【公開日：2023.07.28】【最終更新日：2023.05.14】
課題データ / Project Data
課題番号 / Project Issue Number
22HK0055
利用課題名 / Title
プラズマ照射処理等を施した各種材料の物性評価
利用した実施機関 / Support Institute
北海道大学
機関外・機関内の利用 / External or Internal Use
内部利用（ARIM事業参画者以外）/Internal Use (by non ARIM members)
技術領域 / Technology Area
【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）計測・分析/Advanced Characterization（副 / Sub）-
【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）量子・電子制御により革新的な機能を発現するマテリアル/Materials using quantum and electronic control to perform innovative functions（副 / Sub）-
キーワード / Keywords
電子顕微鏡/Electron microscopy,電子分光,表面・界面・粒界制御/ Surface/interface/grain boundary control
利用者と利用形態 / User and Support Type
利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)
Yamauchi Yuji
所属名 / Affiliation
北海道大学大学院工学研究院 応用量子科学部門
共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes
越崎直人,西尾謙臣,吉澤碧維,千石海斗,光田太一,川崎祐奈
ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes
鈴木啓太,原田真吾
利用形態 / Support Type
（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）-
利用した主な設備 / Equipment Used in This Project
HK-302：電界放出形走査電子顕微鏡
HK-202：オージェ電子分光装置
報告書データ / Report
概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)
プラズマ照射処理などを金属などの各種材料に施し、ガス滞留挙動などの物性を評価し、表面形状、表面組成との相関について検討する。
本稿では一例として「短期間で再利用可能な核融合炉用バナジウム合金の重水素透過特性」に関する成果について述べる。本研究では不純物濃度や組成の異なる試料に対し新型バナジウム(V)合金の重水素透過(D)挙動を調査した。
実験 / Experimental
製作した実験装置は、真空チャンバー内に設置した試料を加熱し、ガスの透過速度を定量する機構を有する。高温領域加熱のためにVCR®︎メタル・ガスケット式面シール継手を用いて試料を配管内に固定し、所定の実験温度まで加熱した。
試料として、厚さ0.25 ㎜、直径11.5 ㎜の円板状の旧型V合金NIFS-HEAT-2(NH2)および不純物が少ない新型V合金L44, H44を用いた。前処理として硫酸-メタノール溶液を用いた電解研磨、焼なまし(真空中脱ガス: 1273 K, 1 h)を行った。前処理の後、D透過実験を行った。透過実験時の温度を673 K, 773 K, 873 K, 973 Kとした。その後、上流側にDガスを定常圧力(5000 Pa)まで導入し、下流部に透過したD透過速度を四重極質量分析計により評価した。試料表面状態および内部状態変化の影響を調べるため、昇温時(673 K→973 K)と降温時(973 K→673 K)のD透過速度を評価した。また、温度変化および試料表面状態の透過挙動への影響を検討するため、表面・内部状態を調査した。上記実験とは別に脱ガス前・後試料を用意し、オージェ電子分光法(AES；HK-202)にて試料組成や分布を調査した。
結果と考察 / Results and Discussion
不純物濃度が異なる3つの試料を使用した透過実験により、透過係数はNH2≈H44>L44となった。また、タイムラグ法[2]より算出した拡散係数は、NH2>H44>L44となり、過去にロシアで作製されたV合金(V-4Cr-4Ti)と近い値をとることがわかった 。さらにこれらより、見かけの透過の活性化エネルギーとタイムラグ法より算出した見かけの拡散の活性化エネルギーを得た。
AESによって取得した断面画像より、真空中脱ガスが原因と思われるバルク中のチタン(Ti)析出が確認され、Ti(C,N,O)化合物として存在することがわかった。また、Ti化合物は結晶粒界に存在し、帯状の集合が見られた。
先行研究との比較を(1)昇温、(2)降温時に分けて考察する。(1)昇温時は、焼なまし試料との比較より、全ての試料が真空中脱ガスによって生じた表面Ti酸化物の影響を受けることがわかった。(2)降温時は、焼なまし試料および 機械研磨のみ試料との比較より、L44試料のみが表面Ti酸化物の影響を受けることがわかった。一方でNH2, H44試料は清浄な表面であり、表面酸化物の影響をほとんど受けないことがわかった。
これら昇温・降温時の挙動と、L44試料のみが他二つに比べて酸素組成比が大きいことより、不純物量変更による透過特性変化は、表面およびバルク中のTi酸化物の影響を受ける。これには試料中の酸素組成比が影響すると考えられる。
透過の律速過程に着目すると、昇温時は全ての試料が焼なまし試料(表面反応律速)と近い傾きをとり、降温時はNH2, H44試料が拡散律速と近い傾きをとることから、温度上昇に伴いTi酸化物の還元が進んだことで律速過程が変化することがわかった。これは見かけの透過・拡散の活性化エネルギーが、昇温時よりも降温時の方が小さいことからもわかる。
真空中脱ガスでバルク中へのTi析出が見られることおよびTi酸化物のトラップ効果を考慮する必要があることが指摘されていることから、透過特性が表面のみならずバルク中のTi化合物の影響を受けたと考えられる。
図・表・数式 / Figures, Tables and Equations
その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)
成果発表・成果利用 / Publication and Patents
論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.
- 西尾謙臣、山内有二、富岡智、松本裕、東直樹、"カビ様臭原因物質2,4,6-Trichloroanisoleの大気圧プラズマ照射による除去"、プラズマ・核融合学会 第39回年会、令和4年11月
- 吉澤碧維、山内有二、長坂琢也、富岡智、松本裕、東直樹、"短期間で再利用可能な核融合炉用バナジウム合金の重水素透過特性"、プラズマ・核融合学会 第39回年会、令和4年11月
特許 / Patents
特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件