2021 April
国立研究開発法人

量子科学技術研究開発機構 （量研）

넝䃵ꆀ㶨䘔欽灇瑔䨽第 36 号

高崎研だより役立つ科学

AprBack to The Future

ご案内

Apr.

「高崎研 施設公開 オンライン開催！」

成果紹介

役立つ科学

「光ファイバーを利用した遠隔レーザー分析」「腫瘍イメージング用ペプチドナノ粒子」「測定対象の中の欠陥が測定器に！」量子のつぶやき 「量子の入り口 ～コバルト 60 とガンマ線～」
高崎研だよりに関する問い合わせ先 ： 量子ビーム科学部門 高崎量子応用研究所 (TEL)027-346-9232
e-mail ： taka-soumu@qst.go.jp ホームページ ： https://www.qst.go.jp/site/taka
高崎研

ご案内

令和 3 年 4 月 4 日 （日） 10 ： 00 ～高崎研 施設公開 オンライン開催 !
高崎研
施設公開

新型コロナ感染症拡大防止のため、令和 3 年度の施設公開はオンラインで開催します。

オンライン施設公開の開催挨拶〇特集動画〇手作り動画・「高分子機能材料研究」の取り組み
・コバルト 60 ガンマ線照射施設
・未来を変える不思議なダイヤモンド ・放射線グラフト重合実験と燃料電池試験
・環境にやさしい燃料電池自動車
・ミラクル RI ( 放射性同位元素 )・ 通貨を構成する金属 !?
〇バーチャル施設見学
・ 宇宙用半導体素子の放射線照射効果
・イオンビーム照射施設 (TIARA)
・不思議な布で金属を捉まえる〇研究最前線
・未来の医療への架け橋
・次世代ネットワーク社会に貢献〇量子生命クイズ 「11枚枚の写真」
枚のの・イオンビームで遺伝子を変える
・イチゴの甘さを観る (PETIS）〇研究部紹介・線虫と放射線・がん診断・治療に役立つ放射性同位元素・レーザーで溶液中の微量元素を見つけ出す

成果紹介〇 日本原子力学会英文論文誌※PJ = プロジェクト

J. Nucl. Sci. Technol.
ol. 「Most cited article award 2020」受賞

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analysis
光ファイバーを用いて試料にパルスレーザーを照射して得られるプラズマ発光を遠隔で解析し、試料中の元素をオンサイトで調べる技術を開発した。本分
析法は、東京電力福島第一原子力発電所の廃炉措置に貢献する分析法である。
( 東海量子ビーム応用センター PJ「元素分析・分析研究」佐伯盛久、大場弘則 )〇 日本原子力学会関東・甲越支部
部 「第 14 回学生研究会発表会 - 原子力・放射線分野 -」奨励賞「腫瘍イメージングを目指した量子ビーム架橋によるペプチドナノ粒子の開発」「腫瘍イメージングを目指した量量子ビ
量子子ビーム架橋によるペプチドナノ粒子の開発」
ム架橋ム架架橋に橋によるペプ
橋によるプチドチドナノ
ドナノ粒粒子の開発
粒子の開粒子発」
発」
量子ビーム架橋に適したアミノ酸を配列させたペプチドを合成し、照射によりナノ粒子化して腫瘍細胞への取り込みを評価することで、腫瘍をイメージングする薬剤の開発に道を拓いた。
( 先端機能材料研究部 PJ「生体適合材料研究」実習生 群馬大学 新井唯史 )役立つ科学

測定対象の中の 「欠陥」 が測定器に！？
先端機能材料研究部

山崎雄一

Q

1. 欠陥のある材料とはどのようなものですか？
炭化ケイ素 (SiC) という材料を利用します。炭化ケイ素などの半導体は原子が規則正しく並んだ結晶ですが、その中には原子が存在しない ( 空孔 )、別の原子に置き換わっている ( 不純物 ) などの「欠陥」と呼ばれる不完全な部分が必ずあります。通常、欠陥は好ましくないのですが、近年不思議な特性を示す「欠陥」（スピン欠陥と呼ぶ）
SiC 中のスピン欠陥は、光を吸収すると、 が見つかっています。このスピン欠陥は光を吸収すると、ある時間しばらくして発光する。
経過した後光を放出しますが、周りの温度、磁場、電場などのわずかな変化に応じて、その放出光の強度が変わるため、測定器すなわちセンサーとして利用することができます。これが量子センサーです。

Q

2. 実際にはどのような研究を行っていますか？

炭化ケイ素 (SiC) 中のシリコン (Si) 空孔について研究しています。最新のパワーデバイスに使われている炭化ケイ素の中にもシリコン空孔というスピン欠陥が発見されています。我々はシリコン空孔をデバイスの中に生成させれば、デバイス内の温度や磁場 (⇒電流に変換可能 ) を高空間分解能で直接測定
SiC パワーデバイス中の局所的な温度変化により、することが可能になると考えています。

Q

スピン欠陥から放出される光の強度が変化する。

3. 炭化ケイ素 (SIC) デバイスとは、 どのようなものですか？
半導体デバイスは電気 ( 電流や電圧 ) を制御することができます。
シリコン (Si) を用いたデバイスは様々な分野で使われていますが、高電流・電圧を扱うパワーデバイスとしては性能が低く、高性能化が難しい状況でした。炭化ケイ素はシリコンよりも性能が高いため、より高パワー・高効率 ( 電気のロスが少ない ) のパワーデバイスを作製することができます。既に実用化もされており、家電や電車に使われています。新幹線にも搭載されることが決まっています。

Q

4. 量子センサーは温度 ・ 磁場 ・ 電場等を測定可能とお聞きしましたが、 具体的にどのようなことに応用できますか？

炭化ケイ素 (SiC) パワーデバイスをさらに高性能化するためには、複雑な設計が必要になります。
設計にはコンピューターを用いたシミュレーション技術が欠かせませんが、実験で得られるデバイス内部のデータが多いほどシミュレーションも正確になります。しかし、とても小さい (1 mm3 以下 )デバイス内部を高空間分解能で直接測定できる技術はないのが課題です。シリコン (Si) 空孔を用いた量子センサーは測定対象であるデバイス内部の好きな場所に埋め込むことが可能であり、またその原理から高精度な測定も可能です。量子センサーが実用化されれば、高精度かつ高分解能のデータが入手可能となり、炭化ケイ素パワーデバイスの高性能化に貢献できると考えています。

Q

5. 今後、 この研究はどのように発展していきますか？

現在は、簡易的な自作デバイスを使って量子センサーの原理検証を行っています。次の段階として、実際に企業の研究開発で作製されたデバイスを用いた実証研究を考えています。
インタビュアー（庶務課 / 山野映美） イラスト（イオン加速器管理課 / 平野貴美）

りようこ

量子のつぶやき「量子の入り口 ～コバルト 60 とガンマ線～」

初めまして！ 高崎量子 ( りょうこ ) です。この名前が縁で量子 ( りょうし ) の話を 3 連載することになりました。私、正ガンマ線を出すのは、60Co じゃなくて直戸惑ってます、量子がよく分からないので ( 汗 )。とりあえず、本当は 60Ni なのよ !
量子は「超極微の世界の象徴」と表現しておきますね。とても小さいことを極微 ( ミクロ ) と言いますが、ミクロンは 1 千分
第１回だから、「」はまずいんじゃぁないの (-̲-;)の 1 mm。超極微はこのミクロンよりさらに小さい原子や原子核の世界の大きさです。私たちの日常と全く違うその世界を垣間見てみましょう。
第 1 回は高崎研のガンマ線照射施設のコバルト 60(60Co と書く ) とガンマ線を取り上げます。まず、コバルト 60。その原子核には陽子と中性子が合わせて 60 個あります。自然界のコバルトは中性子が一つ少ない 59Co で、これに原子炉から出る中性子 1 個を吸収させて 60Co にします。
「高崎量子」です。

ある時 1 個の中性子が電子を出して陽子になることで 60Coは 60Ni( ニッケル ) に変わり、直後に放出されるガンマ線がいろいろな研究に利用されます。この「ある時」が大変なんです。個々の 60Co をじーっと観てると、これは 7 秒後に、原子番号 (= 陽子数 )27 の Co コバルトの次が原子番号 28 の Ni ニッケルです。両隣は原子それは 8 日後に 60Ni に変わったのに、あれは 9 年待っても・・・ 番号 26 の Fe 鉄と原子番号 29 の Cu 銅です。

同じ原子核なのに全然違うんですもの。でも、10 億個をみてると、初めは毎秒 5 個くらいずつ 60Ni に変わって 5.3 年後に 60Co は半分の 5 億個に減って、その後も 5.3 年毎に半減していきます※。まるで、「あなたは直ぐに、あなたは 6 秒後に 60Ni になって」
なんて 60Co 奉行がいるかのようですけど、個々は予測不能な確率的現象なんです。(※個数が半分になる時間を半減期といいます。原子核の種類により 1 秒以下から 1 兆年超まで。)
そして、ガンマ線。光や電波と同じ電磁波ですが、女性の大敵 UV( 紫外線 ) より波長が短くて、高SPF の日焼け止めも素通りして体の奥の細胞も傷つけます。( イヤ〜 ) ガイガーカウンターってご存知ですか？ ガンマ線を一つ一つ感知できる装置で、感知のたびにピッ、ピッと鳴ったりするの。
高エネルギー低エネルギー
エッ！電磁波って波なのに数えられるのって ?!
380 nm
500 nm
600 nm
780 nmそう、粒でもあるんですよ。逆に「すべての物質粒子は、波の性質を持っている」と約 100年前にド・ブロイってひとが大胆にも提唱して、可視光線電子を用いた実験で実証されちゃったんです。
赤外線 マイクロ波 超短波 短波 中波 長波
ガンマ線 X線
紫外線
確率的で波でも粒でもある不思議を見事に説明
0.01 pm 1 pm
10 nm
1 µm
1 mm
1m
1 km 10 kmする量子力学の基礎です。次回は量子力学について触れますね！
電磁波の波長と分類。目に見える可視光線はわずかな範囲。
nm( ナノメートル ) はμm の 1 千分の一、pm( ピコメートル ) は nm のさらに 1 千分の一

メッセージ
令和 3 年度がスタートしましたが、新型コロナウィルス感染症はまだまだ収束にはほど遠い状況ですので、感染防止に引き続き十分留意しながら研究開発を着実に推進していきたいと思います。また、恒例の高崎研施設公開はオンラインで開催することといたしました。バーチャル施設見学や手作り動画等での研究紹介など盛り沢山ですので、是非アクセスして下さい。（高崎研所長 伊藤久義）
2021 年 4 月より、「高崎研だより」のデザイン等を一新しました。
今後ともよろしくお願いいたします！（事務局一同）