核反応生成物の ビームへの混入について● 神原、NSREC(IEEE) 2018, July, Hawaii ポスター発表
DOI: 10.1109/NSREC.2018.8584278
・ 吉田、IAEA Tech. meeting 2018, Dec., Wienより抜粋（日本語版)

2019/5/15

理研・産業チーム・吉田

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84Kr 70MeV/u ビームの場合 (概要)

核反応による「ビーム不純物」
E [MeV/u]

Meas. by SSD

LET in Si

Al EDeg [μm]E → LET converted
Al EDeg [μm]X 1/100

26 %

12 %

2.8 %

0.8 %

1.3 % 1.1 % = E fwhm

1.1 %

1.7 % LET fwhm 5.4 %5.6 %maxLET= 41Ebeamin Vac.

EDeg = 586μm (Al) の場合
核反応生成物の強度分布● Fragmentation 核反応
ビーム核が破砕E : PhiTs

核化学的測定 (残留γ線)
vs. 計算 (PhiTsコード)

Beam (Kr)Frag. (Br~Zn)
Trans. (Rb~Mo)
Light (Li~O)

counts / source

Beam + C

Beam

84Kr
LET : PhiTs

LightLight

Frag.
Trans.

● Light Fragments
ビーム核やLight (Ne~P)
標的核の核破砕片や反跳● Fusion 核反応
ビーム核と標的核の核融合
不純物核種
Kr ビームT.Kambara (NSREC2018 )2019/5/15

Beam● Transfer 核反応
標的核からビーム核へ核子が移行

理研・産業チーム・吉田≲1%2

核反応不純物：Kr ビーム

何処で核反応が起きているのか？ を 判別したい
２種類の照射物質で比較してみる

実測セットアップSi にインプラント→ 半導体中での核反応もある

照射時間： ～10minγ線計測： 7min後～3ヶ月後迄
残留核種の Lifetime 分析も行い、長寿命核種のみを同定した。

Si以外にインプラ→ 上流起因の核反応と区別を試みた

注) Al degrader の厚さは、１種類のみ で測定した

2019/5/15

インプラント板中の残留γ線放出核種を Ge検出器測定で同定

厚い

厚い

H, C, N, O, Al

Si

Fragmentation反応

Transfer、Fusion反応(高エネルギー反応)（低エネルギー反応）

標的物質が厚いほど反応確率が増える

理研・産業チーム・吉田

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インプラント物質(標的核）の違い

核反応不純物：Kr ビーム
生成確率 / Krビーム１個当たり観測された 残留γ線放出核種 の 生成確率 (アクリル vs Si） 代表的な核種
アクリル： (C5 O2 H8) n

Krビームより 重核 (37≦Z≦45)

Beam (84Kr)

Kr ビームより 軽核 (Z≦36)

11-25

23 25-13 -11-2-3+10 +12+9 +11Z: Al =13Z: Si =14

Krから遠い軽核→標的核の Transfer 等？

27-930-631-532-433-334-235-1Z: Kr =36
Zbeam±037+137+137+137+139+339+339+340+4

アクリルは C核 が多い

軽核では、Si と アクリルの差異は少ない→上流の厚い Al 板等で生成された
Fragmentation と推定される

4143+5+7Z: Kr+C= 42Ag
45 47+9 +11Z: Kr+Si= 50

Kr近傍の重核では、同等～アクリルが多め
Si 標的のみで観測→上流で生成されたビーム核の→Krビーム＋Si標的のTransfer や Fusion 等？
Fusion 等？
Kr + Si

標的： Acrylic

標的： SiKr + O

Kr + C★長寿命のγ線放出核種のみの測定なので、核図表上の分布には、「歯抜け」があります。

Beam Kr

Beam Kr

49 核種が観測された
2019/5/15

理研・産業チーム・吉田

61 核種が観測された生成確率 / Krビーム１個当たり観測γ線核種（核図表で表示）4核反応不純物：Kr ビーム

PhiTsシミュレーション と 比較
Kr + Si

測定値

PhiTs code （JAEA高度情報科学技術研究機構）

標的： Acrylic

Particle and Heavy Ion Transport code System
https://phits.jaea.go.jp/index.html

Kr + O

標的： SiKr + CBeam Kr

Beam Kr

長寿命核種のみ 「歯抜け」あり

シミュレーション
核反応が起こっている場所を区別してプロット
標的： Acrylicの中で核反応 Kr + O

標的に入ってきた
上流での核反応生成物

上図 vs 下図 の 色：生成確率 は、
まあまあ一致している様に見える
Kr + Si

標的： Siの中で核反応

Beam Kr

2019/5/15

生成確率 / Krビーム１個当たり

Kr + CBeam Kr

Beam Kr「連続的」 な 核種分布

理研・産業チーム・吉田

5

EDeg(Al)= 586μm

生成確率 / Krビーム１個当たり

核反応不純物：Kr ビーム
Z: Kr -9

PhiTs vs 測定値 同位体ごとに比較
Z: Kr -3

Z: Kr -1

Z: Kr +1

● 測定値は「歯抜け」だが・・・比較してみると、● PhiTs計算は、測定値をほぼ再現しているようである。

84Kr(p,n), (p,2n)● 不純物ビームの生成確率は、試料上流で起こった核反応生成物 と、試料内部で起こった核反応生成物の 合計 になっている事がわかる。
Z: Kr +3

2019/5/15

アクリル： (C5 O2 H8) nには H 核 が多いのでのような反応が多くなる

Z: Kr +9

理研・産業チーム・吉田

Z: Kr +116

核反応不純物：Kr ビーム

PhiTs vs 測定値 核図表で比較

EDeg = 586μm (Al) の場合

核反応生成物（標的上流で生成＋標的中で生成）の合計でプロット
Kr + Si

標的： Acrylic

標的：Kr + O

Si

生成確率 / Krビーム１個当たり

Kr + CBeam Kr

色 PhiTs計算値
色 γ線測定値

2019/5/15

Beam Kr

色：生成確率 は、ほぼ一致している事が確認できたので・・・
理研・産業チーム・吉田→ PhiTs を用いて、核反応不純物の振舞いをもう少し詳しく見てみる
7核反応不純物：Kr ビーム

PhiTs で EDeg厚さ を変化させた計算

エネルギー分布LET 分布
軽核 (Z≦36) 含む Krビーム

生成確率 / Krビーム１個当たり

Kr ビームより 軽核 (Z≦36) 含む Krビーム

maxLET= 41Kr ビームより 重核 (Z > 36)

不純物核種
Kr ビーム重核 (Z > 36)

84Kr 70MeV/u ビームを、空気中に取り出して、アルミ EDeg 板で減速させてLET を調整した場合・・・≲ 1.2 %
不純物核種 混入確率（最大値）

2019/5/15

EDeg = 586μm (Al)
（γ線測定値）

maxLET付近

理研・産業チーム・吉田

不純物核種は、EDeg（Al) ～ 600μm付近で最も多くなっている らしい。

8

Beam (Kr)

KaptonEDeg= 600um 一番キタナイ条件

Light (Li~O)

Al-Edeg

ICAu

PhiTs計算： ビーム束分布

Flux [1/cm2/source]

核反応不純物：Kr ビーム

SSD1
SSD2

PL

ビームは、照射ボード周辺部にも来ています → 十分遮蔽しましょう！

Frag. (Br~Zn)

10^010^-310^-610^-9Light (Ne~P)
厚い厚い厚い or 重い 物質で不純物が多く生成される

神原計算よりTrans. (Rb~Mo)

neutron

中性子や陽子も多いです

Flux [1/cm2/source]

重い10^-310^-610^-9proton
Fus. (Rh~Sn)
α 4He

2019/5/15

理研・産業チーム・吉田

9Beam (Kr)

KaptonPL

EDeg= 850um

Light (Li~O)

Al-Edeg

ICAu

PhiTs計算： ビーム束分布

SSD1
SSD2

Frag. (Br~Zn)

LETmax付近
Flux [1/cm2/source]

核反応不純物：Kr ビーム

10^010^-310^-610^-9Light (Ne~P)

厚いAl-Edeg で不純物が止まり始め、キレイになる

Trans. (Rb~Mo)
神原計算よりFus. (Rh~Sn)

Fusion (低エネルギー反応 )は、Krビーム＋空気でも起こります2019/5/15

中性子や陽子も多いです
理研・産業チーム・吉田

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PhiTs計算： Z-N, E, LET分布

核反応不純物：Kr ビーム

EDeg= 10～600μm ゴミmax まで
Si 表面 10μm 位置でSi 試料へ入射する核種
Beam KrEZ

ED= 10μm

Beam Kr

LET

Beam Kr

Beam KrT-yield Z @ SSD1

T-yield chart @ SSD1

N

T-LET @ SSD1

T-cross @ Air - SSD1

ED= 600μm

Z

ED= 300μm

E

Beam (Kr)Frag. (Br~Zn)
Trans. (Rb~Mo)
Light (Li~O)
Light (Ne~P)

LET

Beam
Frag.
Trans.

LightLight

2019/5/15

理研・産業チーム・吉田11

核反応不純物：Kr ビーム

PhiTs計算： Z-N, E, LET分布

ED= 700μm

Beam KrZE

EDeg= 700～900μm LETmax まで

Beam KrLET

ED= 850μm

Z

Beam Kr

Beam Kr

N

E

Beam (Kr)

LET

Beam

Frag.
Trans.

Frag. (Br~Zn)
Trans. (Rb~Mo)
Light (Li~O)
Light (Ne~P)

Fusion (Rh~Sn)

Fusion

Light
Light

ED= 900μm

2019/5/15

理研・産業チーム・吉田12