Super high resolution imaging of high energy ion track on diamond

• Project/Area Number: 26420877
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Research Field: Nuclear engineering
• Research Institution: National Institutes for Quantum and Radiological Science and Technology (2016); Japan Atomic Energy Agency (2014-2015)
• Principal Investigator: Onoda Shinobu 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 高崎量子応用研究所 先端機能材料研究部, 主幹研究員(定常) (30414569)
• Co-Investigator(Renkei-kenkyūsha): TERAJI Tokuyuki 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 光・電子材料ユニット, 主任研究員 (50332747)
• Research Collaborator: HARUYAMA Moriyoshi ; TATSUMI Kazumasa
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2017-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2016)
• Budget Amount: ¥4,940,000 (Direct Cost: ¥3,800,000、Indirect Cost: ¥1,140,000); Fiscal Year 2016: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000); Fiscal Year 2015: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2014: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
• Keywords: NVセンター / イオン飛跡検出器 / ダイヤモンド

Outline of Final Research Achievements

We examined whether diamond can be used as fluorescence nuclear track detector (FNTD). The measurement principle is as follows. When diamond is irradiated with heavy ions, vacancies are created. After high temperature annealing, vacancies combine with nitrogen impurities, and nitrogen-vacancies (NV) centers are created. Since just one NV center can be detected, the high-resolution image of the ion track is observed. From the experimental results, it was found that the most suitable conditions for observing the ion track is following; the nitrogen impurities should be ranging from several tens to several hundreds ppb, and the annealing temperature and time are needed to be high (1200 degree centigrade) and short (10 minutes). Successful observation of tracks with resolution exceeding the diffraction limit using Stimulated emission depletion (STED) microscopy. We concluded that the diamond can be utilized for super high sensitive FNTD.

Research Products

• [Int'l Joint Research] Ulm University/Max Planck Institute(ドイツ)
• [Journal Article] ダイヤモンドを母材とした蛍光飛跡検出器開発 (2016)
  • Author(s): 春山盛善、小野田忍、加田渉、寺地徳之、磯谷順一、大島武、花泉修
  • Journal Title: 放射線 Volume: 42 Pages: 91-96
  • Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] New application of NV centers in CVD diamonds as a fluorescent nuclear track detector (2015)
  • Author(s): Shinobu Onoda, Moriyoshi Haruyama, Tokuyuki Teraji, Junichi Isoya, Wataru Kada, Osamu Hanaizumi, Takeshi Ohshima
  • Journal Title: Physica Status Solidi A Volume: 212 Issue: 11 Pages: 2641-2644
  • DOI: 10.1002/pssa.201532219
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] Optimization of annealing temperature and time for creation of (2017)
  • Author(s): Shinobu Onoda、Kazumasa Tatsumi、Moriyoshi Haruyama、Tokuyuki Teraji、Junichi Isoya、Hayate Yamano、Hiroshi Kawarada、Wataru Kada、Osamu Hanaizumi、Takeshi Ohshima
  • Organizer: 11th Conference on New Diamond and Nano Carbons
  • Place of Presentation: Cairns(Australia)
  • Year and Date: 2017-05-28
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] イオン注入による原子空孔の形成とNVセンターへの変換効率 (2017)
  • Author(s): 小野田忍、立見和雅、春山盛善、寺地徳之、磯谷順一、山田圭介、谷井孝至、川原田洋、品田高宏、加田渉、花泉修、大島武
  • Organizer: 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（神奈川県、横浜市）
  • Year and Date: 2017-03-14
• [Presentation] ダイヤモンド蛍光飛跡検出器におけるNVセンター形成効率の窒素濃度依存性 (2017)
  • Author(s): 立見和雅、春山盛善、小野田忍、寺地徳之、磯谷順一、加田渉、大島武、花泉修
  • Organizer: 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（神奈川県、横浜市）
  • Year and Date: 2017-03-14
• [Presentation] Diffusion of vacancies created by high energy heavy ion strike into diamond (2017)
  • Author(s): Shinobu Onoda、Kazumasa Tatsumi、Moriyoshi Haruyama、Tokuyuki Teraji、Junichi Isoya、Wataru Kada、Takeshi Ohshima、Osamu Hanaizumi
  • Organizer: Hasselt Diamond Workshop 2017 - SBDD XXII
  • Place of Presentation: Hasselt (Belgium)
  • Year and Date: 2017-03-08
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ダイヤモンド中における単一電子スピンの光検出磁気共鳴測定 (2017)
  • Author(s): 小野田忍
  • Organizer: 先端放射線化学シンポジウム
  • Place of Presentation: 大阪大学産業技術研究所（大阪府、豊中市）
• [Presentation] Dependence of Annealing Conditions on Creation Efficiency of NV Center in Single Crystalline Diamond (2016)
  • Author(s): Kazumasa Tatsumi、Moriyoshi Haruyama、Yoshinori Suda、Shinobu Onoda、Tokuyuki Teraji、Junichi Isoya、Wataru Kada、Takeshi Ohshima、Osamu Hanaizumi
  • Organizer: 12th International Workshop on Ionizing Radiation Monitoring
  • Place of Presentation: テクノル・コンベンションセンター（茨城県、大洗町）
  • Year and Date: 2016-12-03
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ミリ秒を超えるコヒーレンス時間を実現するための熱処理条件の最適化 (2016)
  • Author(s): 小野田忍、立見和雅、春山盛善、寺地徳之、磯谷順一、山野颯、川原田洋、加田渉、花泉修、 大島武
  • Organizer: 第３０回 ダイヤモンドシンポジウム
  • Place of Presentation: 東京大学駒場リサーチキャンパス（東京都、目黒区）
  • Year and Date: 2016-11-16
• [Presentation] プロトンビームライティングによるSiC 中へのシリコン空孔の形成 (2016)
  • Author(s): 本多智也、Kraus Hannes、加田渉、小野田忍、春山盛善、佐藤隆博、江夏昌志、神谷富裕、川端駿介、三浦健太、花泉修、土方泰斗、大島武
  • Organizer: 先進パワー半導体分科会 第３回講演会
  • Place of Presentation: つくば国際会議場（茨城県、つくば市）
  • Year and Date: 2016-11-08
• [Presentation] イオン飛跡に沿って形成されるNVセンターのスピン特性 (2016)
  • Author(s): 小野田忍、立見和雅、春山盛善、寺地徳之、磯谷順一、山野颯、川原田洋、加田渉、花泉修、大島武
  • Organizer: 第77回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 朱鷺メッセ（新潟県、新潟市）
  • Year and Date: 2016-09-13
• [Presentation] ダイヤモンドに入射した高エネルギー重イオンの飛跡検出 (2016)
  • Author(s): 佐藤真一郎, 春山盛善, 小野田忍, 寺地徳之, 磯谷順一, 加田渉, 大島武, 花泉修
  • Organizer: 物理学会第71回年次大会
  • Place of Presentation: 東北学院大学泉キャンパス（宮城・仙台）
  • Year and Date: 2016-03-19
• [Presentation] 量子ビームを活用したダイヤモンド中のカラーセンター形成技術の現状 (2016)
  • Author(s): 小野田忍, 春山盛善, 寺地徳之, 磯谷順一, 小池悟大, 東又格, 稲葉優文, 山野楓, 加藤かなみ, Christoph Mumller, Liam McGuinness, Priyadharshini Balasubramanian, Boris Naydenov, Fedor Jelezko, 佐藤真一郎, 大島武, 加田渉, 花泉修, 谷井孝至, 川原田洋
  • Organizer: 物理学会第71回年次大会
  • Place of Presentation: 東北学院大学泉キャンパス（宮城・仙台）
  • Year and Date: 2016-03-19
  • Invited
• [Presentation] NV センターの形成効率の熱処理温度依存性 (2016)
  • Author(s): 春山盛善, 小野田忍, 立見和雅, 寺地徳之, 磯谷順一, 加田渉, 大島武, 花泉修
  • Organizer: 第63回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 東京工業大学大岡山キャンパス(東京・目黒区）
  • Year and Date: 2016-03-19
• [Presentation] ダイヤモンド蛍光飛跡検出器のイオン種依存性 (2016)
  • Author(s): 立見和雅, 春山盛善, 小野田忍, 寺地徳之, 磯谷順一, 加田渉, 大島武, 花泉修
  • Organizer: 第63回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 東京工業大学大岡山キャンパス(東京・目黒区）
  • Year and Date: 2016-03-19
• [Presentation] Evaluation of Annealing Dependencies of Creation Efficiency of Nitrogen-Vacancy (NV) Centers in Single-Crystalline Diamond (2016)
  • Author(s): Yoshinori Suda、Kazumasa Tatsumi、Moriyoshi Haruyama、Shinobu Onoda、Tokuyuki Teraji、Junichi Isoya、Wataru Kada、Takeshi Ohshima、Osamu Hanaizumi
  • Organizer: 3rd International Symposium of Gunma University Medical Innovation and 8th International Conference on Advanced Micro-Device Engineering, Gunma University Medical Innovation
  • Place of Presentation: Kiryu City Performing Arts Center （群馬県、桐生市）
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] keV からサブGeV のイオン注入を用いて形成したNV センターの特性評価 (2015)
  • Author(s): 小野田忍, 春山盛善, 寺地徳之, 磯谷順一, C. Mumller, L. McGuinness, P. Balasubramanian, B. Naydenov, F. Jelezko, 小池悟大, 東又格, 稲葉優文, 大島武, 加田渉, 花泉修, 谷井孝至, 川原田洋
  • Organizer: 第29回ダイヤモンドシンポジウム
  • Place of Presentation: 東京理科大学葛飾キャンパス（東京・葛飾区）
  • Year and Date: 2015-11-17
• [Presentation] NV Centers in Diamond Used for Detection of Single Ion Track (2015)
  • Author(s): Moriyoshi Haruyama, Shinobu Onoda, Wataru Kada, Tokuyuki Teraji, Junichi Isoya, Takeshi Ohshima, Osamu Hanaizumi
  • Organizer: The 11th International Workshop on Radiation Effects on Semiconductor Devices for Space Applications (11th RASEDA)
  • Place of Presentation: City Performing Arts Center (Gunma・Kiryu)
  • Year and Date: 2015-11-11
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 重イオン照射を用いたNVセンター形成条件の最適化 (2015)
  • Author(s): 春山盛善, 小野田忍, 寺地徳之, 磯谷順一, 加田渉, 大島武, 花泉修
  • Organizer: 第76回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 名古屋国際会議場（愛知・名古屋）
  • Year and Date: 2015-09-13
• [Presentation] NV center utilized as a tool for radiation sensors (2015)
  • Author(s): Shinobu Onoda, Moriyoshi Haruyama, Tokuyuki Teraji, Junichi Isoya, Wataru Kada, Osamu Hanaizumi, Takeshi Ohshima
  • Organizer: Diamond Quantum Sensing Workshop
  • Place of Presentation: Kagawa International Conference Hall (Kagawa・Takamatsu)
  • Year and Date: 2015-08-05
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ダイヤモンド中のNVセンターを利用した高エネルギー重イオン飛跡検出の原理実証 (2015)
  • Author(s): 春山盛善、小野田忍、寺地徳之、磯谷順一、加田渉、大島武、花泉修
  • Organizer: 第29回 固体飛跡検出器研究会
  • Place of Presentation: 日本、福井県、敦賀市、福井大学附属国際原子力工学研究所（敦賀キャンパス）
  • Year and Date: 2015-03-30
• [Presentation] CVD合成ダイヤモンドを用いた高エネルギー重イオン飛跡の検出 (2015)
  • Author(s): 春山盛善、小野田忍、寺地徳之、磯谷順一、加田渉、大島武、花泉修
  • Organizer: 第62回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 日本、神奈川県、平塚市、東海大学湘南キャンパス
  • Year and Date: 2015-03-11 – 2015-03-14
• [Presentation] New Application of NV Centers in CVD Diamonds as a Fluorescent Nuclear Track Detector (2015)
  • Author(s): Moriyoshi Haruyama, Shinobu Onoda, Tokuyuki Teraji, Junichi Isoya, Wataru Kada, Osamu Hanaizumi, Takeshi Ohshima
  • Organizer: Hasselt Diamond workshop 2015 - SBDD XX
  • Place of Presentation: Belgium, Hasselt, Cultureel centrum Hasselt
  • Year and Date: 2015-02-25 – 2015-02-27
• [Presentation] Optically Detected Particle Track in High Purity Diamond (2014)
  • Author(s): Shinobu Onoda, Moriyoshi Haruyama, Wataru Kada, Osamu Hanaizumi, Takeshi Ohshima
  • Organizer: the 2014 Conference on Optoelectronic and Microelectronic Materials and Devices (COMMAD)
  • Place of Presentation: Australia, Western Australia, Perth, The University Western Australia
  • Year and Date: 2014-12-14 – 2014-12-17
• [Presentation] イオンビームや電子線を活用した NVセンターの形成技術 (2014)
  • Author(s): 小野田忍
  • Organizer: 第57回 自動制御連合講演会
  • Place of Presentation: 日本、群馬県、渋川市、伊香保 ホテル天坊
  • Year and Date: 2014-11-10 – 2014-11-12
• [Presentation] 高エネルギー重イオン照射により形成されたダイヤモンド中のイオン飛跡の検出 (2014)
  • Author(s): 春山盛善、小野田忍、磯谷順一、加田渉、花泉修、大島武
  • Organizer: 第75回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 日本、北海道、札幌市、北海道大学札幌キャンパス
  • Year and Date: 2014-09-17 – 2014-09-20
• [Presentation] Visualization of Ion Track Using Nitrogen Vacancy Color Centers in Diamond (2014)
  • Author(s): Shinobu Onoda, Takeshi Ohshima, Tokuyuki Teraji, Fedor Jelezko, Junichi Isoya, Hisayoshi Itoh
  • Organizer: International Union of Materials Research Societies The IUMRS International Conference in Asia 2014
  • Place of Presentation: Japan, Fukuoka, Fuoka, Fukuoka University
  • Year and Date: 2014-08-24 – 2014-08-30
• [Presentation] イオン打ち込みによるNVセンター制御 (2014)
  • Author(s): 小野田忍
  • Organizer: ダイヤモンドフォーラム 平成26年度第一回研究会
  • Place of Presentation: 日本、東京、目黒区、東京工業大学大岡山キャンパス石川台3号館
  • Year and Date: 2014-06-25
  • Invited