重イオンビームの産業利用(非生物系)
理化学研究所 仁科加速器研究センター

産業利用開発チーム 吉田 敦 (チームリーダー) 神原 正

● 宇宙利用半導体の重イオン耐性試験● 空気中照射ビームの特性評価

吉田、神原（フラックス、LET、ビーム不純物の測定手法）

2019.12/13 福井イオンビーム育種研究会

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理研・産業チーム 吉田

宇宙線 と 半導体エラーref.) NASA, CRÈME96@ 静止軌道 GEO

宇宙線 の LET(*) フラックス分布
宇宙環境の放射線ref) RIST ATOMICA (09-02-07-09)
図3 藤高 Isotope News, 524,5(1998)

in Si(α)

LETmax(Fe)

1時間 /個(Pb)

10年 /個
バンアレン帯太陽風(C)

in WaterLET [keV/μm]
100

オーロラ(Ar)

1000

半導体エラー Total Dose 効果

10000

Single Event 効果● 重イオン粒子線 ”１発” でエラー発生
静止軌道 GEO (36,000km)

シングルイベント効果(SEE)● 惑星探査 → 地球磁気圏の外へ● 宇宙線(特に重粒子線)に曝される● 動作保証： 探査期間 ～10年間● 高集積化：保持電荷小さい。
→ Bit反転しやすい。
● パワー半導体：高電場勾配がある→ 最悪、焼損破壊(*) LET : Linear Energy Transfer (dE/dX)
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ロケット打ち上げ前に、重イオンビームで耐性試験が必要
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理研・産業チーム 吉田

LET vs. Range ( 国内重イオン照射施設 )ref.) NASA, CRÈME96 @ GEO● 理研の高エネルギービーム(p,α)
LETmax(Fe)

(Pb)

(Ar)
宇宙線のLETフラックス分布

(Au)
(Kr)

重イオンビーム照射CArKrXeAu(Xe)
RIKEN
□ 真空中
■ 空気中50 A.MeV

真空中 → 空気中取出し時40Ar 95 → ～90 [A.MeV]
84Kr 70 → ～62136Xe 39 → ～20
197Au 18 → ～10
その後 、アルミ製エネルギー減衰板でLETを調整可能。

● エネルギーを調整して広い LET範囲 で測定できます。

★半導体照射に必要なRange
表面から 50～100μm で良い

α105飛程(国内の真空中照射施設)

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Si 表面で2019.12/13 福井イオンビーム育種研究会

x 230 = [ keV / μm ]3

理研・産業チーム 吉田半導体の空気中照射コース(E5A)
半導体照射用のビームコース● ビームライン構成は生物照射とほぼ同じ● 社内試験と同じセットアップで空気中で照射できます。
● 利用料金 約 7万円/時間

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理研・産業チーム 吉田ビームフラックス強度 の測定
ビームフラックス [個/cm2/秒] 測定★ シングルイベント評価では、フラックス値が必要
Dose [Gy] ではなく、個数を数えています。
● 電流値 vs 個数 を較正して、広い範囲 (数個～µA) でフラックス値を求めています。
大型電離箱（IC1)
高フラックス用（電流計測）

ＰＬは M cps まで

穴径Φ5cm 充填気体=空気電極 アルミ蒸着Mylar 24μm相当

IC1 は 10 k cps 以上

プラスチックシンチレータ(PL)低フラックス用（個数計測）
有効サイズ □56x56mm
シンチ EJ-212 500～100μm厚
遮光アルミ蒸着 Mylar 48μm厚

照射物の Beam Flux 換算表
目標 Flux
PL
IC1個/cm2/秒
[cps]
[A]
計算欄

3.5E+04
9E+07

ゼロ点を通る事を仮定してます。

6.87E+05
1.77E+09

9.14E-08
2.35E-04

どちらもビームラインに常設・常時モニター
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PL vs IC1 比例領域で Fit 結果
PL [cps] = 7.505E+12 * IC1[A]
IC1[A] = 1.330E-13 * PL[cps]5IC1 穴で決まる
Beam照射 円面積
半径 2.5ｃｍ
19.63 [cm2]

理研・産業チーム 吉田フラックス分布の一様性 測定㈱ベリタス www.veritastk.co.jp

・光子吸収線量測定用・透明フィルム
・大線量用： 10～1000Gy (Eγ= 0.1～1MeV)・暗室不要、現像処理不要★ GAFフィルムは、手軽で便利です

GAFフィルム

吸光度分布X,Y軸上の吸光度

Ar 95A.MeV 空気中照射 LET= 6 [MeV/mg/cm2)] ： ビーム電流 2enAで90秒露光★ 重イオンビームの Dose量評価 にも使えそうです● 高価な読取り機が不要(1) パソコン用スキャナで読取る● HD-V2：重イオンでは約200Gyで吸光度が飽和。

(2) RGB画素データを CSVに変換(無料ソフトあり)● 核種が異なり、LETも50倍程異なっても、吸光度の違いは約50%程度。

(3) MS-Excel で、画素ごとの「吸光度」を算出（参考文献）
上松、花屋、小嶋 (JAEA 高崎研)
「GAFフイルム線量計とイメージスキャナを組み合わせた、簡便なイオンビームの2次元線量相対分布計測システム」→ 照射施設間でDose量を比較する時の目安になりえる

E5Bコースで測定(神原)RADIOISOTOPES, 57 87-98 (2008)2019.12/13 福井イオンビーム育種研究会

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LET測定（１） Range 測定★ Rangeの精密測定を行っています● maxLET近傍での照射希望が多いので(*) SRIMコード : Stopping & Range In Matter

１） Edeg厚 [µm] vs. 電離箱 IC2 [A] を測定。
２） SRIMコード(*) の Range曲線に Fit させる。
パラメータ ExpR ： Eout = 0 となる Edegの厚さ
こうすると Eout = Range -1 ( ExpR - Edeg厚 ) で 逆算可能

※ MS-Excel で 一連の SRIM 計算 をしています。
1802Kr★ 空気中照射の場合、dE/dX(LET)モデル計算に頼らざるを得ない ！

測定点● モデル誤差 ±数％ ある● 半導体業界で標準の、SRIMコードで統一

測定点● 加速器からのエネルギー変動を気にして毎回測定しています。
Kr 70A.MeV の場合、真空中 E ±0.5 % 変動は、Range ～±10 μm に相当。

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LET測定（２） Energy 測定
E較正直線性

Energy測定値 vs. Edeg厚★ 照射位置のビームEも測定していますδE : 残差● 求めた ExpR値を用いてSRIM計算したE値と良く一致する事を再確認します★ エネルギー幅 → LET幅を算出します● SRIMで Eスペクトル → LETスペクトルに変換。
● Edegを厚くすると、ストラグリングで幅が広がっています。

E [A.MeV]Al EDeg [μm]LET in Si

Al EDeg [μm]X 1/100

26 %

12 %

2.8 %

0.8 %

1.3 % 1.1 % = E fwhm

Ebeam
in Vac.

1.1 %1.7 % LET fwhm 5.4 %5.6 %maxLET= 41

核反応生成物など(ビーム不純物）
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核反応による「ビーム不純物」（１）

核反応生成物の強度分布★ （実測） 放射化学的分析

測定値 vs. PHITSコード (*) 計算値● インプラント板に埋め込まれたγ線放出核を Ge検出器で核種同定

Beam + C
安定核
１次ビーム 84Kr

照射時間： ～10min
γ線計測： 7min後～3ヶ月後迄
残留核種の Lifetime 分析も行い、長寿命核種(～60核種)を同定した。
陽子数84Kr

Edeg =586μm

生成確率

Beamcounts / source

T.Kambara (NSREC2018 )γ線測定核★ PHITSコードは実測をまあ良く再現している

2019.12/13 福井イオンビーム育種研究会(*) PHITSコード (JEAE)
Particle & Heavy Ion Transport code System 9

中性子数
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核反応による「ビーム不純物」（２）
ビーム+不純物の変化（PHITS計算）

散乱膜: Au 45.8um
真空膜: Kapton 78um
IC1: Al 14um Mylar 24um
PL: EJ212 100um
Edeg: Al 10～950um
Air1: 14.5cm Air2:16.0cm
照射: Si 20um Beam: 1E+7個

Beam : 84Kr 70A.MeV
照射試料： Si 20μm

陽子数★ 核反応は、照射試料中でも起こります。
● Edegが厚くなると…
ビームEが下がり、ビーム核破砕が減少
融合核などが増加● 上流からの不純物割合
中性子数

Krビームの場合、Range～60%付近で最大

1 % /bin２%

不純物核種
Kr ビーム2019.12/13 福井イオンビーム育種研究会

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≲２%

理研・産業チーム 吉田12C ： PHITS計算(1) @ E5B(生物コース)
Beam : 12C 135A.MeV
照射試料： 水 20μm

散乱膜: Au 270 um
真空膜: Al 50 um
IC1: Al 15 um x 3枚
Edeg: Al 1000～1900 um
Air1: 31 cm Air2: 21 cm
照射: 水 20 um Beam: 1E+7個

1 % /bin

４%

AlAuAlICEdeg (Al)2019.12/13 福井イオンビーム育種研究会

水Au

ICEdeg (Al)11

水不純物核種Kr ビーム≲４%

理研・産業チーム 吉田12C ： PHITS計算(2) @ WMAST
Beam : 12C 55A.MeV(660MeV)

照射試料： 水 20μm

散乱膜: Al 1500 um
真空膜: Kapton 100 um
IC1: Kapton 25 um x 3枚
Air1: 37 cm Air2: 113 cm
照射: 水 20 um Beam: 1E+7個

0.1% /bin

AlKapton

Beam : 12C

IC37cm

不純物核種
Kr ビーム水≲ 1.6 %113cm

Cより重い核： N～Mg

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理研・産業チーム 吉田以上、理研仁科センター・半導体照射コースの「空気中照射ビームの特性評価」 についてご紹介申し上げました。

以下、当チームの コマーシャル です。

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MS-Excel で SRIM 計算
Excelのマクロ関数として、SRIM-2013計算 →先ほど紹介した、LET測定の Excelシートも、下記 HP からダウンロードできます！

当チームのWebページ http://ribf.riken.jp/sisetu-kyoyo/
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