【公開日：2024.07.25】【最終更新日：2024.04.11】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

23KT0045

利用課題名 / Title

ヘリウム・水素プラズマ逐次照射によるタングステンの内部水素吸蔵の表面構造依存性

利用した実施機関 / Support Institute

京都大学 / Kyoto Univ.

機関外・機関内の利用 / External or Internal Use

外部利用/External Use

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）次世代ナノスケールマテリアル/Next-generation nanoscale materials（副 / Sub）-

キーワード / Keywords

電子顕微鏡/ Electronic microscope,電子分光/ Electron spectroscopy,ナノワイヤー・ナノファイバー/ Nanowire/nanofiber

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)

皇甫 度均

所属名 / Affiliation

筑波大学 数理物質系物理学域

共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes

ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes

治田　充貴

利用形態 / Support Type

（主 / Main）技術代行/Technology Substitution（副 / Sub）,技術代行/Technology Substitution

利用した主な設備 / Equipment Used in This Project

KT-403：モノクロメータ搭載低加速原子分解能分析電子顕微鏡

報告書データ / Report

概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)

核融合発電炉の最も有力な方式であるトカマク炉のダイバータ領域にはコアから漏れ出る燃料及び生成物であるヘリウム(He)プラズマを炉壁へ直接接触、中性化させる方式で排気を行っているが、必然的に炉壁には多大な粒子・熱負荷が印加される。それに耐えるべく、炉壁には最も高い融点を有する金属材であるタングステン(W)が有力候補材として使われているが、数十eV程度のHeイオンの入射により表面に数十nm太さの繊維状ナノ構造が形成されることが知られている。ナノ構造は炉材の機械的、熱的物性を大きく変えるとともに、燃料である水素同位体の炉材吸蔵特性も変化させ、安定な定常運転へ予期せぬ影響を与える可能性が指摘される。従って、ナノ構造繊維内の重水素(D)の吸蔵を直接観察し、ナノ構造発達による水素同位体吸蔵特性の変化への知見を得ることを目的に走査透過型電子顕微鏡と電子エネルギー損失分光法(STEM-EELS)を用いて実験を行った。

実験 / Experimental

本測定で用いた試料は、ALLIANCE Biosystems社製のTEM用Mo grid 200 mesh上にNilaco社製の直径0.03 mmのWワイヤーをスポット溶接したものである。この試料に対して筑波大学にある小型プラズマ生成装置APSEDASでHeプラズマ照射を行うことでナノ構造層を生成させた。また、ナノ構造生成後に同試料にDプラズマ照射を逐次行った。この試料を京都大学にあるSTEM-EELS装置に搬送し、観察及びD、Heの元素分析を行った。

結果と考察 / Results and Discussion

図1はWワイヤーに形成したナノ構造を横方向から見た断面TEM図である。電子ビームをWワイヤーの側面を掠るように照射することで、イオンビーム加工をせずに温存された形のナノ構造の観察を可能とした。図２はナノ構造の単一繊維を拡大したTEM像である。繊維内部に多くの空洞が観察される。これは繊維内の凝集したHeがナノバブルを形成したことに起因する。また、50 nm×100 nm程度まで拡大した像に対してEELS測定を行い、電子エネルギー損失スペクトルを得た。このスペクトルの解析により、Heバブルの中心、もしくは周囲にD原子が存在していることを確認した。

図・表・数式 / Figures, Tables and Equations

図１　W試料表面に生成されたナノ構造のTEM像。ナノ構造層が約2 μm程度の厚みを持っていることがわかる。

図２　単一ナノ構造を拡大したTEM像。内部に多くのHeバブルを確認した。

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.

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