2018 Fiscal Year Research-status Report

Development of Rad-Hard High Power Solid State Amlifiers

Research Project

Project/Area Number	18K11930
Research Institution	High Energy Accelerator Research Organization
Principal Investigator	大森千広大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 加速器研究施設, 教授 (50213872)
Project Period (FY)	2018-04-01 – 2021-03-31
Keywords	加速器 / 放射線損傷 / 半導体 / CERN / J-PARC / シングルイベント
Outline of Annual Research Achievements	本研究の目的は放射線レベルの高い加速器トンネル内で使用できる高出力の半導体アンプの開発である。これまでに開発してきた放射線の影響を補償する回路を導入し、半導体に使われているMOSFETの特性の変化をゲート電圧を調整することで、で半導体アンプを安定化してきた。2018年度は、スイス・CERNの放射線照射施設CHARM (CERN High energy AcceleRator Mixed field facility)を使用し、約2kGyの照射をおこなった。この照射施設では28GeVの陽子を標的に当て、発生する荷電粒子やガンマ線のほか中性子も照射され、実際の加速器内の環境を模擬している。また、国内の量研機構高崎研究所のコバルト60照射施設も利用し、約9kGyを照射した。我々が主眼をおいて開発してきたVDMOS(Vertical Double diffused Metal Oxide Semiconductor)と呼ばれるタイプのMOSFETでは両施設とも変動の少ない良好な結果が得られている。一方LDMOS(Laterally Diffused MOS)と呼ばれるタイプはCHARM施設の試験では不安定になり、後日スイスPSI研究所の試験によりシングルイベントと呼ばれる中性子などによる効果であることが確認された。これらの結果はIEEE Transactions on Nuclear Scienceに3月に投稿済みである。また、現在J-PARCの加速器を使い中性子などハドロン粒子を含んだ環境で10kGyを照射する試験が進行している。この試験ではVDMOSタイプのMOSFETを使った2台の半導体アンプを試験している。この結果は、本年9月のRADECS国際会議で発表する予定である。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 1: Research has progressed more than it was originally planned. Reason CERNでの照射試験により、我々が主に使用しているVDMOSタイプのMOSFETは少なくとも2kGyの放射線レベルでは故障せず、アンプの増幅利得などもほぼ劣化しないことがわかった。これにより、再来年から運用を開始する予定のCERNのブースター加速器に使用する半導体アンプは放射線に対しては約100年に相当する寿命を確保することができたことになる。また、これまでの実験結果は学術雑誌に投稿することができている。また、2019年度の予算の一部を利用することで、本年2月からJ-PARCでも更なる高レベルの耐放射線性を確認するための試験を開始することができた。
Strategy for Future Research Activity	現在進行中のJ-PARCでの照射試験は6月末に終了し、約10kGyが照射できる予定である。この試験の目的はより高い照射線量での試験を行うことの他に、2台の個体差も同時に確認することが目的である。場所による線量の違いや半導体の特性のばらつきなどを見ることにより、将来複数台を組み合わせて高出力アンプを作った際に重要なデータとなる。この結果を踏まえ、量研機構高崎研究所において30kGyを目指した照射試験を検討している。一方で、米国の加速器研究者からGaN（窒化ガリウム）のMOSFETの試験も提案されている。これらを用いた半導体アンプの開発は更なる発展の可能性があるため、国内外の照射施設を用いて試験したいと考えている。
Causes of Carryover	2018年度におこなったスイスCERNと量研機構高崎研究所での試験においてVDMOSを用いた半導体アンプで良好な結果が得られたため、より高い線量かつ高出力での試験を2019年2月からJ-PARCでおこなうため、加速器の運転計画に合わせ次年度予算を使い試験装置を準備したためである。これにより、本研究の進捗を早めることができている。