作成： 2000/11/21 森田 洋右
データ番号 ：010208
高分子材料の高エネルギーイオン照射効果
目的 ：高分子材料の数十MeV以上の高エネルギーイオンによる照射効果を主に機械的特性や光学特性などのマクロな物性の変化から評価
放射線の種別 ：電子,陽子,軽イオン,重イオン
放射線源 ：AVFサイクロトロンビームライン(k値110)
線量（率） ：プロトン 500nA、他のイオン 50-100nA
利用施設名 ：日本原子力研究所、高崎研究所、AVFサイクロトロン
照射条件 ：真空中、室温
応用分野 ：宇宙用高分子材料の評価、イオン照射効果の評価
概要 ：
高分子材料のイオン照射効果をプロトン〜炭素イオン、さらに重イオンの照射を芳香族系高分子フィルムなどに行い、機械特性や光学特性の変化から評価した。材料の吸収線量で評価すると電子線照射や各イオン照射効果はほぼ同じであるが、光学特性ではイオン照射によるLET効果が認められた。
詳細説明 ：
高分子材料にイオンを照射すると、通常、イオンのエネルギーが数eV程度の場合は材料表面に付着・堆積して、薄膜が生成される。数100eVになると、材料表面をスパッタして削り取り、エッチング加工や材料表面の清浄化に使用される。数keV〜MeVでは材料内にイオンが進入して止まる、いわゆるイオンドーピング(イオン注入)として利用できる。数MeV〜数百MeVでは、薄いフィルム材料ではイオンが材料を貫通し、照射後エッチングによるイオン穿孔("イオンビーム照射による有機多孔膜材料の創製"参照)や高分子材料のイオン照射効果の研究などに利用されている。
ここでは、高分子フィルムを貫通するような高エネルギーイオンを照射したときの高分子材料のマクロな物性の変化、例えば、機械的特性や光学特性の変化について解説する。このような高分子材料のイオン照射効果は、高分子材料をイオンで加工する場合にどの程度で材料が劣化するか、また、より実際的には宇宙用高分子材料の劣化評価などにおいて必要とされている。これは宇宙では、紫外線や原子状酸素(低軌道衛星：高度数100km)とともに、宇宙線である電子線や陽子線(プロトン)、また、炭素イオンや鉄イオンなどが存在する環境であり、人工衛星の外側全体を包んでいる金属蒸着高分子膜(熱制御材と呼ばれている)や種々の有機系接着剤の耐イオン照射特性が重要となっている。
高分子のイオン照射効果を調べる場合、照射するイオンのエネルギーと試料の厚さが重要である。これは、フィルム試料内でイオンが停止するようなエネルギーで照射すると、試料の厚み方向に不均一な物性の変化を起こし、マクロな物性測定では照射効果の評価が難しくなるためである。このため、高分子フィルムやシート試料を貫通するような高エネルギーイオンを使用し、試料全体に照射して材料に均一な照射効果を与える。図1に高分子フィルムやシート試料のイオン照射装置の1例を示す。
図1 Schematic draws of ion irradiation chamber (a) and sample holder module for irradiation at ambient temperature (b) （原論文1より引用。 Reprinted from Polymer,Volume 40 (1999), pp.5095-5102, T.Sasuga, H.Kudoh and T.Seguchi,High energy ion irradiation effects on polymer materials-Changes in mechanical properties of PE,PSF and PES , with permission from Elsevier Science.）
この図でA〜Gはそれぞれ、A:真空容器、B:照射容器、C:金属箔膜、D:試料支持台基礎、E:ビームシャッター、F:ビームトリマー、G:ファラデーカップである。
表1にプロトン、ヘリウムイオンや炭素イオンのエネルギーとイオンの各高分子材料中での阻止能(Stopping power,または、LET（linear energy transfer))、飛程(Range)を示す。阻止能と飛程はTRIMコード(参考資料1)から求められる。
表1 Mass stopping power and penetration range of ions for polymers（原論文1より引用。 Reprinted from Polymer,Volume 40 (1999), pp.5095-5102, T.Sasuga, H.Kudoh and T.Seguchi,High energy ion irradiation effects on polymer materials-Changes in mechanical properties of PE,PSF and PES , with permission from Elsevier Science.）
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Materials Ions and energy Stopping power(Me∨cm2g‐1) Range(mm)
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Polyethylene(PE) H+10MeV 49.5 1.16
Poly (aryl ether sulphone)(PES) H+l0MeV 42.1 0.97
H+20MeV 24.19 3.34
He2+50MeV 141.1 1.45
C5+220MeV 927.0 0.98
Bis‐phenol A based poly (aryl H+l0MeV 43.6 1.03
sulphone)(PSF) H+20MeV 24.83 5.59
He2+20MeV 306.0 0.30
C5+220MeV 957.0 1.05
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高分子材料のイオン照射効果では、イオンの個数を電流で計った値とその時の阻止能の積を求め、これを照射された材料の吸収線量とする。吸収線量を用いると、γ線、電子線、イオン照射効果の比較を行うことができる。図2にポリアリルサルフォン(PSF)フィルムに対する吸収線量と材料の機械的性質(伸びと強度)の変化を示す。
図2 Changes in tensile parameters of PSF as a function of dose, (a),(b);(○)10MeV proton, (△)20MeV proton, (●)2Mev electron, (c),(d);(○)220MeV C5+, (●)20MeV He2+, (---)10MeV proton（原論文1より引用。 Reprinted from Polymer,Volume 40 (1999), pp.5095-5102, T.Sasuga, H.Kudoh and T.Seguchi,High energy ion irradiation effects on polymer materials-Changes in mechanical properties of PE,PSF and PES , with permission from Elsevier Science.）
ポリエチレンのような直鎖状高分子ではプロトンと電子線照射の違いはあまり認められないが、芳香族高分子であるPSFでは炭素イオン照射とプロトン照射で機械的特性の変化に違いが認められようになる。すなわち、大きく見ると、吸収線量で比較した場合、高分子材料の照射効果はγ線、電子線、炭素イオン程度までのイオン照射効果は、機械特性の変化ではほぼ同じである、しかし、細かく見ると、芳香族高分子などではイオン種による阻止能の違い(LET効果)が認められる。
機械特性よりも、より分子の反応状態をミクロに反映する光学特性の変化を図3に示す。
図3 The sensitivity of CTA(the ratio of observed stopping power to the calculated stopping power) and the sensitivity of PMMA(the ratio of the G(scission)-value of the radiation of interest to the G(scission)-value for gannma-rays) as a function of the calculated stopping power(by TRIM code):（原論文2より引用。 Reprinted from Polymer,Volume 37, Number 14 (1996), pp.2903-2908,.H.Kudoh, T.Sasuga, and T.Seguchi
High-energy-ion-irradiation effects on polymer materials:3. The sensitivity of cellulose triacetate and poly(methyl-methacrylate) with permission from Elsevier Science.
(+) PMMA. The other symbols are for CTA:(□)H+(45MeV),(■)H+(30Mev), (●)H+(20Mev), (○)H+(10MeV), (×)D+(10MeV), (◇)He2+(50MeV), (◆)He2+(20MeV), (▲)C5+(220MeV), (▽)O6+(160MeV), (△)O5+(100MeV), (▼)Ar11+(330MeV) ）
イオンの照射量を規格化してイオンの阻止能による違いで比較すると、CTAフィルム線量計の光吸収では阻止能が200MeVcm2/gあたりから光吸収感度が低下する。すなわち、あるしきい値以上でLET効果が現れる。これは、重いイオンの照射では高分子中のイオンの飛跡に沿って、非常に狭い範囲に密な光吸収官能基が生成していることを示し、γ線、電子線、プロトン照射など小さな阻止能を持った放射線照射では、試料全体に薄く官能基が生成していると考えられる。しかし、このようなミクロなイオン照射効果の実体はあまり明らかになっていない。
コメント ：
イオン照射を高分子材料に利用するには、よりミクロな照射効果を知る必要があると思われる。
原論文１ Data source 1：
High energy ion irradiation effects on polymer materials-Changes in mechanical properties of PE,PSF and PES
T.Sasuga, H.Kudoh and T.Seguchi
Taksaki Establishment, Japan Atomic Energy Research Institute
Polymer,Volume 40 (1999), pp.5095-5102
原論文２ Data source 2：
High-energy-ion-irradiation effects on polymer materials:3. The sensitivity of cellulose triacetate and poly(methyl-methacrylate)
H.Kudoh, T.Sasuga, and T.Seguchi
Taksaki Establishment, Japan Atomic Energy Research Institute
Polymer,Volume 37, Number 14 (1996), pp.2903-2908
参考資料１ Reference 1：
The stopping and range of ions in solids
J.F.Ziegler, J.P.Biersack and U.Littmark
The TRIM code used is version 1995. Pergamon press, New York(1985).
キーワード：イオン照射効果、高エネルギーイオン、機械的特性、光学的特性、宇宙用高分子材料、阻止能、芳香族高分子、LET効果
ion-beam irradiation effect, high energy ion, mechanical property, optical property, polymer materials for space use, stopping power, aromatic polymer, LET effect
分類コード：010101