陽子.中性子によるフラグメント生成と物質･生体影響に
関する研究
(研究課題番号15360499)
平成15年度∼平成17年度 科学研究費補助金
基盤研究(B)二
研究成果報告書
平成18年5月
研究代表者 馬場護
東北大学サイクロトロン･ラジオアイソトープセンター･教授
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-■ ■ Y , .陽子ヰ性子によるフラグメント生成と物質･生体影響に
関する研究
(研究課題番号15360499)
平成15年度∼平成17年度科学研究費補助金
基盤研究(B).
研究成果報告書
平成18年5月
研究代表者 馬場護
東北大学サイクロトロン･ラジオアイソトープセンター･教授
平成15年度∼平成17年度 科学研究費補助金 基盤研究(B)(1)
研究成果報告書
課題番号: 15360499研究課題:陽子･中性子によるフラグメント生成と物質･生体影響に関する研究
研究組織
研究代表者:馬場 護
研究分担者:渡辺 幸信
佐波 俊哉研究協力者:萩原 雅之
大石 卓司 奥地 俊夫研究経費;
(東北大学サイクロトロン･ラシヾオアイソトづ○センター) (九州大学･大学院総合理工学研究院)(高エネルギー加速器研究機構･放射線科学センター)
(東北大学大学院工学研究科大学院生) (東北大学大学院工学研究科大学院生) (東北大学大学院工学研究科大学院生) 平成15年度: 7,900 平成16年度: 3,500 平成17年度; 2,200 計 13, 600はじめに
近年､半導体素子の微細化･高集積度化とともに､放射線によるソフトエラーや損傷等が深刻な問題と なっている｡従来宇宙環境においてのみ問題であったこれらの現象が､近年では地上レベルにおいても顕在 化し､情報社会の根幹を揺るがす可能性のある問題と認識されるようになってきた｡この間題は､高エネ ルギー放射線が飛び交う大型加速器周辺でも深刻となっており､耐放射線性は素子の重要な仕様の1つと なっている｡これらの現象は､素子中に陽子や中性子が入射してLET (線エネルギー付与)の大きな重粒 千(以下フラグメントと呼ぶ)が生成し､それらが素子に電荷を与えるために生じると考えられ､中高エネ ルギー放射線の線量評価においても考慮すべきものと考えられる｡ 従って､ソフトエラーや線量の評価には､フラグメントのエネルギー付与を知ることが必要であり､そ れには生成されるフラグメントのエネルギー･角度二重微分断面積(DDX)のデータが不可欠である｡しか し､フラグメント生成に関するデータ特にDDXは測定が困耗なため非常に乏しく､最も重要な数十MeV 領域におけるDDXデータは皆無である｡ そのため､本研究では､ 1)数十M.eVの核子に対するフラグメント生成断面積の測定手法を開発し､ 2) それを用いて重要核種に対して系統的データを取得して､ 3)フラグメント生成に関する理論モデルの精度 を明らかにするとともに､ SEUや線量評価-の影響を検討することを目的とする｡ 1.フラグメント測定法の開発 本研究では､フラグメント測定法として､ 1)プラッグカーブカウンター(BCC)､と2)エネルギー･ TOF法(E-TOF鋲)を採用し､それぞれの信号対雑音比､ダイナミックレンジ及び検出効率等の大 幅な向上を図ることによって､数十MeVの陽子と中性子(核子)に対する測定を可能とした｡ 1) BCCの実用化と特性向上; BCCをフラグメント測定に最適化することで､低エネルギーフ ラグメントのDDX測定を実現し､中牲子に対するフラグメント測定も世界で初めて可能とした｡さ らに､ BCCの欠点であるa)プラッグピークを形成しない低エネルギー粒子の弁別が不可能､ b)有感 領域を突き抜けた粒子のエネルギースペクトル測定が不可能､という問題点に対して､ a)アノード･ カソード間の時間差(粒子の飛程に対応)の利用によって弁別開催を低下させ､かつb)粒子のエネ ルギー損失情報を利用して当初のエネルギーを推定する方法を開発することによって､ BCCによる エネルギースペクトルの測定範囲を2倍近くまで広げることに成功した｡ 2)セグメントアノード型BCCの開発と検出効率の決定;中性子用BCCでは測定効率の向上の ためにカソード面上に試料をおく配置を採用したが､様々な角度の事象が混じるため粒子弁別が不可 能という問題が生じる｡そこで､アノード電極を同心円状にセグメント化し､直進した粒子のみを選 別することで､粒子弁別性能を大幅に向上させ同時にバックグラウンドも大幅に低減させることがで きた｡また､モンテカルロ法による効率計算によってガス圧依存の検出効率を評価した｡ 3)E-TOF法の開発; BCCでは測定困難な低エネルギー粒子に対しては､マイクロチャンネルプ レートタイミング検出器と半導体検出器を用いたE-TOF装置を実用化した｡ 2.陽子･中性子に対するC, Al, Siのフラグメント生成データの取得 開発した装置を用い､ 70MeV陽子と65MeV中性子に対するフラグメント測定を行った｡ Cは生 体構成元素として､ Siは半導体構成元素として､ Alはその近傍核種として重要である｡また､フラ グメントとしては､ α粒子から酸素までのデータを得た｡測定角度は､中性子に対しては0度､陽子 に対しては30, 60, 90, 135度の4点である｡ 実験は､中性子に対しては原子力機構高崎研と東北大学サイクロトロンの7Li(p,n)中性子源を用い て行った｡東北大学の新中性子源は､従来の10倍以上の強度と十分なバックグラウンド比を有し本 測定には非常に有用である｡検出器にはセグメント型BCCを用いた｡これらによって､ 3-4時間の測定によって､データが得られるようになったことは特筆される｡ 陽子に対する実験は､放射線医学総合研究所と東北大学のサイクロトロンを用い､ BCC法とE-TOP 法によって行った｡それぞれのデータに補正を加え､両者を接続することによって､各フラグメント に対して広いエネルギー範囲に亘るDDXデータを得た｡ 3.測定結果の比較検討 得られた結果を､評価データ及び理論計算と比較した｡ αに関する結果は低エネルギー部分のみ であるがLA150とよく一致し､実験値の妥当性を示した｡ PⅢTSコードを用いてカスケードモデル (Bertini, ISOBAR)と量子論的分子動力学(QMD)を一般化蒸発理論(GEM)と組み合わせた計算 を行い､実験値と比較した｡計算値はモデルによって大幅に異なる結束を与えるが､実験値は概ね ISOBARとQMDの中間的な値を示しBertiniモデルの結果は大幅に小さい､また陽子と中性子に対 する結果は概ね近い断面積値となるがかなり異なる場合もあり､吏に検討が必要である､などのこと が分かった｡ また､現在の理論計算法を用いたソフトエラーや線量評価においては､かなりの過′ト評価となる可 能性があり､まずフラグメント生成モデルの向上が必要と考えられる｡ 以上､本研究は､半導体ソフトエラーと線量評価に必要なフラグメント生成に関する実験手法を開発し､ 計算値と比較できる系統的データを取得することによって､計算モデル･コードの現状を明らかにした｡
Summary of the research
ln recent y飽JS, Soft errors and damag窃Ofmicro electronic devices dlle tO radiation be00me a serious
problem as a results of highdensity of devioes･ The problem was reCOgniBed only in the space environment
inthe past but now caused eveninthe ground level by terrestrialradiations, and anticipated to be very serious one whidhviolatesthefoundation of mode- inforTnation society･ These phenomenon are
understood to be caused by heavy particles (fragments)with highLET (lin飽r energy transfer) which
are produced by energetic neutrons and protons (nucleons)incident into the semiconductor devices,
and appaqent even around intense accelerator8･ The phenomenon Should be taken into account in the
evaluation of radation doseforintemediate一七0-highenergy radiationsI
For the evalllation of the soft errorandthe radiation dose, it i8 necessary tO eStimatethe energy released
to materials usingthe data on the energyangulardoubly-di飽rentialhagmentS prOdllCtion cross sections･ The data offr喝ment production, however, is diBcult to meaBtFeand is veryfeW･ For the ten'8 0f MeV
region wherethe cosmic-ray proton fhx iS highest,there is no experimentaldaha･
For the reasons, the present studyaims at
1) development of experimentalmethodforfragment production DDX, 2) Systematic meastLrem蝕t Of 丘喝ment production, and 3) inv塔tigate the status of theoreticalmodels and model codesforfragElent
production,andtheir dfect to evaluation of SEUand dose eStimation･
1. Development of experimentalmethodforfragment production
h the present study, a Bram curve cotnter (BCC) aLnd the energy-time offlight (E-TOF) method
were adopted forthe measu托ment. By improving the signal一七0-badkground ratio, dynamic range and the detection e缶ciency of the detectors, we realizedthe meaBtuement Of low energy fragment, 弧d the fragment production DDX data for ten's of MeV nucleons･ Accordingly,fragment produc一 七ion DDX could be meaBtFedfirstinthe world for neutron induced reaction.
1) Improvement of BCC; By optimizing BCC tofr喝ment measurement, We realid two improve-ment of BCC whi血contributed greatly to the measureimprove-ment Offragimprove-ment production DI)ⅩS; a)the thr噂hold energy offr喝ment detection codd be reduced sigmifi?antly by using the range infoma-tion offr岬Ient Whose energy is too low to identifywith a Bragg peak,and b)the highenergy
end of the fragments was extended by estimating the originalenergy offragments whidh passed
throtlghthe sensitive volume of BCC because of ranges longer than cathode一grid distance･ These new tnethods enabled to extendthe pulse-height dynamic r叫ge up tO two times thanbefore.
2)Development of Segmented-anode BCCand its eBciency detemina･tion; 玩 BCCfor neutron
in-duced reaction,the Samples am plaL:ed on the cathode plane to enhance the solidangle. This
aqrangement, however, introduces dilRcdty in particle identification becau兜Ofmimig offr喝mentS
to diLferent emissionangles. To overcome the problem keeping higheEiciency,the anode electrode
was segmentedalong a concentrated-circle to enable selection offragments to the axialdirection alone. It improved drastically the ca,pabnity offragment identification andalso signal-to-background
ratio. Besides, a Monte Carlo program wa8 Prepaqed to estimate pressure-dependent solidangle
(e缶ciency) of eachfragment･
3)Development of E-TOF method for low energyfr喝ment; For hgments whi血鉦e dieicult to identifywithBCC tedlmique, we adopted the E-TOF method which identiRes the particl償from
the velocity and the energywithemployingmiqo-channel plates for timing deteetionand a Si detector for energy meaBurement･
2. MeastLreme血of fhgment prodllCtion data of CI Al一 Si for protons zLZLd neutrons
we haNe meaStuedfr喝ment production DDX data for 70 MeV protonsand 65 MeV neutrons
using experimental apparatus developed inthe present study･ C is a constituent element of biological organs, si is semiconductor materials -d Al is a neighboring nucleus to Sir Data were obtained for
fr喝mentSfrom helium tO OXygem
The experiment for neutrons was Carried out tlSing the segmented-anode BCC at Thkasaki site of
JAEAand atanintense neutron source of CYRIC TbhoknUmiversity. ne experinentfor proton
induced reaction was carried out using BCCand E-TOF method a･t the cyclotron laboratory at
NationalInstitutefor Radiological Sdence or Tohoku Umiversity･ The data were obtained at 0-°eg
for neutrons and at 30, 60, 90, 135-deg for protons･
The data by both methods Was COmbhed to cover awide range offragment cncrgy for ea血
element.
3. Resdt and Disct娼Sion
The results were comparedwithevaluationandtheoreticalmodel calCulations･ The胤Itsfor
α-particles were in agreementwiththe LA150 evaluation,althoughthe energy range of meaBtuement
is limited only tothe low energy reglOn･ This r鴎ult con血ned the validity of the experimental
method. The calculationswith PHITS code using the cascade model, ISOBARand Bertimi,and
the quantum molecular dynamics (∫-QMD) were comparedwith the experimentalresults･ The calCulations were largely di蝕rent according to the models employedIand the experimentalresults w肝e generally betw館n the ISOBARand QMD model, but were mudh larger thanthe BertimimodeL
The neutron-inducedand proton-induced resultsare generally closealthoughmore 8tudieswin be
needed.
In summary,the present study developed new experimentalmethodforfr喝ment production DDXs
in t軌,s of MeV reglOn, and provided a new data for neutronand proton induced reactionS･ The data
pointed out problemsintheoreticalmodelS infr喝ment production estinatiom The experimentalresults
will provide usefu1information for the improvement of theoreticalmodels,andalsofor improvement in
研究発表 学会誌等
1. M. Hagiwara, T･ Saれami, MI BabaI T･ OishiT N･ Hirabayashil M･ T血dal H･ NakaBhima and S･ Tmakal DMeastuement of di触rential cross sections of sccoAdary heavy partides induced by tms of MeV particles" , procecding of the intemational conference on Nucleac Data for Science -d Tk血nologyND2004, 769
(Septem-ber 2004) 1031.
2. M. Hagiwara, T. Sanami, T･ Oishi, M･ Baba and M･ T地da, "MeaBtLrenCntS Of dotLble diLrerentialcro辞 sections of secondary heavy charged partid田hduced by 70 MeV protonsformicrodosimetry studyM I JotLmal
of Rdiation Protection Bdletins (Submitted in 2005) ･
3. M. Hagiwara, T. Sa血ami, M･ Hosoka･wa, M･ Baba and M1 1もlada, pDcvelopment of a Brags CtlrVe Spec-trometer (BCS)for Fhpent Spectro虻Opyfrom Neutron and Proton hdllCed ReactionsD ,ⅩEK proceedings
2002-12 Radiation Detector and Their tJses (Sep. 2002) 70･
4. T. SaLnami, M. Baba, M. Hagiwara, T. Hiroishi, M･ Hosohwa, NI Hirabalyashi, T･ Oishi, HI Nakashima･
azLd S. bah,竹Measurcment of differentialcro鈷SeCtionsfor eyaluation of radiation do紀Of ten 's of MeV
neutron5竹, Jot仰al of NUCLEAR SCIENCE and TECHNOLOGY, Stlpplement - 4(2004)502-504･
5. MamoruBaba, ¶Experinental Studies on Particle and Radionuclide ProdtlCtion Cros Sections for Tens
of MeV NtletrOn5and Protons", JotEnal of NUCLEAR SCIENCE and TECHNOLOGY, Supplement I
4 (2004 ) 884-889 I
6. M. Baba, MDi胞rezltialcro恭一SeCtions of complex partide emission reactionB乃I Proceedings of htemaLSional workshop on Perspectives on NⅦcleadr Data for the Next Decade (in Printing)･
7. T. 0血, M. HagiWa, M. Baba, T. SBLnamiadld T･ ¶励a, "Application of The Digital Wavefom Analysis to Bragg CtLrVe Spectrometer", KEI( proceedings 2004-14 Rdiation Detector and Their U脚(Noyl 2004)
166.
8･ M･恥giwaraI TI SaAami, T･ Oishi, M･ Baba, M･ Thhda, H･ Nakashima, S･ bib,竹Meamrenent of double diRerentialqoss sectionsforfr喝ment-Production induced tw tens oE MeV paLrticlesn I SympositLm On Nucleaq
Data, JapazI Atomic EzlerW R血hBtitⅦte, (No-nbq 2003)I
9･ M･ HagiⅧal TI Sanamil T･ Oi血iI MI Babal M･ ThhdaI乃MeasuEementS Of double diRerential heavy paTtides production cro弱8eCtions for 70 MeV protonsp I Sympo血m On Nuclear DataI Japadl Atomic EzLerW ReseaEd
hstittlte, (November 2004) ･
10. M. Hagiwara, T. Sanami, Tl 0地, S･ Kamada, M･ Baba, M･ T血da aLnd N･ MiyahaLra "Meamfement8 0f double diLFerentialfragment production cro岱SeCtions of silicon for 70 MeV protonsD I Symposium on Nuclear Data, Japan Atomic Enerw R窃earCh hstittLte, (February 2006) ･
口頭発表 1.萩原雅之､佐波俊哉､大石卓司､馬場護､高田真志, "敬lo MeV粒子入射反応に対する二次重粒子スペクトロメー タの開発(1)一検出器の製作及び70 MeV陽子入射反応に対する適用-",日本原子力学秋の大会､いわき明星大 学, (September 2002)･ 2.大石卓司､佐波俊哉､萩原雅之､平林直哉､馬場護､高田真志,"プラッグカープスペクトロメータ-のデジタル波 形解析の適用",日本原子力学会秋の年会､静岡大学, (September 2003)I 3.萩原雅之､佐波俊哉､大石卓司､馬場護､高田真志, "70 MeV陽子入射反応に対する二次重粒子二重微分断面積の 測定",日本原子力学会春の年会､岡山大学, (Mar血2004)･ 4.大石卓司､佐波俊哉､萩原雅之､馬場護､高田真志, "ブラッグカープスペクトロメータ-のデジタル波形解析の適 用2",日本原子力学会春の年会､岡山大学, (Mar血 2004)･
5. M. HagiⅧ&, T. Sadlami, T. Oishi, MI Baba, H･N如hima, S･1bnah, M･ Tihda, "MeaBtlrement Of Ft喝nent production Cro缶-Section on NtLCleon-indllCed ReactionT', Sympositlm On Nuclear Data, Japadl Atomic Energy Research bstitⅦte, (November 2004)･
6.佐波俊哉､萩原雅之､大石卓司､馬場護､田中進､岩本洋介､中島宏,"数10MeV中性子による二次フラグメント のスペクトル測定",日本原子力学会春の年会､東海大学､ (Mar血2005)･ 7.萩原雅之､佐波俊哉､大石卓司､馬場護､高田真志, "70 MeV陽子入射反応に対する二次重荷電粒子生成断面積の 沸定",日本原子力学会春の年会､東海大学, (Mar血 2005)･ 8.大石卓司､佐波俊故､萩原雅之､馬場護､高田貴志, "プラッグカープスペクトロメータ-のデジタル波形解析の適 用3",日本原子力学会春の年会､東海大学, (March 2005)･ 9.大石卓司､佐波俊哉､萩原雅之､馬場護､高田真志,乃放射線計測におけるデジタル信号処理手法の応用-プラッ グカープスペクトロメータにおける粒子弁別への適用ID,日本原子力学会放射線工学部会夏期セミナー､軽井沢, (Jdy 2005)･ 10.佐波俊哉､萩原雅之､大石卓司､鎌田創､馬場護, 7'数10MeV中性子による二次フラグメントのスペクトル測定 (2)"日本原子力学会秋の大会､八戸工業大学, (September 2005)･ ll.萩原雅之､佐波俊哉､大石卓司､馬場護､高田真志,乃70 MeV陽子入射反応に対するSiからの二次重荷電粒子生 成断面積の測定",日本原子力学会秋の大会､八戸工業大学, (Septeznber 2005)i
目次
はじめに Abstract 第1章 序論 1.1 はじめに.. .‥.‥‥ ‥. ‥ . ‥‥‥.‥‥ ‥‥‥‥ ‥. 1.2 宇宙空間における放射線環境とその影響 ‥‥‥‥‥.‥.‥‥‥ 1.3 半導体ソフトエラー 1.3.1 SingleEventEffbct:SEE.‥..‥..‥‥‥...‥‥ 1.3.2 SEEを引き起こす粒子‥‥‥‥‥‥‥.‥‥‥‥‥. 1.3.3 SEEの発生過程...‥‥.‖‥‥.‥‥ ‥‥‥‥‥. 1.3.4 SEEのLET依存性..‖‥‥.‥‥‥‥‥‥.‥‥‥ 1.3.5 SEUのエネルギー依存性.‥...‖‥‥.‥‥..‥‥., 1.4 粒子加速器利用の動向と訣題‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥.‥‥‥ 1.4.1大強度陽子加速器施設(∫-par°) 1.4.2 国際核融合炉材料照射施設(IFMIF) 1.5 本論文の目的と構成 ‥‥‥‥.‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥H l.5.1 日的 ∴‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥.‥.‥‥.日. 1.5.2 構成 ‥‥‥‥.‥‥‥‥‥..日.‥..‥‥.‥. 第2章 教10 MeV核子によるフラグメント生成断面積データの現状と測定法の検討 2.1核データライブラリの現状‥‥.‥‥‥‥‥‥‥‥.‖‥‥ 2.2 理論計算コード‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥日‥‥‥.. 2.2.1核内カスケードモデル(IntraNllClearCascademodel : mC) .. ‥ 2.2.2 励起子モデル(Exiton model) 2.3 実験データ ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥.‥‥‥‥‥‥. 2.4 従来の荷電粒子放出断面積測定法.‥..._..‥‥..‥‥. 2.4.1 放射化法‥‥.‥‥.‥‥‥‥‥‥‥.‥‥‥‥. 2.4.2 質量分析法 ‥‥‥‥‥‥‥.‥‥‥‥‥‥‥‥. 2.4.3 カウンターテレスコープ法.‥....‥.‥..‥‥..‥.. 2.4.4 逆運動学法(hversekinematics) .‥ ‥ ‥...‥ 2.4.5 エネルギー･飛行時間差(E-TOP)法 ‥‥‥ ‥‥‥‥‥. 2.5 グリッドチェンバー手法.‥‥‥‥‥‥.‥‥‥.‥‥‥‥2.6 プラッグカープカウンタ(Brags Curve Counter : BCC)
2.7 本研究で取得するデータと必要な検出器 ‥.‥‥‥.‥‥‥‥‥ 2.7.1期待されるフラグメント実験データ.‥.‥.‥‥‥‥‥‥ 2.7.2 本研究において取得するデータ ‥.‥.‥‥‥‥‥‥‥. 2.7.3 必要な検出器､測定法.‥‥‥‥‥‥‥‥.‥‥‥‥ . . ⋮ 山 . 1 1 1 5 . L ' 6 6 7 7 ; 1 2 1 6 1 8 1 8 1 8 川 1 9 謝 2 1 2 2 お 2 7 2 7 2 7 2 7 甜 3 1 糾 誰 4 1 4 1 4 2 4 3
第3章 フラグメント測定システムの開発 45 3.1プラッグカープカウンタ(BCC)の開発 ‥‥‥‥‥.‥‥‥..‥‥.‥.. 45 3.1.1 グリッド電離箱の動作原理‥‥..‥.‥‥‥‥.‥‥‥‥..‥‥ 45 3.1.2 BCC手法の原理 ‥..‥‥‥‥‥‥‥.‥.‥.‥‥..‥.;‥ 50 3.1.3 SRJM (TRIM)コード ‥‥‥.‥‥‥‥‥.. 3.2 従来のBCC手法の問題点 ‥‥‥‥‥‥‥‥.‥‥. 3.2.1 高エネルギー軽フラグメントの突き抜け ‥‥. ‥ ‥. 3.2.2 低エネルギーフラグメントのプラッグピークによる弁別限界 3.2.3 その他の問題点‥‥‥‥‥.‥‥‥‥‥‥. 3.3 問題点の解決と高機能化手法‥ ‥‥‥‥‥‥.‥‥‥ 3.3.1飛程情報の取得による低エネルギー額域の拡張‥ ‥. ‥ 3.3.2 突き抜け補正による高エネルギー領域の拡張手法 ‥ ‥. 3.3.3 中性子-の適用 ‥‥‥.‥‥‥.‥‥.‥‥. 3.4 BCC試験器の製作 ‥‥‥‥‥‥.‥‥.‥‥.‥. 3.4.1 設計と製作 ‥‥‥‥‥.‥‥‥‥‥‥.‥ 3.4.2 検出ガス供給システム ‥..‥‥‥‥‥‥‥‥ 3.4.3 データ収集･処理システム ‥‥‥..‥‥‥‥‥ 3.5 BCC試験器の特性の検証 ‥‥‥‥‥‥‥.‥.‥‥ 3.5.1 飽和特性試験 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥. 3.5.2 リングによる電界の一様性‥.‥‥‥‥‥‥‥. 3.5.3 BCCのフラグメント入射に対する応答試験. ‥.. ‥. 3.5.4 BCCの中性子入射に対する応答試験 ‥ ‥.. ‥ ‥ ‥ 3.5.5 試験器における問題点と改善策 ‥‥‥‥‥‥‥. 3.6 高機能BCCの開発と特性の検証..‥.‥‥‥‥‥‥. 3.6.1設計と製作 ‥‥‥‥‥‥.‥‥‥‥‥‥. 3.6.2 重イオンビームによる動作試験.‥‥‥‥‥‥ ‥ 3.6.3 実験手法の妥当性の検証- C(p,7Be)反応断面積の測定- 3.7 データ解析法の高度化一突き抜け補正法の開発-3.7.1 イベントデータ処理 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥日. 3.7.2 フラグメントの弁別 ‥‥=‥‥‥‥‥日... 3.7.3 エネルギー校正...‥‥‥‥...日日..‥.. 3.7.4 二重微分断面積の導出 ‥‥‥‥.‥‥‥‥‥. 3.7.5 低エネルギー領域-の拡張.‥‥‥.‥.‥ ‥日. 3.7.6 高エネルギー領域-の拡張.‥.‥‥‥‥‥. ‥. 3.7.7 エネルギー損失の補正 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ 3.7.8 誤差評価‥‥‥‥‥‥‥.‥‥.‥‥‥‥ 3.7.9 結果 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥.‥.‥ 3.8 E-TOFの開発‥‥‥‥.‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ 3.8.1 検出器‥‥‥‥‥‥....‥‥‥‥‥... 3.8.2 実験体系‥‥‥‥‥‥‥‥.‥‥‥‥.‥ 3.8.3 測定回路‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ 3.8.4 測定 ‥‥‥‥.‥.‥‥‥‥‥‥‥‥.. 3.8.5 データ解析.‥‥‥‥.‥‥‥.‥‥‥..‥ 3.8.6 結果 ‥‥‥‥‥.‥‥‥‥‥.‥‥‥‥. 3.9 本章のまとめ ‥‥‥‥‥‥‥‥.‥‥‥‥..‥. 3_9.1 プラッグカープカウンタ(BCC)の開発 ‥‥‥‥ ‥. 53 54 54 55 56 58 59 60 61 63 63 65 68 74 74 76 77 84 92 93 93 99 105 111 111 111 112 114 116 118 120 120 121 124 124 129 131 132 133 133 136 136
3.9.2 エネルギー･飛行時間(E-TO甘)法による測定システムの開発 ‥ ‥ ‥ ‥ ‥. 137 第4章 陽子入射反応への適用 4.1測定サンプル.‥‥‥ 4.1.1バックグラウンド. 4.2 陽子入射反応結果‥ ‥. 4.2.1 炭素 ‥‥.‥. 4.2.2 アルミニウム ‥. 138 138 139 141 141 145 4.2.3 シリコン.‥ .‥ ‥ ‥‥‥ ‥ ‥. .‥. ‥ ‥‥‥‥‥ ‥‥‥ . 150 4.3 他の実験値と計算値の比較.‥..‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥..‥.‥‥ 158 4.4 本章のまとめ ‥‥‥.‥‥‥‥‥‥.‥. 第5章 中性子入射反応への適用 5.1中性子入射-適用による問題点とその改善 ‥ ‥ ‥. 5.1.1東北大学大強度準単色中性子場 ‥ ‥ ‥ ‥. 5.1.2 セグメントアノード電極 ‥.‥‥‥‥‥ 5.1.3 立体角の導出 ‥.‥‥‥‥‥..‥‥ 5.2 中性子入射実験‥‥‥‥‥‥.‥‥‥‥. 5.2.1 実験体系‥‥.‥‥..‥‥‥.‥‥ 5.2.2 測定 ‥.‖‥‥.‥‥‥‥‥‥‥ 5.2.3 中性子源の非単色成分の補正 ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ 5.2.4 中性子によるフラグメント二重微分断面積結果. 5.3 本章のまとめ ‥.‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ 第6章 総括 161 162 162 162 164 167 168 168 169 171 172 175 176
付錬A tLuClezLr reaction model A-186
A.1 CaBCademodel ‥‥‥.‥ ..‥‥‥‥‥‥ ‥日..‥‥.‥.‥..A-186
A.1.1 Bertimimode1... .日..._...日日.日.A-187
A.1.2 ISOBARmodel.‥‥.‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥.A-187 A.2 Quantummoleculardynamics(QMD)model - - - - ･ ･ ･ - - - - ･ - -A-188 A.3 Exit.onmode1 ,....日.日日...日...日...A-189 A.3.1複合粒子生成のための半経験的励起子モデル‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥.A-191 A.3.2 Kalbachの角度分布経験式‥‥‥‥..‥‥‥‥‥.‥‥‥.‥.A-192 A.3.3 GNASH ‥‥‥日. ‥‥‥‥‥‥‥.‥‥‥‥‥‥.‖‥A-193 A.3.4 TAI.YS ‥.‖‥‥ .‥‥‥‥‥._..‥‥‥‥‥‥‥.‥A-194 A.4 EⅦporationmodel..‥..‥‥‥･･.-I--････----････.A-196 A.4.1 SDM‥.日.‥...‥‥‥..._‥日...‥‥‥..‥A-196 A.4.2 GEM ‥‥‥‥‥.‥‥.‥‥‥‥.‥‥.‥‥‥‥.‥.A-197 付環B実敦施設 B-199 B.1東北大学サイクロトロン･ラジオアイソトープセンター‥‥‥‥‥‥‥‥‥.B-199 8.2 日本原子力研究所TIARA施設 ‥..‥..‥‥‥‥...‥..‥..‥‥.B-199 B.2.1中性子源発生装置‥‥‥‥‥.‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥.ち-199 B.3 放射線医学総合研究所サイクロトロン施設 ‥‥‥‥.‥‥‥.‥‥‥‥‥B-203
付緑C Xinematics C-204
第1章 序論
1.1 はじめに
高エネルギー重イオンが半導体のソフトエラ-やハードエラーを引き起こすことは古くから知られ多く の研究もなされてきたが､陽子･中性子等もこれらの原因となることが90年代よ･り認識されてきた【128】｡ このことは､宇宙環境などに限らず､宇宙線重イオンがほとんど到達しない地上レベルでもSEU (Single Event Upset参照1.3節)の起こり得ることを示した点で重大である｡実際に､航空機飛行高度や加速器周 辺のコンピュータでその現象が確認されており､地上においてもハイエンドコンピューターサーバがソフト ェラーでリコールされている【126]o重イオンの場合は､ LET (Linear Energy廿ansfer :線エネルギー付与)が大きいためにデバイス中に多量の電荷を生じるためと説明されるが､陽子･中性子等の場合はそれで は説明がつかず､別のシナリオが必要となってきた｡ 特に､中性子による照射効果は､核反応によって生成される二次荷電粒子によって生じる｡高エネルギー 中性子は標的核に大きなェネルギ-を付与するので､核破砕反応を起こし､ LETの大きい重い二次粒子(フ ラグメント)を生成し得る｡粒子入射によって物質中で生成されるフラグメント(ここではα粒子よりも重 い二次荷電粒子を指す)は､局所的に大きな電離密度を生じるため､特異な効果を引き起こす｡半導体のソ フトエラー現象はその主な例で､フラグメントは半導体内部で生成するため､重イオンの場合とは異なり 低いエネルギーでも十分SEUを起こしうる｡同様に､この効果は人体における線量評価にも重要であると 考えられる｡ 中性子による照射効果を正確に見積もるためには､核反応によって生成する二次粒子の種類とその放出 角度､エネルギー分布の情報(二重微分断面積)が必要である｡中性子による軽粒子生成はこれまで比較的 よく研究され評価もされているが､フラグメント生成に関しては実験上の困難のため､データが非常に少 なく､理論計算による予測も不確かさが大きい｡このため､フラグメント生成に関する信頼できる実験デー タの集積が求められている｡また､フラグメント生成断面積は入射エネルギーに依存するので､入射エネル ギーに対する関数となるが､宇宙線や加速器中性子源のエネルギースペクトルを考慮すると､特に支配的 となる数10MeV中性子･陽子に対するデータが重要である｡近年の加速器の高出力化によって､加速器 中性子源施設には放射性のフラグメントを生成することによる物質の放射化の問題もある｡ 以上に述べたように､宇宙空間､航空機飛行高度､地上､加速器周辺の人体線量や半導体損傷を評価す るにはその宇宙線エネルギースペクトル､核破砕中性子源エネルギースペクトルにおいて支配的となる数 10 MeV中性子･陽子に対するデータ特に二重微分断面積のデータが必要であり､実験データが求められて いる｡
1.2 宇宙空間における放射線環境とその影響
近年の宇宙開発事業､航空機事業の進展に伴い､宇宙空間利用-の努力が続けられている｡将来の有人宇 宙船や宇宙ステーションなどの実現-の計画【例えば､ 【251】が着々と進められているが､宇宙空間では厳し い宇宙放射線に曝されることになるので､宇宙放射線の特性を正確にとらえ､さらに放射線が生物､または 半導体などの精密機器に与える影響を調べることは､宇宙環境を利用するために非常に重要なことである｡ 図1.1に地球近傍の宇宙放射線環境の概観図を示すが､宇宙放射線は､その起源や形態により､三つの種 矧こ分類することができる｡一つは地球近傍に地球磁場で捕捉されたヴァンアレン帯があり､もう一つに太陽から吹き付ける太陽粒子､最後に超新星爆発などを起源とする銀河宇宙線からなる｡図1.2は主な宇宙線 のエネルギースペクトルを示しているが､太陽粒子はエネルギーは低いがフラックスが多く､逆に銀河宇宙 線はエネルギーは高いがフラックスは多くない｡詳しくは文献【26, 28, 29】にあるが､以下にそれぞれの放 射線環境の特徴を簡単に述べる｡ 捕捉放射線 ヴァンアレン帯は磁気圏のプラズマが加速され､地球の磁力線に捕捉され生成する荷電粒子の放射 線帯で､地上から高度3,000 km付近に中心を持つ内帯と高度19,000 km付近に中心を持つ外帯に 分けられる｡内帯では陽子が多く､そのエネルギーは1-100MeV程度､外帯では電子が多くエネル ギーは0.05 ∼ 5 MeV程度となっている｡また､地上に投影すると緯度30-60度の領域に位置して いる1｡ 太陽粒子 太陽粒子は太陽フレアから生ずる粒子であり2､そのエネルギーは1 -100 MeV程度が代表的であ るが､数10GeVのものもある｡その主成分が陽子であり80∼90%を占め､それ以外では10-20% がHeイオンで､それより重い粒子は1%程度となっている｡ 銀河宇宙線 銀河宇宙線においてもその主成分は陽子で約90% ､残りの大半がEeイオン､残り1%程度が重粒
子(HZE粒子: High-Z & High-Energy)となっているが､重粒子にはFe, Niなどの非常に重いものも
含まれる｡それらのエネルギーは1∼ 109 MeV程と､非常に広範囲にわたり平均的には∼1 GeVと 非常に高い｡ 図1.1:地球周辺の宇宙放射線環境[26] 上記に示した宇宙放射線は一次宇宙線と呼ばれ､そのほとんどが高エネルギー荷電粒子であるので3､遮 蔽材を厚くすることで､ある程度搭乗員の被曝を防ぐことが可能である｡しかし､それらは大気や宇宙ス テーション･宇宙船･人工衛星などの構造材と反応して､二次的に中性子を含む放射線を発生させる｡この 一次宇宙線と物質との相互作用から生じる放射線を二次宇宙線と呼び､この放射線に対する評価が搭乗員 1地球礎場を構成する磁気双極子が地球の中心から少しずれところにあるため､南大西洋上空などで一部磁力線が地球に引き寄せ られた領域がある｡この領域は捕捉放射線のフラックスが高くなっており､南大西洋異常(Sotlth AthnticAnomaly : BAA)と呼ば れている｡
2実際には太陽フレア時以外でも､平常時においても｢太陽風｣と呼ばれるプラズマが常に吹き出しているが､低エネルギーであ
るためここで言う太陽粒子には含まれない｡
3実際には太陽フレアや超新星爆発からは中性子も発生しているが､中性子の半減期が∼13分であるため､そのほとんどが地球近 傍に到達するまでに陽子に崩壊してしまうC
図1.2:地球周辺の宇宙線フラックス【27】 の被曝や半導体などの精密機器の損傷を知る上で重要となっている｡二次宇宙線の中でも､特に中性子は電 荷を持たず電気的に中性であるため､物質中をクーロン相互作用を受けずに進み､強い透過力を持つ｡ま た､陽子においてもそのエネルギーによって遮蔽体を通り抜けて内部に進入するものがあり､これらの評価 が重要となる｡図1.3に一次宇宙線の推定値を基に計算された船内でのエネルギースペクトルの推定値【29】 を示すが､ 100 MeV以下の中性子･陽子が支配的であり､この領域のデータが特に重要となる｡ 地上､あるいは航空機飛行高度では陽子などの一次宇宙線は大気原子核と衝突し､図1.4のようにカス ケード的に二次宇宙線を生成する｡生成される二次宇宙線には主に陽子､中性子､電子､ 7線､ミューオ ン､パイオンなどがある｡一次宇宙線を含む荷電粒子の大部分は厚い大気の層でそのエネルギーを失い､地 上に降ってくる宇宙線としては二次宇宙線として生成した透過力の強いミューオンや7線などの電磁成分 や中性子が大半を占める｡ミューオン･7線などの電磁成分はそのエネルギーが小さいため､それほど問題 にならないが､中性子は大きなエネルギーを持ち大きな影響をもちえる｡ 近年､各地でこの地上での宇宙中性子線の測定が行われている【例えば､ 【31, 32, 3恥図1･5に地上での 宇宙線中性子スペクトルの例を示すが､蒸発ピークと呼ばれる2 MeV付近のピークとカスケードピークと 呼ばれる100 MeV付近のピークの二つのピークが見られる｡高度によって蒸発ピークは大きく異なるが､ カスケードピークにはあまり相違が無いことがわかる｡人体線量に関してはこの蒸発ピークの部分が大き く寄与し､高度が高いほど中性子の被曝量が高くなるが､半導体デバイスの損傷には蒸発ピーク成分より もむしろエネルギーの高いカスケード成分が大きく寄与する｡特に半導体ソフトエラーを引き起こすシン
グルイベントアップセット(SingleEvent Upset : SEU)やシングルイベントラッチアップ(SingleEvent Latchup : SEL)などのシングルイベント現象(Single Event E飴ct : SEE)は素子の構成元素であるシリ
コンなどと中性子や陽子の反応によって重荷電粒子が生成し､それが素子内部で局所的に多くの電荷を生 成することよって発生すると考えられている｡入射粒子にはその重荷電粒子を生成するだけのエネルギー が必要で､問題となるのは数MeV以上の粒子とされている｡ SEEに関しては次節で詳しく述べるが､地 上においてもシングルイベント現象が起こりうる可能性が十分にあり､このエネルギー領域での中性子によ るフラグメント生成のデータは航空機内はもちろんのこと､地上での半導体SEU等を考える上でも重要な ものである｡
10. 10･1 100 101 102 103 101 105 エネルギー【鵬〝またはHbV/u] 図1.3:国際宇宙ステーション軌道における船内宇宙放射線エネルギースペクトル推定【29】 -ab コテ一念好 図1.4:大気によるカスケードシャワー【30】 1.0 - 589Crnゼ620klTl) ･･-･･ 1009cm4(16h) - 200tIcmせく12b'I) X 2.9 - 1030 g crhセtokrrl) X 770 10･0 104 10■ 10`2 100 102 104
NetLh)n energy (MeV)
図1.5: Goldhagenらによる様々な高度での 地上宇宙線中性子スペクトル[31] げ . e . e 1 O 2 仰 げ . e ︻ [ _ ^ q L _ ^ 宅 ︼ Y G ' ･ _ ト ト ( . . 9 0 ㌔ . U L O ) u R Q P u
1.3 半導体ソフトエラー
現代科学技術の象徴である通信･コンピュータ技術の発展は､近年の急速な半導体産業の発展によるとこ ろが大きい｡特に､半導体デバイスの開発では､搭載機器の高機能化･小型化の要求に応えるため､デバイ スの高集積化や省電力化に対して零点的に開発が行われている｡現在､ナノテクノロジー技術の発達によ り､その半導体デバイスの最小加工寸陰は0.1 pm以下に達している｡ 半導体デバイスの微細化･高集積化･省電力化の一方で､宇宙線に起因するとされる半導体デバイスのソ フトエラ-現象(記憶情報の反転現象:ビット反転"1" † ``0''あるいは``0''† ``1'')が過酷な宇宙放射 線環境にさらされる人工衛星ばかりでなく､地上や航空機内においても深刻な問題となっている｡この現象 は､放射線の高線量照射による劣化4とは異なり､単一粒子によって引き起こされる単発事象で､シングルイベント効果(Single Event Effect:SEE)と呼ばれている｡ SEEは電子データの予期せぬ変換につながり､
医療機器やサーバーコンピューター5などの電子機器を一時的に誤動作させるばかりか､最悪の場合はコン ピュータ制御システムなどの社会システムを停止させる可能性があり､今後の高度情報化社会において重要 な高い信頼性-の大きな障害となっている｡
1.3.1 Single Event Effect : SEE
SEEは､半導体部品､発生機構､引き起こされる現象の違いによって､シングルイベントアップセット､ シングルイベントラッチアップ､シングルイベントバーンアウトなどに分類される｡下記に簡単にその現象
の概要を示す｡
シングルイベントアップセット(Single EvezLt Upset:SEU)
メモリーの記憶情報を保持しているフリップフロップ回路のトランジスタ部(半導体の逆バイアス 接合部)に重荷電粒子が入射するとその電離により､一時的にパルス状の電流が発生する｡本来なら 逆バイアスのため流れるはずのない場所に電離による電流が流れてしまい､カットオフ状態のトラ ンジスタがオンとなり､フリップフロップ回路が反転し記憶情報が反転してしまう現象である｡この 時､記憶情報を反転させるのに必要な最小電荷を臨界電荷(Qc : Criticalchase)といい､ Qcは回路 パラメータに依存し､半導体部品の構造や集積度､動作電圧によって異なる｡臨界電荷量の値は0.25 FLm以降のCMOS SRAMの場合で通常数fCから十数fC程度であり､ソフトエラーに強いとされる DRAMの場合では数10 fC程度と見積もられている｡ SEUは半導体デバイスの永久故障には到らないが､ SEEの中で最も基本的な現象であり､発生頻 度が高いため､半導体業界を中心に研究が盛んに行われている｡ 【131】
シングルイベントラッチアップ(single Event Latchup:SEI.)
発生メカニズムはSEUと同様であるが､永久故障にいたる危険のある現象である｡ SELは､荷電 粒子入射の電離作用による突然の電圧降下のため､回路がサイリスタ状態になり大電流が流れたまま の状態になって､デバイスの機能が失われる現象である｡その結果､過熱してデバイスを破壊してし まう可能性がある｡
シングルイベント/(-ンアウト(Single Event BtlmOut:SEB)
荷電粒子の入射の電離作用により､パワーMOSFETのゲート酸化膜のリーク電流パスが生成され､ ゲートを破壊してしまう現象である｡この現象は物理的に構造を変えてしまうためほとんどの場合シ ステムが機能しなくなる｡さらに大電流が流れるため､焼損し､デバイスは破壊されてしまう｡
4トータルド-ズ効果:放射の種類やエネルギーによらず､生成された電離貴の総EL:だけで決まる半導体の劣化現象 5米SunMicr00ystems社が90年代末にソフトエラーによりワークステーションをリコールしたことは有名である｡
1.3.2 SEEを引き起こす粒子 図1.6に地上における各種宇宙線エネルギースペクトルを示すが､地上において観測される宇宙線では中 性子が支配的であるのがわかる｡これは1.2節で述べたが､地球に入射する宇宙線は､大気圏に入射した際 に大気を構成する元素の原子核(0やNなど)とのカスケード核反応によって様々な二次粒子を生成する が､生成された荷電粒子は大気構成原子とのクーロン相互作用によってエネルギーを失い､ほとんどの粒子 が地上に到達する前に止まってしまい､物質透過力の強い中性子が生き凍って地上に到達するためである｡ 地上で観測されているSEfHま､主にこのカスケード中性子によるものと蕗織されている0 -方､中性子は 非荷電粒子であり電離を起こさないので､それ自体は直接SEEに影響を及ぼさないが､半導体を構成する 物質(シリコンなど)との核反応により二次荷電粒子(特に重荷電粒子)を生成し､間接的に影響を及ぼす｡ 1 10 100
Parlicle energy (MeV) 1000
1 00 1 000
Pa佃cle energy (MeV)
図1.6: New Ybrkにおける地上宇宙線エネルギースペクトル(左図) ､東京における地上宇宙線中性子エネ ルギースペクトル【128】 1.3.3 SEEの発生過程 sBEは宇宙線の半導体内-の入射によって引き起こされる電離作用によるパルス電流の発生や電圧効果 が起点となって発生する｡半導体デバイスの構造上､ SEEが起こるにはpmオーダーの領域において高密 度に電離が生成しなければならない.図1.7に､ SEEの発生源となる高エネルギー粒子の半導体内におけ る電離現象の様子を重粒子入射の場合(左図)と陽子(軽粒子)入射の場合(右図)について示す｡重粒 子入射の場合はLBTが大きいため､ SEEに寄与するような高密度の電離は飛跡に沿った連続的な分布を示 す｡一方､陽子のような軽粒子が入射する場合はLETが小さいため､それ自身では高密度電離を生成せず､ 核反応によって生成した高LET重粒子が局所的に高密度電離を生成する｡具体的には113･4節に示す｡ 生成された電荷は図1.8のように､空乏層における電界によって引き寄せられるドリフト､発生した電荷 そのものに起因する電界によって電子が引き寄せられるフアネリング過程によって､デバイスの感応ノード に収集されSEEを生ずる｡ 1 1 1 1 1 官 S ^ e M N u J U ＼ u ) X n l j Y o . P o q o P ' b q o o o 1 1 1 1 1 1 ( o B S ^ e M N u 9 J u ) X n l j
a7日eayy lons lionlzalioh
by eacfl PaTttCleJ
b) P叫rlS lnucLear reacLLon needed to pro血ce recolJ)
図1.7: SEE発生メカニズム;重粒子入射による場合 (左図)､陽子入射による場合(右図)
図1･8: SEE発生メカニズム:フアネリング【130]
1.3.4 SEEのLET依存性
図1.9にシリコン中での阻止能を軽粒子(左図)と重粒子(右図)に対してそれぞれ示す｡例として100
MeV陽子と1 MeV酸素に着目すると､そのシリコン中の阻止能は陽子の場合で∼0.002 MeV/pnであり､
酸素の場合∼l MeVルmとなり､重粒子の阻止能が陽子の阻止能に比べて極めて大きいのがわかる｡さら に陽子の阻止能はエネルギーの増加とともに減少するが､重粒子は10 MeV付近までほぼ一定の高い値を とるoつまり高エネルギー陽子は半導体にほとんどェネルギ-を落とさず､通過してしまうが､重粒子は 入射から停止まで広範囲に高エネルギーを落とし､半導体中で急速に減速する｡しかし､高エネルギー陽
子はシリコン原子核との核反応(たとえば弾性散乱28si(p,p)28siや非弾性散乱28si(p,p')28si､核破砕反
応28si(p,α)25Mg, 28si(p, p α)24Naなど)によって､陽子の持つエネルギーの相当の割合が反眺Siや破 砕生成原子核(フラグメント)に与えられる｡こうして二次的に発生する重粒子Si, Mg, NaのLETは∼3 MeV/Fmに達するC この局所的なエネルギー付与によってpm領域の空乏層に電離が起こり､逆電流が流 れる｡ 具体的に臥シリコンのW値を3･6eVとし簡単に高LET革粒子(1 MeV/Fbm)により生成される電荷 を計算すると､ 1 MeV/pmのLETでl pnの領域に2.78×105個の電子対が生成され､ 44.5 fC6の電荷が 生成される｡この電荷の収集効率は半導体の構造に強く依存するが､ SRAMに関しては1.3.1節に述べた臨 界電荷(数fC∼十数fC)を十分に超えており､ SEUが起こりうることを示している｡これは､ 100MeV 陽子そのものでは､ LETが小さく､生成する電荷量は臨界電荷に達せずSEUは起こらないが､陽子によっ て生成される数100KeV ∼数MeVの低エネルギー重粒子(図1.9)は､十分SEUを起こしえることを示 している｡ 1.3.5 SEUのエネルギー依存性 図1.10にJohanssonらの中性子によるSEUのエネルギー依存性(SEU断面積)とBGR法による計算 値丁を示す【127]｡数MeV (敷居エネルギー)で急激に立ち上がり､ 100 MeV付近で最大値を向かえその後一 症(飽和断面積)となり､図1.18で示すフラグメント生成断面積と同様な形状を示している｡このSEU発 生確率のエネルギー依存性(SEU関数)の基本構造はデバイスの種類によらず､ 1.1式で示すようなWeibul1 型の関数で良くあらわされることが知られている｡ 【1叫 ;藍2品8wxLoと;2n･e7,8a;il.OnB志…㌻篭竃㌫蒜誤9鵬に行わず､核反応断面恥ら計算紬るSE｡断甜=巨視的断 面執こ相当し､素子の有感体積Vと亀荷収集効率Cをパラメータとして導出する｡
10-4 100 101 10普 183 P叫ecti)e Kin曲Ene咽y仲叫 100 10･1 1即 .叩T Enerw脚叫 図1.9:シリコン中の各粒子のエネルギーロス;軽粒子(陽子､パイオン､ミュオン､電子)のエネルギー ロス(左図)､重粒子(酸素､云ワリウム)と軽粒子と(-リウム､陽子)とのエネルギーロスの比較【129]
qsBU(a, -汁-P(- (㌔芦)S〉]
(1･1) qsBU(a) : SEU断面積【cm2】 q00:飽和断面横lcm2】 E :中性子エネルギー【MeV] Bh : SEU敷居エネルギー【MeV] S,W :fittingパラメータ 実費境でのSEUの評価はデバイスのSEU断面積と衆境中性子フラックス￠(E)lcm-2･sl1]の積で表され る｡つまり1.2式で表されるSER(E)を全中性子エネルギーで積分することによって､ 1秒あたりのソフト エラー率が得られる｡一般にはソフトエラー率の単位にはFIT (1×109時間あたりのエラー数)を用いる ので､時間の変換係数3.6×1012を乗じて､実弟境におけるソフトエラー率SERFLT (1×109時間あたりの エラー数) 8を1.3式のよう●に得る｡SEE(a) - qsEU(E) × ￠(E)
sERFtT = 3.6 × 1012 ×
￡
SEE(E) dE (1･2) (1･3) 1.4.l節やュ.3.2節で示したように､加速器核破砕中性子源や地上における宇宙線中性子はカスケード反 応を通じて生成されるので､その中性子フラックスはそのエネルギーの関数にとるとエネルギーの増加と共 8FailuresエnTime 仰 仰 t L u r t J ^ a n ) 香官
ユ
壱
邑
毒
に指数関数的に減少する｡図1･11にSEU断面積と中性子フラックスとSER(E)の関係を示すが､ SER(E) はSEU断面積と中性子フラックスの積で決まるため､高エネルギー中性子よりも､中性子フラックスの大 きい低エネルギー中性子の寄与が大きい｡ SEtI断面積の立ち上がり部分すなわち数10MeV領域の反応の 寄与が主であり､重要であることがわかる｡ -ll 10 0 50 1 00 1 50 200 L (MeV)
図1.10: 5つのデバイスの中性子誘起SEU断面積:各デバイスの値はCyp憎8 256 kbit SRAMに規格化
してあるが､各デバイスとも同様の傾向が見られる｡陽子によるデータはクーロン相互作用の補正を行って ある｡点掛ま臨界電荷が0･1､ 013 pCの場合のBGR関数を示している【127] 図1･11‥中性子エネルギーとSER(E)の関係【131】 ( ′ 3 r t U -D ( 芸 ＼ b u J U ) u O ! 7 3 a S S S e U ⊃ u S
以上よりSEUのような現象の微視的解析を行うには､重粒子(フラグメント)のエネルギー分布すなわ ち生成微分断面積が不可欠になる｡宇宙線エネルギースペクトルや核破砕中性子源のエネルギースペクト ルを考慮すると､特に数10 MeV領域のデータが重要である｡ 1990年代からプロトンSEUの理論的,実 験的な研究が行われている【128].反跳核や破砕生成核が発生する場所の分布やLSIの感応ノードの形状は 通常分からないため､さまざまな仮定と物理的基礎過篠からメカニズムを考察し､プロトンSEUのモデル 化が行われている｡その結果､重イオン試験の結果からプロトンSEUを推定する式や経験則が提案されて いる｡しかし､方向･エネルギーが決まっている重イオン試験では､中性子の現象を完全に模擬することは できない｡その点でも､垂粒子(フラグメント)生成微分断面積のデータは重要である｡
1.4 粒子加速器利用の動向と課題
近年の加速器技術の急速な進歩に相伴って､その利用は従来の核物理､素粒子物理などの伝統的研究分野 のみならず､物性物理､工学､農学､医学､生物､基礎科学などの幅広い分野に進展している｡現在､粒子 加速器は現代の科学技術に不可欠な存在であり､その発展に大きく貢献している｡また､性能向上､高信 頼性､高エネルギー化､大電流化などの粒子加速器技術の発達によってその可能性は大きく広がり､今後 その利用はますます拡大することが予想される｡目下､建設が進んでいる日本原子力研究開発機構(Ja,panAtomic Energy Agency : JAEA) 9と高エネルギー加速器研究機構(KEX)による大強度陽子加速器施
設(Japan Proton Accelerator Research Complex : ∫-PARCIO)【1恥米国SNS (the Spallation NelltrOn
Source) 【161や建設が計画されている国際核融合炉材料照射施設(Imp : Ⅰ血emationalFhsion reactor Meterialhadiation Facility) 【20】､ヨーロッパ核破砕中性子源施設(Europe Spallation Source ‥ ESS) [17] などにみられるように近年の加速器では､大電流･高出力化が顕著であり､それに伴って利用､安全管理等 の面で新しい課題が発生している｡これらの加速器はその多くが数十MeV∼数GeVの加速エネルギーを 有し､その電流値も従来の加速器よりも格段に大きいため､このような加速器施設では数十MeV∼最大加 速エネルギーまでのエネルギーを持った高エネルギー二次粒子が大量に発生する｡このような加速器では より精度の高い遮蔽･安全設計等が要求されるがそれに見合った核データの整備が､加速器の進展に追い ついていないのが現状であり､上記のような加速器施設において重要となる数十MeV以上の高エネルギー 粒子に関するデータの整備が早急に求められている｡また､こうした大強度の加速器周辺では二次粒子に よって､計測･制御機器の誤動作(ソフトェラー)や損傷が誘発し､その対策が重要課題と蕗識されるよう になってきた｡ 上記に述べた施設において､特に中性子の利用が注目されている｡これは上記に述べたように加速器の高 出力化によって従来の加速器では実現し得なかった大強度の中性子場を作り出せるようになったためであ り､この大強度中性子場を用いて､物質･生命科学､医療-の応用や核融合炉材料損傷挙動の研究が計画さ れている｡特に現在注目されている生命科学における応用として､たんばく質など分子構造の中性子構造 解析がある｡これは､従来用いられてきたⅩ線は重元素に対して感度が高く､軽元素の測定には不向きで あったが､中性子は特に軽元素に対して感度が高く､軽元素で構成されている物質の構造解析には最適であ るためである｡その実敵では､使用するサンプルが微小であるため､中性子強度の大きいことが必須の条件 である｡ 図1.12に中性子源から生成される中性子束の歴史的発展を示す;従来､強力中性子源としては原子炉か らの核分裂中性子が用いられていたが､その出力は図からわかるように1014-1015 a/cm2/Sの中性子束で飽 和している｡一方､加速器ベースの中性子源の中性子束はそのビーム出力とともに上昇するので､原子炉中 性子線で得られる最大中性子束を超える吋能性を持っている｡また加速器中性子源はパルス源であるため 原子炉中性子にはない優れた点を有する｡そのため､強力中性子線は原子炉から加速器中性子源に移行する 候向にある｡ 1980年後半からLANSCEやISISのような高出力加速器の建設によって､中性子強度は原子 炉からの中性子強度と同等となることが確認され､それ以上の中性子源として現在進行中であるJ-PARC やSNSやESS (許画中)の建設にいたっている｡ これらの大強度加速器中性子源は原子炉中性子源と異なり､中性子隼成反応として核分裂反応ではなく 高エネルギー陽子を原子番号の大きい原子核に入射させることによって原子核を破壊する核破砕反応を用 いている｡このため､原子炉中性子源で大きな問題となっているマイナーアクチニドのような高レベル廃棄 物の生成や臨界事故のような問題を回避できるが一方では､原子炉では考慮する必要のなかった高エネル ギー中性子が大量に発生する｡高エネルギー中性子は透過力が強いため､こういった施設において中性子に 対する遮蔽･安全評価が放射線安全管理上非常に重要なものとなる｡ 以下に実際に現在計画されている加速器施設の概要を述べ､その設計おいて必要とされている核反応･核 データについて述べる｡
9旧 Fl本原子力研究所(Japan Atomic EzlerW RBSead hstitllte : JAERZ)
1tIJI 1940 1958 1960 197D 1 980 1 990 之0伽 之014
強力な中性子源は原子炉から加速器に移行
米国SNS計曲(WW)轄設中'2∝拓年完成予定 吐州ESS計画(SMW)研究開莞進行中 図1.12:中性子源から得られる中性子束の歴史的発展 1.4.1大強度陽子加速器施設(∫-par°) 大強度陽子加速器計画は､従来の主な目的である原子核･素粒子物理の研究のみならず､既に建設がス タートしている米国のSNS (2006年完成予定)計画と欧州のESS (許画中)計画に並ぶ世界の3大中性子 線施設の一つとして､物質･生命科学研究等に革新的な成果をもたらすことが期待されている｡計画されて いる施設の概要を図1.13に示す｡主につの実験施設の建設が予定されており､ 1期計画で物質生命科学施 設(中性子･中間子施設)と原子核･素粒子実験施設の一部､ニュートリノ実験施設､ 2期計画で原子核･ 素粒子実験施設の残りの部分､核変換実験施設の建設が計画されている｡その主なビーム利用は図1.14に 示すように多岐にわたる｡ 【14, 15】 ⊂二二:=コ第1柵施設 ⊂二二二コ第2期施設 図1.13:大強度陽子加速器施設(J-par°)鳥轍図 ( S f . Z ∈ 3 J u ) 仙 親 O V I U i 卓 E b 盛 0 -｡ 叩 仰 IMLJOn Lscienco
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図1.14:大強度陽子加速器施設のビーム利用
大強度陽子加速器は図1.15に示すように400MeV､ 600MeVのリニアック､ 3GeVシンクロトロン､ 50
GeVシンクロトロンの基本加速器群から構成される｡計画では繰り返し50 H2;で運転する400 MeVのリ ニアックから半分の25 E2:分の陽子パルスビームが史に600 MeVまで超伝導リニアックで加速され､核変 換実験施設に導かれる｡一方､残りの25H2i分は､シンクロトロンにより3GeVまで加速され､物質･生 命科学実験施設に入射される｡ この裏験施設では､ミューオン施設で数%の陽子ビームを利用した後､残りのビーム全てが核破砕中性 子源で中性子に変換される｡また､ 3GeVシンクロトロンからのビームのうち5%が50GeVシンクロト ロンで加速され､原子核･素粒子実験施設及びニュートリノ実験施設で利用される｡ 3GeVシンクロトロン から取り出される電流は333 pAで､ビームパワー1 MWという超強力ビームを核破砕中性子源ターゲッ トに入射することによって､世界最大級の中性子源を実現する｡
核変換実験施設においても核破砕中性子源を用いて加速器駆動型未臨界炉(Accelerator Driven System :
ADS)の研究や中性子によるターゲット材料の損傷などの研究を行う予定である｡核破砕中性子渡ターゲッ トとしては中性子発生量の多い塵核が用いられ､水銀､鉛､タングステンなどが候補に挙げられている｡図 1.16に他の運転中または建設中の加速器との比較を示すが､その出力は世界最高レベルである｡一方､そ の高出力により､ターゲットやビームダンプから生成される高エネルギー中性子の遮蔽や放射化などの施設 の安全管理上の問題が生ずるo 図1･17に核破砕反応による生成中性子スペクトルの例【19】を示すが､ゼロエネルギーから最大入射陽子 エネルギーまでの幅広いエネルギーの中性子が発生することがわかる｡実験施設の核設計･評価を行う際に はこれらのエネルギー範囲にわたる中性子と物質の相互作用に関するデータが必要とされる｡特に高エネ ルギー中性子成分(ここでは10 MeV以上を指す)は加速器構造材料の放射線損傷､放射化､遮蔽性能に 大きな影響を与える｡放射線損傷は主として､原子の弾き出し､水素､核反応で生成される-リウムなどの ガスによるスウェリング､原子の核変換の重畳によって引き起こされるため､.その予測には核子による二次 荷電粒子生成のエネルギー･角度分布すなわち二重微分断面積が必要となる｡ 必要な二次荷電粒子のデータとしては陽子･-リウムのデータはもちろんのこと､実験データの非常に乏 しいフラグメントのデータも高エネルギー核子入射反応に関しては重要となる｡また､このデータは近年､ 宇宙環境や大型･大強度加速器で問題になっている半導体機器のアップセットなどのソフトエラー､ラッチ アップなどのハード的な損傷の対策においても必要とされている｡ また､放射化に関しては､図1.17からわかるように数10 MeVの領域においては100 MeV以上の領域 と比較するとターゲットから生成される中性子量が数10MeVの額域の方が格段に大きいため､数10MeV
の領域の断面積データが掛こ重要になる､更に物質の中性子反応断面積あるいは放射化断面積は実験値の 存在する陽子入射の場合から類推するとそのほとんどが数10MeVでピークをむかえ､ 100 MeV以上では 一定になるか､もしくは減少傾向に向かうため､まずはこの領域のデータをおさえることは放射線管理上 上限を知ることとなり､非常に重要となる｡フラグメント生成断面積の例として､図1.18に陽子入射反応 による炭素やアルミニウムやケイ素からのべリ1)ウム7 (7Be)生成の断面積を示す｡ 10-20MeV以上で立 ち上がり､炭素に関しては40 MeVllJ-近で最大値を向かえその後一定となり､アルミニウム､ケイ素に関し ても数100MeV以｣ではそれほど大きな変化は見られない｡ 1 GeV以上では炭素､アルミニウム､ケイ素 はほぼ同一･の値を示す｡これは入射エネルギーが核力より十分大きいため､ほぼ幾何学的な原子核の大きさ だけで決まるためと考えられる｡ □■本計再 ▲相中 o書Z壱中 図1.16:大強度陽子加速器施設のビーム出 力図
図1･17:核破砕中性子源のエネルギースペクトルの例: Pb(p,xn) @ Ep 800 MeV (左) ､ Fe(p,孤) @ Ep -800MeV (中央)､ Pb(p,-) ㊨ Ep - 1600MeV (右)反応の中性子スペクトル【19】 10-1
:顎離…::;霊琵芸)
Energy (M卓V);:;iPb076,7,pBBeeer:e:ith'oonnnTqxxxp,;:',,
Energy (MeV) 図1･18:フラグメント生成断面積データの例:これらはすべて放射化法によって測定された実数値帆93, 91,95,94,92] ( J m a y d P J l q t b ) 5 n W t P ( q t u ) u o 1 7 9 a S S S O ･ X U1.4.2 国際核融合炉材料照射施設(IFMIF)
節1.4.1で紹介した核破砕中性子源は､主に熱領域の大強度中性子生成を目的とした加速器中性子源であ るが､一方でD-T核融合炉中性子模擬を対象とした加速器中性子源の開発計画がある｡
国際核融合炉材料照射施設(IntemationalFusion Materialhadiation Fadlity :押MIF)は従来の加速
器による中性子源では到底成し得なかった実際の核融合炉と同程度の高中性子束を生成し､ D-T核融合炉 の中性子条件を模擬することによって､主に核融合炉材料の中性子照射挙動を研究するために計画されて いるカ‖速器施設である【20, 21]o IFMIF施設の概念設計図を図1.19に示す｡この加速器では中性子源とし てDイオンを強力なリニアック加速器11を使って最大40 MeVに加速し､リチウムに打ち込んで衷陽子のブ レイクアップ反lJL; (7Li(d,np)反応)を利用し､核融合材料の設計寿命までの照射試験に必要な14 MeV付 近の高エネルギー中性子を多量に発生させることが計画されている｡この反応は核破砕中惟子源で用いら れているターゲット核の破砕反応ではなく､入射粒子自身の分裂(重勝子d(n+p)うn+ p)を用いてい る｡そのため中性子の多くは入射粒子の半分のエネルギーを持って放出される｡ この加速器施設において生成される中性子源のス-クトルは､実際の核融合炉d - T反応で生成する∼ 14.1 MeVの鋭いピーク形状とは異なり､図1.21に示すような､ 14MeV付近に緩やかなど-クを持ち､ ∼ 0 -数10MeVまでの広いエネルギー分布を持った連続スペクトルになる｡これは､ターゲットに中性子収
量の多いFul1 Stop taqget (thick target)を用いるため､反応を起こす重陽子はターゲット内でのエネル ギーロスによって∼0-40MeVと大きなェネルギ一幅を持つことによる｡加えて､Li(d,A)反応は､反応 のQIValueがkinematics上[53]最大のもので+ 15･03 MeV (7Li(d,n)8Be反声)であるので生成中性子の 最大エネルギーは∼55 MeVをもつことになる｡ 入射電流値は二台の電流輸送効率の高いリニアック加速器でそれぞれ最大125 mAを目標としており､そ れら二つの加速器から生成される最大40 MeVの重陽子ビームをターゲット部においてクロスさせて照射 することによって最大250mAという大電流ビームがターゲット部に入射することになる｡ターゲット部に おいて最大40MeVx 250mA - 10MWの熱負荷がかかり猛烈な発熱が考えられるため､リチウムはあら かじめ溶融し､図1.20に示すように液体リチウムの高速ジェット流を用いて除熱する工夫がなされている｡
Liliquid target" Specirnens
汁十｢ふ 図1.20: rFMIFのtarget部の概念図 図1.19:国際核融合炉材料照射施設(IFMIF)の概念図 図1･21に25 MeV､ 40 MeV重陽子入射の中性子エネルギ∵スペクトルの例【36, 132, 133, 37]を示すが､ 最大∼55 MeVのエネルギーを持った大量の中性子は加速器構造材に降り注ぎ､特にターゲット周辺の構造 材を極度に放射化･損傷することが予想される｡したがってその放射化量･はじき出し原子をあらかじめ評 11加速器の主な構成輩秦は入射器､ 175 MIIzの高周波四盛庵リニアック(RFQ)､ 8台のド1)フトチューブリニアック(DTL)､ 高周波源､高エネルギービーム輸送系(HEBT)となっているc
価しておくことは放射線安全管理上非常に重要なことである｡中性子による放射化量の評価は中性子エネ ルギースペクトルと放射化断面積の積から導出するが､その基となる放射化断面積のデータが中性子エネ ルギー20 MeV以上に関しては実験上の困難からほとんど整備されていないのが現状であり､残留放射能 による作業者の被曝低減や機器の管理のためにも早急にこれらのデータの整備が求められている｡
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図1･21:厚いタ-ゲッヽからのLi(d,孤)中性子エネ't:ギ-スペクトル: 25 MeV重陽子入射反応(左図) ､ 40 MeV重陽子入射反応(右図) 【37, 36, 132, 133] 以上に述べたように､宇宙空間､航空機飛行高度､地上､加速器周辺の人体線量や半導体損傷を評価す るにはその宇宙線エネルギースペクトル､加速器中性子渡エネルギースペクトルにおいて支配的となる数 10 MeV中性子･陽子に対するデータ特に断面積のデータが必要であり､半導体シングルイベント現象機構 の解明においては重粒子生成の生成量とそのエネルギー分布のデータが求められている｡また､この反応
は最近注目されている放射線医簾において､ホウ素中性子掃捉療牡(Boron Neutron Capture Theraphy :
BNCT) [38】や荷電粒子線癌治療でのコリメータなどで発生する二次中性子の人体-の線量を評価するの にも塵要である｡しかし､このエネルギー領域での中性子･陽子に対する重粒子放出に関するデータは第2 章に詳しく示すが､実験上の困難からほとんど存在しない状態であり､中性子に至っては皆無に近いのが現 状である｡ 0 % 0 8 が d v l 一 ･ l l l r -. u T l 1 . . S t . ^ 望 ︼ S p l 息 u o J t r L a Z o D o o r h o t J > o 1 1 1 ︻ 1 -0 ユ ･ t . B ･ T A 3 y V ･ # ] 当 t l t t O Z P 岩
