理学部 物理学科 表面物理学教室
Surface Physics Laboratory
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■ 概要
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ステンレス薄板を透過する水素の電子衝撃脱離法による観察
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金属中の水素の挙動は水素脆化，水素貯蔵，水素透過，核融合の観点から重大な関心が持たれている．本研究室では金属中での水素透過特性を調べるため、ステンレス薄板の片側を重水素雰囲気に曝露し反対側表面上に拡散透過した重水素を走査電子線による電子衝撃脱離イオン像として観察している。今年度，ステンレス薄板を透過し表面に出現する水素濃度の時間変化を気相における水素分圧と共に測定した．表面水素濃度はガス導入直後より増加し，水素透過が確認できるが，気相への脱離は水素原子同士の再結合過程を含む2次の脱離であるため低水素濃度では脱離が起こりにくく遅延を伴うことが分かる．
また，イオン像1枚の撮影時間は400秒であるが検出されたイオン数は極端に少なく試料の結晶構造との関連付けが困難である。イオンの捕集効率を上げるため捕集用静電レンズの最適化シミュレーション、レンズ系付試料台の設計・製作および検出器の開口面積を広げる改良を行った。その結果検出イオン数は2桁増加し、湧出サイトの可視化が期待できる。
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ゲータイト(FeOOH)劈開面へのセシウム(Cs)吸着の研究
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重金属による土壌汚染は人体への悪影響から幅広く研究されているが，土壌物質表面における重金属の吸着機構の理解は汚染土壌の浄化のための基礎研究として重要である．昨年度，土壌鉱物の1種であるゲータイトのCd吸着サイトを同定するため，Ｘ線光電子分光法(XPS)と原子間力顕微鏡(AFM)による観察を行った．今年度はゲータイトにCsを蒸着し，同様の研究を行った．
(1) AFMによるゲータイト劈開面の同定
原子間力顕微鏡(AFM)を用いて土壌鉱物であるゲータイト劈開面の観察を行った．天然に結晶成長したゲータイトを大気中で劈開後AFM試料台に取り付け、真空排気し(～1×10-3 Pa )、AFM観察を行った．ゲータイトは1個のFe3+を各々3個のO2-とOH-が取り囲む8面体が稜を共有しc軸方向に2列シート状に配列している．走査範囲15μm×15μmの画像にはc軸方向に伸びた幅0.5 nm～1.0 nm 程度の単結晶と考えられる針状ゲータイトが束状に凝集している．単結晶と考えられる表面上の段差のヒストグラムを取ると4.78±0.58Å間隔で頻度が高くなり，その間隔の段差が優位に存在することを示している．この段差はb軸方向の周期性の半分に相当している．ゲータイトの結晶構造よりb軸方向には連結した2個の8面体と同じ長さの空隙が交互に並んでおり，劈開面の主要面は(010)であることを示している．
(2) XPSによるCs吸着状態の観察
主要面が(010)であるゲータイト劈開面にCsを真空蒸着し，XPSによりその結合状態を観察した．観察した光電子スペクトルはゲータイトのO1sとCs3d3/2,5/2である．Cs膜厚を0, 9, 15, 21, 27, 36, 42Åと変化させ，光電子の化学シフトを測定した．O1sスペクトルはゲータイトの組成より結合エネルギー527.7 eV に観測されたO2-と530.1 eV に観測されたOH-に由来する2つのピークにより構成される．前者のO2-に由来するピークはCs膜厚が21Åまで増加するにつれて525.7 eV まで低エネルギー側にシフトし、その後は一定値をとる．それに対し，OH-に由来するピークはCs膜厚の増加に対して変化を示さなかった．これよりCs原子はO2-サイトに選択的に吸着することが分かる．Cs3d3/2,5/2スペクトルはAu基板上に蒸着したpure Csの結合エネルギー(Cs3d3/2:740.4 eV，Cs3d5/2:726.5 eV)と比較すると，9ÅからCs3d3/2,5/2ともに約1.5 eV 低く，27Å迄Cs3d3/2:738.9.4 eV，Cs3d5/2:724.9 eV(平均)とほぼ一定値を示し，吸着したCsはゲータイト表面原子と結合していることを示している．
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昇温脱離法 (TPD) による石英ガラスからの水・水素脱離の観察
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ガラスへの水の吸着･吸蔵状態を調べるため，石英ガラスからの昇温脱離スペクトルを測定した．試料には粒径0.1 mmの粉状のシリカビーズを用いた．ガラス粉を重水に浸し，曝露時間の異なる試料(0 h,24 h,96 h)を作成した．昇温速度は4 ℃/min，到達温度は1000 ℃とし，昇温中の脱離気体種と脱離量を四重極型質量分析計を用いて測定した．重水曝露前の試料では，HまたはOを含む明らかな脱離種はm/z= 2(H2)，18(H2O)であった．24h曝露試料からはDを含む脱離種は検出できず，96h曝露からは HD，HDOの脱離が検出された．m/z=18(H2O)のTPD スペクトルには，400～500℃に最大値を持つブロードなピークが得られた．重水曝露により約480℃と約750℃に隆起が見られ，m/z=19(HDO)も同様のスペクトルを示した． m/z=2(H2)のスペクトルは約550℃にピークを持ち，重水曝露により，10～20℃高温側に隆起が見られ，m/z=3(HD)も同様のスペクトルが得られた．重水曝露により，シラノール基や応力腐食への影響が考えられる．
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■ Keywords
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hydrogen permeation, stainless steel, ESD, goethite, Cs, adsorption, XPS, AFM, SiO2, TPD
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■ 当該年度の研究費受入状況
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1.
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核融合科学研究所 平成26年度一般共同研究
(研究課題番号：NIFS13KEMF052)
研究課題：ステンレス薄板を透過する水素の電子衝撃脱離法による計測
(研究代表者：高木祥示)
研究補助金：566000円 (代表)
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■ 当該年度研究業績数一覧表
| 研究者名 |
刊行論文 |
著書 |
その他 |
学会発表 |
その他
発表 |
| 和文 | 英文 |
和文 | 英文 |
国内 | 国際 |
筆
頭 | 共
著 | 筆
頭 | 共
著 |
筆
頭 | 共
著 | 筆
頭 | 共
著 |
筆
頭 | 共
著 |
演
者 | 共
演 | 演
者 | 共
演 |
演
者 | 共
演 |
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高木 祥示
教授
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| | 1 | |
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3
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| 計 |
0 | ／ | 1 | ／ |
0 | ／ | 0 | ／ |
0 | ／ |
0
(0) | ／ |
0
(0) | ／ |
0
(0) | ／ |
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| 研究者名 |
刊行論文 |
著書 |
その他 |
学会発表 |
その他
発表 |
和
文 | 英
文 |
和
文 | 英
文 |
国
内 | 国
際 |
筆
頭 | 筆
頭
| 筆
頭 | 筆
頭
| 筆
頭 |
演
者 | 演
者
| 演
者 |
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高木 祥示
教授
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| 1 |
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| 計 |
0 | 1 |
0 | 0 |
0 |
0
(0) |
0
(0) |
0
(0) |
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( )：発表数中の特別講演、招請講演、宿題報告、会長講演、基調講演、受賞講演、教育講演(セミナー、レクチャーを含む)、シンポジウム、パネル(ラウンドテーブル)ディスカッション、ワークショップ、公開講座、講習会
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( )：発表数中の特別講演、招請講演、宿題報告、会長講演、基調講演、受賞講演、教育講演(セミナー、レクチャーを含む)、シンポジウム、パネル(ラウンドテーブル)ディスカッション、ワークショップ、公開講座、講習会
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■ 刊行論文
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原著
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1.
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Takagi S, Sakai Y, Suzuki S, Nurase Y, Tosa M, Itakura A, Sakaue H, Kato D：
Measurement of hydrogen permeation of stainless steel by electron stimulated desorption (ESD) method.
Annual report of national institute for fusion science
：358
-358
, 2014
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■ 学会発表
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国内学会
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1.
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◎山田智之, 石塚裕介, 宮内直弥, 髙木祥示：
Ｘ線光電子分光法によるGoethite表面におけるCesiumの吸着形態の観察.
第62回応用物理学会春季学術講演会,
神奈川，日本,
2015/03
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2.
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◎宮内直弥, 平田健一郎, 坂上裕之, 村瀬義治, 板倉明子, 後藤哲二, 髙木祥示：
ステンレス中を透過する水素の微視的観察.
第55回真空に関する連合講演会,
大阪，日本,
2014/11
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3.
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◎平田健一郎, 宮内直弥, 村瀬義治, 坂上裕之, 板倉明子, 髙木祥示：
電子衝撃脱離法によるステンレス鋼(SUS304)薄板を透過した重水素観察.
第55回真空に関する連合講演会,
大阪，日本,
2014/11
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