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JAEA-Review 2010-065
Ion Induced Luminescence from Sapphire Irradiated
with Swift Cluster Ion Beams
H. Shibata a) , Y. Saitoh b) , A. Chiba b) , K. Yamada b) , Y. Takahashi c) , K. Narumi c) ,
T. Kojima b) and T. Kamiya b)
a) Graduate School of Engineering, Kyoto University, b) Department of Advanced Radiation
Technology, TARRI, JAEA, c) Advanced Science Research Center, JAEA
The luminescence spectra from sapphire (α-Al 2O 3) induced by 0.5-1.5 MeV/atom carbon cluster ion irradiation were
measured in the wave length range of 250 – 800 nm as a function of ion fluence at room temperature. The luminescence was
observed at 326 nm (F + center) and 411 nm (F center) in any cluster irradiation. Result shows sub-linear feature for cluster
size dependence.
高速(高エネルギー)クラスターイオンと物質との
相互作用においては、単原子イオンの集合体として個
数以上、あるいは個数以下の非線形的な効果を与える
ことが知られている。これまでに二次イオン粒子放出
に関する高速クラスターイオン照射の特徴を調べ、主
に電子励起が起きるエネルギー領域ではクラスターサ
イズが大きくなるとともに正負二次イオンの収量が指
数的に増えることがわかったが、これは表面付近での
化学反応によるものと考えている。このように標的表
面の分子吸着の状態に強く依存する現象を避けるため、
標的の照射損傷のみに依存すると考えられる発光を測
定し、クラスターイオンの照射効果を調べるのが本研
究の目的である。2009 年度は炭素クラスターイオンと
サファイア(α-Al 2O 3)標的との衝突で放出される発光
を、時間分解マルチチャンネル分光器(Hamamatsu
Photonics PMA11)で測定したので報告する。
本実験に用いたクラスターイオンは日本原子力研究
開発機構高崎量子応用研究所 TIARA の 3 MV タンデム
静電加速器からのエネルギー0.5 ~ 1.5 MeV/atom
(42~126 keV/u)の C 1 + ~C8 + イオンで、照射野は 3 mmφ、
ビーム電流は C 1 + で 2.5 nA、C8 + で 40 pA 程度である。試
料には発光強度が強く、発光過程が比較的良くわかっ
ているサファイアを選んだ。
発光スペクトルの測定波長範囲は 250~800 nm で、
326 nm 及び 411 nm に発光が見られる。326 nm は F + セ
ンターからの発光で、発光強度はイオンビーム照射と
同時に次第に増加し、ピークに達してから少しずつ減
衰する。411 nm は F センターからの発光で、これもビ
ーム照射と同時に次第に増加し、ピークに達してから、
326 nm よりも早く減衰していく。ピークに達するまで
の照射量を比較すると、いずれの発光もクラスターサ
イズが大きくなるほど少ない照射量で最大発光量に達
する。
Fig. 1 は F + 中心 rd の発光量についてクラスターイオ
ンサイズの依存性を調べたものである。発光量には時
間依存性があるので、本実験では発光量が最大に達する
点での発光収量を比較することにした。0.5 MeV/atom
C 1 + イオン照射下の F + 中心の発光収量を 1 として、
0.5 MeV/atom クラスターイオンの発光収量に対する比
を図に示した。図から発光量の比はクラスターサイズ
に比例して増加しており、その比例係数は約 0.9 であっ
た。クラスターサイズに対応して線形的に増加した場
合、比例係数は 1 なので、この場合はサブリニアな関
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係になっている。つまり F + 中心を形成する照射欠陥は
クラスターサイズに比例して増加するが、クラスター
の個数倍よりは若干少ない量で最大値に達する。
クラスター効果を記述する量として、n 個のクラスタ
ーイオンの反応収量 I n を 1 個当たりの反応収量を n 倍
したものとの比をとったもの(I n= I(n) / nI(1))がよく使
われる。例えば阻止能(S = -dE/dx)では R n= S(n) / nS(1)
と表される。
図中の Theory というのはクラスターを一つの融合
した原子と考えて阻止能の R n を計算したもので、標的
の種類に依存せず入射クラスターの種類と速度にのみ
依存する。図には nR n の値を図示した。図から分かる
ように阻止能の理論値は 0.5 MeV/atom エネルギーで
はサブリニアな関係を示し、クラスターサイズに対し
線形的な依存性にはない。実際のクラスターの阻止能
は融合した原子の阻止能と線形的な阻止能との間にあ
るので、実験値に近い値となり、照射損傷による発光
と阻止能とは良い相関があると示唆される。
Emission Intensity (a.u.)
10
8
6
4
2
0.5MeV/atom
Theory(0.5MeV/atom)
Linear relation
0
0 2 4 6 8 10
Carbon cluster size Cn
Fig. 1 The ratios of yields of luminescence from sapphire
target bombarded by 0.5 MeV/atom C 1 + ~ C8 + projectiles.
The yield of luminescence from F + center of sapphire
target irradiated by 0.5 MeV/atom C 1 + ion is unity.
Reference
1) Y. Aoki et al., Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. B 114
(1996) 276.