル・イベント(Single Event: SE)効果 の２つがあるそうだ。パンチ力が小さい(低LET値)軽イオンビームでは TID効果が支配的だ。分子結合を切ったり格子欠陥を発生させたりしてデバイス材質を劣化させる確率が、総照射線量(Flux値×照射時間＝Fluence値)と共に大きくなる。この効果の試験には、ガンマ線や、電子、陽子(H)、He等のビームが主に使われている。一方、高LET値な重イオンビームでは SE

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効果が支配的だ。以下では SE効果について説明する。
重イオンビームが物質中に入ると、“電離作用”によって物質を構成する原子の電子を弾き飛ばしてプラス-マイナスの電荷が発生する(図2.2.3)。この局所的な電荷擾乱が、半導体デバイス中の感応層に生じると、軽症だとbit反転(S.E. Upset)、重症だと放電破壊(S.E. Burnout)という現象が起こるそうだ。近年のデバイスでは回路の微細化や多層化が進み、この種のエラーや故障の頻度が増しているそうだ。

図2.2.3 半導体デバイス中の重イオンビームによる電離作用

重イオンビームは、物質中でエネルギーを減衰させながらある深さ(飛程)で止まる(図2.2.4-a)。この飛程値は図2.2.2-b) の縦軸に示した様に、ビーム核種と、その入射エネルギー値、及び標的物質の核種と密度等で一意に決まる。そしてこのエネルギー減衰曲線を深さ(ビームの進行)方向に微分したのがLET曲線(図2.2.4-b)だ。単位深さ⊿X 当りに、どれだけエネルギー⊿Eを物質に付与したかを示す量（Linear Energy Transfer, LET : 線方向エネルギー付与）である。物理用語では
これを dE/dX とも言うが、その表記単位は様々で、原子核・半導体業界では[MeV/(mg/cm2)]、生物業界では [keV/µm] など、厚さの表記⊿X に従った単位が使われている。このLET値が大きいと、電離効果で生じる擾乱電荷量も増える。例えば図2.2.2-b) の下目盛で LET = 10 [MeV/µm] (～40 [MeV/(mg/cm2)]) の場合、Si原子１個をイオン化するためのエネルギー(W値)は 3.6 eVなので、素電荷1.6E-19 C(クーロン)と掛け合わせて 0.4 pico-C の電荷擾乱が、Si材 1μm当りの厚さに重イオン１発で生じる。

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図2.2.4 C, Ar, Kr ビーム(15MeV/u)の、Si材中における 上図 a) 飛程値と 下図 b) LET値の比較[ref.2.2.3]

また重イオンビームでは、ビームが停止する飛程深さの手前でエネルギーがストンと落ちる性質があり、その深さに“Bragg Peak”というLETの極大値が生じる。重イオンビームを利用したガン治療では、このPeak位置を皮膚表面からガン細胞までの深さに合うようにエネルギーを調整して照射する事で、効率的にガンを死滅させている。
ところで、重イオンビームの核種によってこのLET曲線が大きく異なる事に注目して頂きたい。同じ入射エネルギー(MeV/u 核子当りのエネルギー)でも、重イオンになるほど、飛程は浅くLET値は高くなる。その違いは甚大なので、これをLogプロットにしたのが 図2.2.2-b) であった。つまり図2.2.4-b) の横軸：飛程位置をビーム核種毎に合わせて、90°右回しにした図になっている。例えば Hや、C、KrビームのLET値は約10倍ずつ増えるので、それによって生じる電離効果の電荷量も桁違いで増え、粒子１発のパンチ力が増す。このため、半導体を搭載するロケットの耐用年数を図2.2.2-a) で確認して、重イオンビームの核種を選んだ試験が必要となってい6

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る。

2.2.4 宇宙用半導体試験の将来以上が、宇宙利用半導体と重イオン加速器を結びつけている背景である。宇宙開発の本格化とともに、最近では地上用に開発された民生部品の“宇宙転用”も増えてきている。例えば自動車産業用に開発済みの高信頼性デバイスなどだ。しかしそのような部品は、初めから宇宙専用に開発された部品と違い高LETまでの耐性に乏しい場合があるので、どのLET値までなら使えるかを試験して、その利用高度(第1,第2遮蔽壁)と耐用年数を算定する必要があるそうである。
今の所、高LETな重イオンビーム効果に置き換えられるような試験方法が見つかっていないので、加速器利用が切望されている。将来的には、月軌道ゲートウエイなどが完成して実際の宇宙環境で試験が行えるようになるであろう。そうなれば加速器はもう不要になるのか？

でも加速器なら、Flux強度を調整して数10年分の試験が可能だし、試験する人も地球上の方が楽であろう。また一方では、この様な試験結果から、SE効果の素過程を数値化して電気回路シミュレーションで済ませられないかという研究も進んでいるそうである。これが確立すれば、この種の加速器試験は不要になるかもしれない。

参考文献
2.2.1) 詳細は、理研・産業利用開発チームのHPを参照。
https://ribf.riken.jp/sisetu-kyoyo/HIbeam/2.2.2) CRÈME96 (Cosmic Ray Effects on Micro Electronics) コードによる計算値。縦軸は、あるLET値以上を持つFluxの積分値。
https://creme.isde.vanderbilt.edu/CREME-MC
2.2.3) SRIM (The Stopping and Range of Ions in Matter) コードによる計算値。
http://www.srim.org/7