Ver. 230809

重イオン加速器 meets 宇宙産業
～人類が原子核ビームを実感する世紀～
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

仁科センター ”社会実装” 部門

RIBF施設共用事業 Home Page
https://ribf.riken.jp/sisetu-kyoyo/HIbeam/➢ イオン育種・ゲノム (阿部)ビーム照射 → 突然変異体➢ R I 応用・核化学 (羽場)ビーム照射 → R I 製造・製薬➢ 産業”利用開発” (吉田)「加速器のビームを売る」
顧客＝宇宙用半導体産業

宇宙利用半導体・照射試験コース(E5A)
見学案内:高校生用2

理研・産業チーム・吉田1

施設紹介

詳しくは： https://www.nishina.riken.jp/facility/[ A. MeV ]仁科センター RI ビームファクトリー (RIBF) では、新施設＊世界最高水準の重イオン加速器群を用いて＊水素～ウランまでの重イオンビームを＊世界１番のビーム強度（ < 6x 1012 個/秒 )で 供給可能です。

旧施設

(核子数)

加速器

113Nh

半導体試験

見学

旧施設 (1986～)
低～中エネルギー< 100 A.MeV

新施設(2007～)
高エネルギー～ 350 A.MeV

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理研・産業チーム・吉田

2

“加速器” って何？

イオン源
“真空中”で原子をイオン化
ーHV

加速器

原子核反応

スピードを速くする

新しい原子核を創る(例） 線形加速器”プラス”
イオンビーム

ビーム核

加速電極

標的核

高温電子
プラズマ

高周波
電子銃

高電圧で引き出し“加速電極” を ビームがマイナス ： 入ってくる時
プラス： 出て行く時

電子をはぎ取って”プラス”イオンに※ (運動) エネルギーの単位
電子
-１価

0V

１００ [ eV ]エレクトロン・ボルト＋100V
1 [eV] = 1.6E-19 [J]

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理研・産業チーム・吉田※ 核子当りのエネルギー
9Be

陽子(p)

= 4個 = Be

中性子(n) = 5個

合計 “核子数 A” = 9個 = 9Be例) 100 eV / 9 = 11.1 [ A . eV ]安定核の時は [ eV / u ] と書く時もある3

“R I” って何？
⚫ Isotope : 同位体
中性子数が異なる。陽子数は同じ∴ 周りの電子数も同じ ∴ 化学的性質が同じ⚫ Radio Isotope (R I) : 放射性同位体
Isotopeで、更に、不安定な原子核。
寿命：半減期がある。 ⇔ 安定核： 半減期 > 地球年齢４５億年以上放射線(α,β,γ線等)を出して “崩壊” する

炭素の同位体
半減期の違い化学結合が同じ

水素の同位体

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理研・産業チーム・吉田4核物理の “世界観”
原子・原子核の大きさ
m : ミリ 10^-3μ ： マイクロ -6
n ： ナノ-9p : ピコ-12f ： フェムト -15

核反応に必要なエネルギー

原子サイズ原子核サイズ～Å: オングストローム＝ 0.1 n m : ナノ～ f m : フェムト

クーロン反発力：Fcに 「打ち勝つまで近づける」 必要あり

r

ビームの”衝突確率”は、

Fc

Fc

X 1E-5 倍

q1 * q2
r^2q1
Z1
r1q2
Z2 陽子数r2 核半径～A^(1/3) [fm]ポテンシャルUc = k * (Z1 * Z2) * e^2 エネルギー(r1 + r2) [fm] → [付録3]山手線

k : キロ 10^+3
M： メガ +6
G： ギガ +9T : テラ +12
P： ペタ +15

Fc ∝～10km～１0cm

山手線のリンゴ衝突
それ以外は“真空”

k = 1/(4πε0) ：クーロン定数e : 素電荷 = 1.6E-19 [C](e^2)/(4πε0) ～ 1.44 [MeV.fm]∴ 核反応には MeV: メブ が必要

理研・重イオン加速器の核反応

安定核ビーム を “核変換” して、不安定核ビーム: RIビーム(新しい原子核)を創る “錬金術” をやってます。
[錬金術の皮算用] Au（Z=79）, Hg, Tl, Pb(Z=82) なので、Pb から 陽子を３個はぎ取れば Au ができる。
理研では 208Pbビーム(350A.MeV) 1E+13個/秒から、197Auを 約 6E+5個/秒 で作れるけど (LISE++計算)、
1 mol = 6E+23個 =197g を作るには、1E+18秒必要で、1年間 = 3E+7秒 なので、3E+10年= 300億年必要。
尚、電気代は500万円/日です。 → 商売にならない！
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加速器のビームは使いずらい？
“日常”より エネルギー が桁違いに大きい“非日常”の世界

お料理太陽*1) ボルツマン定数ｋB = 8.62E-5 [eV/K]
高校物理：気体分子運動論（温度目盛） （熱力学的エネルギー *1）
室温
25 ℃
0.03 eV
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
熱核反応
太陽中心 ～13,600,000 ℃ ～1.17 keV ケブ
原子炉
eV ～ MeV メブ ウラン核分裂
理研の加速器 MeV ～ GeV ジェブ 核融合～核破砕反応→ “日常” 現象との 接点が乏しい！
“核反応” 悪いイメージ➢ 核爆弾、原発事故、核廃棄物➢ 見えない。怖い。
➢ 放射線障害

半減期、放射線の単位(Gy,Sv,Bq)

見学案内:高校生用2→ “非日常” を逆手に取って！メリットは？
《産業利用の手法》➢ 日常に無い ”放射線が出る”→ R I の利用； トレーサー➢ 高エネルギーの ”パンチ力”→ 安定核ビーム利用  今回はこの話です

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～ 宇宙世紀 到来 ～~ 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★ 宇宙放射線が強い~ 月面農場 計画 ~NASA+JAXA+…
「月ゲートウェイ」~アルテミス計画~ref) JAXA 宇宙探査技術の研究
旧HP http://www.kenkai.jaxa.jp/research/exploration/exploration.html

ref) JAXA 月面農場ワーキンググループ検討報告書
https://www.ihub-tansa.jaxa.jp/topics/Lunarfarming.html#AFSE

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「地上」はバリアで守られている

第１バリア
磁気圏ref) RIST ATOMICA
宇宙船搭乗員の放射線防護 (09-02-07-09)

第２バリア大気圏核反応～100km

空気シャワー
太陽風電子、オーロラ

バンアレン帯
地球半径の４倍

軽粒子しか届かない

東京～大阪間

静止軌道(36,000km)
地球半径の６倍● 被ばく： １次宇宙線 電子、陽子、重イオン線

地上

1気圧= 1kg/cm2～ 鉛(ρ11) 90cm厚～水10m厚の遮蔽● 被ばく： ２次宇宙線 中性子、μ粒子線

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見学案内:高校生用2

重力が弱くて空気が逃げたので理研・産業チーム・吉田8

安定核ビーム の産業利用「“半導体”は、宇宙へ行く前に、
 JAXA納品仕様 *1)
重イオンビーム試験が必要です！」
ああ、そう言えば…
「非日常」的な高エネルギーの ”パンチ力”に ピッタリの話 だ！

売り文句！
社内試験と同じ環境で空気中で 照射試験が可能（配線、部品交換が楽です）
エネルギー減衰板を用いて、“LET値” を調整して試験が可能と宣伝したら、ビームが売れました！
宇宙利用”半導体” 照射試験 E5Aコース*1) 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） 4.4.6 耐放射線性
https://sma.jaxa.jp/TechDoc/Docs/JAXA-JERG-2-023.pdf

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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“弾き出し”、”格子欠陥”

で 材質特性が劣化

最近の半導体は ”高集積化” により、→ 半導体故障で、ロケット：70～100億円 が パーメーカーの損害賠償問題になる！

ビーム “1発” で エラーが発生する。
[軽症] → ビット反転エラー (SE.Upset)[重症] → 回路が焼ききれる (SE.Burnout)

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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 LETstop

電離(速度： 15 A.MeV)+- + -++ - +-物質 ( Si )● ビームは物質を電離(イオン化)して、エネルギーを失い、止まる。

飛程 (Range)● 重いイオンほど・・・
飛程(Range)は短い。

[ A.MeV ]

KrAr

⊿E

⊿X

LET が大きい。
C● 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。

微分[ MeV / (mg /cm 2) ]Kr

Si 中の深さ [μm]ArmaxLET

線方向の、単位長さ当りのエネルギー 付与

Bragg PeakC

★ （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]→ 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。
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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 フラックス➢ 高エネルギー なので 遮蔽困難

単位面積・時間当りのビーム粒子数

銀河宇宙線のエネルギー分布* ref.1)

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。
Total Ionizing Dose 試験

Single Event Effect 試験* 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

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理研・産業チーム・吉田★ 空気中・半導体試験には、約50～100 A.MeV が最適
12ここから先は、オマケ(妄想入り) です。
※ 吉田の専門外の話題を、ネット等から拾ったので、説明が間違っているかも知れません。悪しからず。

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宇宙天気予報 の 時代
https://swc.nict.go.jp/
公開中
現在の太陽黒点(光球)プロミネンス(彩層) フレア(コロナ)

将来の*1)*2)

地上に残る人類も原子核ビーム(太陽風) を実感する時代になるそうですref.1) 斉田季実治 天気予報士 (ABLab) 宇宙天気プロマネ
経産省 放射線試験 勉強会 2023.4/20 スライドより

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ref.2) NICT 科学提言のための宇宙天気現象の社会へ影響評価
https://www2.nict.go.jp/spe/benchmark/
図1-1 及び 図3-1 より

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火星 を 地球化 する！？

L1 ラグランジュ点

太陽風火星

火星は、重力が 地球の約 1/3。
地中に 水、CO2 があるが、磁場が弱い (マントル対流小) ので、太陽風で吹き飛ばされ続けている。
大気圧は、地球の 約 1/100

火星 “テラ・フォーミング” 計画→ 「人工磁気圏」を作れば、太陽風を防ぎ、大気圧が上昇する。

人工磁気圏電磁石
B= 1～2 Tesla→ ？数千年必要か？
その前に、 UAE は 「火星都市計画」 策定中ref) Newsweek 日本版 2017年3月7日（火）17時30分 高森郁哉
人工磁場で太陽風防ぎ、火星を居住可能に：NASAが新計画を提案
https://www.newsweekjapan.jp/stories/world/2017/03/nasa-3.php
2050 年惑星ビジョン Workshop 2017 (LPI Contrib. No. 1989) J.L.Green, et.al.

ラグランジュ点ref) Wikipedia

太陽

太陽を公転する惑星の「重力・安定点」
L1～L5 の５点ある。
L4, L5 は、トロヤ点(正三角形解)

惑星

太陽惑星ラグランジュ点の安定性。
内向き▼方向に安定、外向き▲方向に不安定。

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宇宙環境 の 被ばく量
地球の“２つのバリア”の下で誕生した人類は、果たして月・火星で生きられるか…？？
現在の対策(案)がref.2, 3) にあるので読んでみてください。

月～420mSv/年(x200倍）
国際宇宙ステーションIIS、～250mSv/年(x100倍）～地上の限度～

火星往復～660mSv/年(x300倍）～地上～

ref.2) QST 過酷な月の宇宙放射線被ばく線量を縦孔利用で月表面の10％以下に―将来の月における有人長期滞在活動の実現に向けた重要な科学的知見―
https://www.qst.go.jp/site/press/44251.html 2020.10/1

ref1.) 環境省 放射線による健康影響等に関する統一的な基礎資料（平成28年度版）
https://www.env.go.jp/chemi/rhm/h28kisoshiryo/h28kisoshiryohtml.html
2章 2.5 身の回りの放射線 に、ref.2,3) を参考にして吉田が加筆。

見学案内:高校生用2ref.3) QST 宇宙放射線の被ばく線量を低減する新たな宇宙船素材を発見―深宇宙探査用の宇宙船開発につながる重要な科学的知見―
https://www.qst.go.jp/site/press/20210908.html 2021.9/8

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ま と め◆ 地上では 「非日常的」 だった 加速器、原子核の世界 が「実感」 されてしまう 「宇宙世紀」 となりました。
◆ 宇宙へ踏み出す最初の人類として皆さんも、宇宙の過酷さ、 地球のありがたさ、を自分で学んでみてくださいネ！

おしまい《 面白そうなHP 》などなど・・・https://edu.jaxa.jp/

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https://sorae.info/

https://sorabatake.jp/

株式会社sorae「宇宙へのポータルサイト」

衛星データプラットフォーム「Tellus」「宇宙ビジネス情報サイト」

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付録１： 核図表 (部分拡大図)

Z ： 陽子数

安定核 : 青“この辺” は、原子核の”存在限界の外側”
なので、同位体はありません！

： 中性子数
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付録２： 核図表 (全体図) α、β崩壊

陽子過剰核
A+
Z β崩壊

γ1e-

対消滅 して光(2つのγ線)になる→＋
陽子 → 中性子

α崩壊

e+ : 陽電子
電子の反粒子+β崩壊核例) 22Na

α粒子
4He核

核図表

中性子過剰核A
Z+122β崩壊
ANa

11Z

A-4Z-2Z-1(素過程)
p+ → n + e + + νeA

γ2e+A

超重核領域

CZn → p+ + e- + νe→＋中性子 → 陽子

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付録3： あなたも Nh を作れるかも！？
核融合反応に必要なエネルギー
コレ便利な式です
r1+r2
Fc

Fc
q1
Z1
r1q2
Z2 陽子数r2 核半径～A^(1/3) [fm]Uc = k * (Z1 * Z2)(r1 + r2) [fm]Nh（Z=113） 生成 の 論文
“New Result in the Production and Decay of an Isotope, 278113, of the 113th Element”,
K.Morita et. al., J. Phys. Soc. Jpn. 81, 103201 (2012)

全文読めます： https://journals.jps.jp/doi/10.1143/JPSJ.81.103201

Nh の 作り方 （レシピ）

ビーム核質量数(核物理では)微細構造定数 α = 1/137 = (e^2)* hb*c /(4πε0)
hb*c = 197.3 [MeV fm]∴ (e^2)/(4πε0) = 197.3/137 = 1.44 [MeV.fm]

70

元素記号
陽子数 中性子数

標的核278

Zn ＋ Bi

30

融合核

209
40

安定核k = (e^2)/(4πε0) ～ 1.44 [MeV.fm](理科年表より)クーロン定数(真空中)k0 = 1/(4πε0) = 8.99E+9 [N.m^2.C^-2]
素電荷
e = 1.6E-19 [C]
電子ボルト 1 [eV] = 1.6E-19 [J], [J]=[N.m]∴ (e^2)/(4πε0)= e^2 * k0 [N.m^2.C^(-2+2)]=[J.m]= e^2 * k0 / e [eV.m]= 1.6E-19 * 8.99E+9 [eV.m]= 14.4E-10 * 1E-6 * 1E+15 [MeV.fm]= 1.44 [MeV.fm]： 上記論文より、要点のみ抜粋

83

＝126

安定核

Ebeam = 349 MeV と書いてある！

Nh ＋中性子放出

113 165１ｎ

不安定核

融合核を早く冷ます

自分で計算してみよう！
Z1 + Z2 = 30 + 83 = 113 = Nh
r1 + r2 = 70^(1/3) + 209^(1/3) = 4.12 + 5.93 = 10.06 [fm]∴ Uc = 1.44 * (30 * 83) / 10.06 = 356.4 MeV  当たらずとも遠からず！

つまり …
「私、 Zn：亜鉛の板と Bi：ビスマスの粉 (どちらも市販品有り) を持ってますので、加速器から E(Bi)= 356 MeV を出して、照射して下さい！ 」 と頼めば良い。
注１) 実際、森田さんも同様な計算をして、こう頼みました。
でも実は 356 - 349 = 7 MeV の違いが ミソ だったのです。
超重核領域では、エネルギーが微妙に違うと、核反応確率が大きく異なるからです。
この様な精密計算には、核理論屋さんの助けが必要でした。 でも我々実験屋は、
森田：「あっちゃん、全然モノが来ないんだけど、次はエネルギーを 上げる？下げる？」と言って、コインの裏表で決めた という事もありましたねぇ～。
注２) 「作れる」 と 「作れた！」は別の話です。確かに作れた事を証明するために、超精密な放射線測定装置が必要です。 また、10年で３個しか作れませんでした。

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