記者勉強会 様へ

重イオン加速器 meets 宇宙産業

（Talk 20+10)
Ver. 240827～ 重イオンビームの社会実装(例) ～理研・仁科加速器科学研究センター
産業利用開発チーム
チームリーダー 吉田 敦

Flux測定RIBF施設共用事業 Home Page
https://ribf.riken.jp/sisetu-kyoyo/HIbeam/

Beam

照射ボード

宇宙用 空気中照射 試験セットアップ（E5A）

24.08/28 記者勉強会

理研・産業チーム・吉田1

加速器 = “非日常” ～産業利用への模索～
加速器は、エネルギー が桁違いに大きい“非日常”の世界（温度目盛）
25 ℃

0.03 eV*1) ボルツマン定数ｋB = 8.62E-5 [eV/K]

ガスコンロ～1,700 ℃

0.17 eV

化学反応(分子反応)

太陽表面～6,000 ℃

0.52 eV

室温お料理（熱力学的エネルギー *1）

太陽中心 ～13,600,000 ℃ ～1.17 keV

太陽原子炉

eV ～ MeV

理研の加速器 MeV ～ GeV

熱核反応
ウラン核分裂核融合～核破砕反応→ 室温で暮らしている人類 の “日常” との接点に乏しい

理研・重イオンビーム・社会実装（例）テーマ

ビームの特質KWD

What’s new ?

必須な素養

RI製薬

羽場

大強度

核反応

日常に無い有用RI製造

核化学的分離短時間で高純度に分離

重イオン育種

阿部

高エネ

DNA切断

人為的に突然変異 ”加速”試験

育ててナンボ選抜する目利き

宇宙半導体試験

吉田高エネ

シングル
イベント

宇宙環境を模擬特に無し (ビーム提供のみ)”加速”試験

試験は、半導体企業が行う→ 宇宙へ進出する人類 の “過酷な日常” との接点で 出会った…

24.08/28 記者勉強会

理研・産業チーム・吉田

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～宇宙世紀 到来～ : 人類は “非日常” と直面 する事になった・・・~ JAXA：MMX計画 ~Martian Moon eXploration「月に住む」➢➢➢➢

資源探査 (水,貴金属)
居住環境整備食料調達
重力 1/6「そして火星へ」
でも月には、★ 空気なし★ 高温・極低温★ 宇宙放射線が強い→ マスメディアが知らしめるべき！
月面被ばく線量～13 m Gy/hr (in Si) ※１

NASA+JAXA+…
「月ゲートウェイ」~アルテミス計画~

年間被ばく線量 (対人体) ※2
地上 2.1 m Sv/年
月面 420 m Sv/年 約200倍ref) JAXA 宇宙探査技術の研究
旧HP http://www.kenkai.jaxa.jp/research/exploration/exploration.html※1 JAXA 永松氏より紹介 中国「嫦娥4号」2019測定※2 QSTプレスリリース 2020.10/1
https://www.qst.go.jp/site/press/44251.html

24.08/28 記者勉強会

理研・産業チーム・吉田3

地上用半導体は (あなたも)、２つのバリアで守られている

地上相当の遮蔽環境には …
100kg□10x10cm

100kg

ペイロード（宇宙行運賃）～100万円 / kg : H2A∴2憶円

宇宙放射線に強い半導体を創る / 探す しかない！

残念ながら、月には 磁気圏 も 大気圏 も無いそうです…
星の中まで固まってるので24.08/28 記者勉強会

重力が弱くて空気が逃げたので理研・産業チーム・吉田4

宇宙へ行く半導体の “辛さ”
《宇宙用》

《地上用》

シングル・イベント (SE) 効果 エラー《宇宙用》

Total Ionizing Dose 効果 エラー“多量の軽イオンビーム”(電子、陽子,α線)によるM“弾き出し”、”格子欠陥”

OS

で 材質特性が劣化

弾き出し損傷効果 : Displacement Damage＝ “非イオン化”エネルギー損失(Non-Ionizing Energy Loss: NIEL）

最近の半導体は ”高集積化” により、ビーム “1発” で エラーが発生する。

総線量効果 : Total Dose (線量：[Sv], [Gy])例) M(金属) O(酸化膜) S(半導体) デバイス
３層間に固定電荷蓄積 : Charge Up[軽症] → ビット反転エラー (SE.Upset)[重症] → 回路が焼ききれる (SE.Burnout)

24.08/28 記者勉強会

理研・産業チーム・吉田→ Co-60 γ線 照射試験 など

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JAXA “納品仕様書”よりref) 宇宙転用可能部品の宇宙適用ハンドブック （長寿命衛星編） 長寿命衛星＝ 静止軌道上で 設計寿命 20年 を想定
https://sma.jaxa.jp/TechDoc/Docs/JAXA-JERG-2-023.pdf

使用している全ての部品について確認が必要【 試験項目】
・ 衝撃、振動・ 電気・温度耐久
・ アウトガス etc.

（今まで）

宇宙用開発品→ 一般試験場で可能

・ 認定品(JAXA, NASA, MIL)

・ 放射線試験・ 国策で開発トータルドーズ
シングルイベント→ 加速器施設（最近は）が必要地上用民生品
☓家電用
〇産業用
〇自動車用
〇高信頼性

pg.10 図4.1-1 宇宙転用可能な部品の宇宙適用概念

24.08/28 記者勉強会

地上用民生部品の「宇宙転用」を促進しないと宇宙開発に間に合わない！

理研・産業チーム・吉田

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重イオンビームの ”パンチ力” = LET★ Linear Energy Transfer : dE/dx
重イオンビーム

エネルギー E
エネルギー損失 LET

線方向の、単位長さ当りのエネルギー 付与

stop

電離(速度： E＝15 A.MeV)+- + -++ - +-物質 ( Si )● ビームは、物質を電離(イオン化)して、自身はエネルギーを失い、止まる。
● 重いイオンほど・・・
飛程(Range)は短い。

飛程 ( Range [μm] )[ A.MeV ]LET が大きい。

KrAr

⊿E⊿X

C

微分
[ MeV / (mg /cm 2) ]Kr

Si 中の深さ [μm]ArmaxLET

Bragg PeakC

● LET曲線(Bragg Curve) の形状は、ビーム核種 と 標的核種 の組合せで決まる。

★ （LET： ビーム１発のパンチ力）
X （照射時間： パンチの数）＝ （Dose： 照射 ”線量” [Gy], [Sv]）→

Si 中の深さ [μm]★ LETの単位 : dE/dX の定義から明らか[MeV/μm]
材料屋用 (直観的単位、材料密度に注意)[MeV/(mg/cm2)] 物理屋用 (密度込み、材質依存性が少ない汎用単位)
24.08/28 記者勉強会

今の所、「重イオンの ”ミクロな 大パンチ力”に代わるものが無い！」“Only One“ の 科学技術 → だから売れている。
※ 密度 [g/cm3] * 厚さ [cm]
= 重さ [g/cm2] 単位面積当たり

理研・産業チーム・吉田7

半導体試験に必要な LET、Range➢ デバイスの行先、耐用年数で試験ビーム核種が異なる
地球近傍： 短期間 : C～Ar, Fe
月、火星…： 長期間 ： ++ Kr～Xe

Flux : ビーム粒子数 Rate
Fluence = ∫Flux dt : 時間積分

➢ 高エネルギー なので 遮蔽困難
銀河宇宙線のエネルギー分布* ref.1)

ロケット壁厚：アルミ～5mm → 突き抜ける➢ 理研では、ビーム E を減衰させて広いLET範囲で試験が可能➢ ビームの飛程(Range [µm] ）がデバイス感応層まで届く事！
※ デバイス表面のモールド材等の厚さも考慮が必要。

➢ 空気中・半導体試験には、約50～100 A.MeV が最適
Total Ionizing Dose 試験

Single Event Effect 試験※ Range ～ 数mm は欲しい
高エネ過ぎると、核反応のゴミ多くなる* ref.1) ATOMICA_宇宙放射線の影響研究の現状 09-01-06-06 図1より
hｔｔps://atomica.jaea.go.jp/data/detail/dat_detail_09-01-06-06.html

24.08/28 記者勉強会

理研・産業チーム・吉田

8宇宙用半導体試験 ビームコース● 高エネルギー重イオンビームなので、空気中で照射 が可能。
社内試験と同じセットアップで、オンライン照射試験ができる。

宇宙用 空気中照射 試験セットアップ（E5A）● ビーム量は当方で測定 します。
・フラックス強度 (常時透過型測定)
数10 ～ 10^ 7 個/cm2・フラックス分布
φ6cm 内で ＜約±５％・エネルギー幅 (LET分布)● 減衰板を用いてエネルギーを調整し、広い LET範囲 で測定 が可能。
● 有償利用 (成果占有型)
約 11 万円/時 (2024年度料金)● 12～24 時間コースで、５～６社が連続利用 大混雑中！

24.08/28 記者勉強会

理研・産業チーム・吉田

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理研加速器 宇宙利用の動向【 ビーム核種別 集計 】
10日

20日

30日

(※ FY2024,2025)は、申請ベースの合計値

米国全体の動向 : 需要予測 vs 供給施設整備(計画)18,000 hr / year

➢ 宇宙利用時間
日本 : 米国 ～ 1 : 20

➢ 米国動向の２～３年遅れで日本も増加中に見える。
12,000→ 理研でも今の 1.5 ～ ２倍 (60日/年)になりそう…

6,000
FY20予測FY24Ref) NASA ; Domestic Heavy Ion Facilities for Science, Engineering, and Medicine (2021)
https://ntrs.nasa.gov/api/citations/20220001810/downloads/LaBel-2022-WANDA-Heavy-Ion-Facility-CONUS-Overview-v2.pdf

24.08/28 記者勉強会

理研・産業チーム・吉田10

経産省も動き出した
宇宙用半導体試験 の 「産業構造」 、「試験の効率化政策(案)」「放射線試験・ソフトエラー対策に関する勉強会」
主催：経産省、 参加：企業(~50社) 大学(~10) 機関(~10)

自社開発品

国外
NASA, ESA, …

国策メーカー
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試験結果

自社開発品

結果

メーカー

民生品・宇宙転用
結果
DB

秋葉原等

インテグ
レーター

国際標準化

有償利用

照射施設利用プラットフォーム
METI
認定規格

（施主）

結果

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試験受注
or DB売買JAXA

試験検査会社

JAXA開発品
民生品★ 「試験検査会社」の育成「加速器施設」の拡充も急務となっている！

加速器施設
重イオン： 理研、放医研HIMAC、高崎TIARA、東北大CYRIC、阪大RCNP
軽イオン： 若狭湾WERC、東海タンデム、がん治療施設、…
中性子： 阪大RCNP、住重アステック西条、北大HUNS、J-PARC

24.08/28 記者勉強会

理研・産業チーム・吉田11(最近の動向) METI勉強会より
宇宙用半導体の 「試験の効率化」 → 放射線試験プラットホーム の構築
第25回勉強会(24.02) SEESE社プレゼンより➢ まとめて試験➢ 重複試験を低減

加速器施設➢ 試験結果の情報共有
試験会社➢ 加速器施設、試験会社の負担軽減➢ 開発のスピードアップ
民生品メーカー
インテグレーター

24.08/28 記者勉強会

理研・産業チーム・吉田12

まとめ➢ ホモサピエンスが宇宙へ進出 過酷な宇宙環境➢ 先ず半導体が行かざるを得ない➢ 半導体は “宇宙のコメ”

重要な国策の１つ➢ 日夜試験に取り組んでいる “宇宙用半導体業界”→ 彼らを取材してみては？

「まだ 生きてますかぁ～？」[いらすとや] フリー素材集より引用・加筆

24.08/28 記者勉強会

理研・産業チーム・吉田13