P1-030E ＜材料科学＞
PF-BL27B

MA 回収プロセスにおける CHON 型抽出剤開発のための構造解析
Structural analysis for CHON type extractant
development in MA recovery process岡田諒１、渡部創２、佐野雄一 2、新井剛 3、松浦治明 1１ 東京都市大院、２ 日本原子力研究開発機構、3 芝浦工業大学

3

FT|(k)ꞏk | [arb.unit]

三価のマイナーアクチニド（MA(Ⅲ)：Am および Cm）は半減期が長く、発熱性があるため、他の核分裂生成物(FP)から分離し、放射性廃棄物の量と放射線毒性を減らすために他の核種に変換する必要がある。本技術では化学的類似性の高い 3 価のランタニド Ln(III)との分離工程に用いる抽出剤として
HONTA(ヘキサオクチルニトリロトリアセトアミド)抽出剤を候補の 1 つとしている。本研究では HONTA 抽出剤を用いた溶媒抽出法と抽出クロマトグラフィ法
で形成された抽出錯体構造を広域Ｘ線吸収微細構造(EXAFS）解析により調査した。
硝酸濃度をパラメータとして、溶媒抽出法により希土類元素を吸着させた溶媒試料と抽出クロマトグラフィ法により希土類元素を吸着させた吸着材試料をEXAFS 測定用試料とした。溶媒試料は蛍光法、吸着材試料は透過法で LⅢ吸
収端 EXAFS 測定を行った。得られたスペクトルは、WinXAS3.0 により解析し、フィッティング解析には非経験論的多重散乱計算コード FEFF8.0 で算出した後
方散乱パラメータを用いた。
先行研究により、溶媒抽出系と抽出クロマトグラフィ系で抽出性能が異なることが確認されていたため、構造の変化から差が生じる要因を考察した。図 1に 2 つの方法による構造関数の硝酸濃HONTA adsorbent
度依存性を示す。この関数に対してフィ
Eu
HONTA solvent
ッティング解析を行った結果、2 つの方
1M
法で、希土類元素-酸素間距離に顕著な変化は見られなかったが、吸着させ0.1Mた元素で比較するとランタノイド収縮の傾向が見られた。また、希土類元素周0.05M
りの酸素配位数に関しては、溶媒試料
は硝酸濃度の増加に伴い増加するの0.01Mに対して、吸着材試料は硝酸濃度の増
加に伴い減少することが示された。こ
0
1
2
3
4
の要因としては、ポリマーの有無による
R [Å]
分子の自由度における制限の違いが
図 1 Eu の構造関数の硝酸濃度依存性
考えられる。

P1-031E ＜材料科学＞
PF-BL27B

コンクリート中 Cs の局所構造解析
Local structure analysis of Cs in concrete of reactor
building
腰越広輝 1、佐藤勇 1、羽倉尚人 1、宮原直哉 1、鈴木恵理子 2
逢坂正彦 2、松浦治明 11 東京都市大学、2 日本原子力研究開発機構

3

FT|(k)ꞏk | [arb.unit]

福島第一原子力発電所の廃炉においては、それに伴う解体廃棄物を安全かつ合理的に管理することが必要である。そのためには、原子炉建屋等において大量に存在するコンクリート構造材への Cs 等放射性物質の付着・浸透メ
カニズムを把握し、その性状に応じた適切な処理・処分を施す必要がある。本
研究では、上記のコンクリートへの Cs 浸透メカニズム把握の基礎研究として、
CsCl 及び CsI 水溶液を用いたコンクリートへの Cs 浸透試験及び Cs 浸透後
コンクリートの EXAFS 分析を実施しコンクリート中 Cs の化学的存在状態を把握する。骨材含有量の異なるコンクリート試験片をそれぞれ１日、１M の CsCl
または CsI 水溶液に浸漬した。水溶液から引き上げ後乾燥させた試料を上部から 0.5 ㎜ずつ削った粉末をペレット成型しスコッチテープでシールしたものを測定対象とした。これらを Cs-LⅢ吸収端について透過法または蛍光法によるEXAFS 測定を実施し得られた結果を図に示す。コンクリート中の骨材含有量が減少することで Cs と O の相関を表す原子間距離(X 軸)2 Å、I との相関を表
す 4 Å 付近のピークが大きく減少しており、この結果から両ピークの減少以外に CsI としての存在量が著しく減少していることが分かった．フィッティングにより構造パラメータをまとめると、骨材含有量が増加するに従い Cs 周りの O の配位数が減少する傾向がみられconcrete 0.5 mm
concrete 1.0 mm
た．ここでコンクリートへの 2 つの浸
concrete 1.5 mm
concrete 2.0 mm
透機構が予想される。1 つ目は骨材
mortar 0.5 mm
mortar 1.0 mm
mortar 1.5 mmとモルタルの界面への浸透は分子
mortar 2.0 mm
が、2 つ目はモルタルへの浸透はイオンが支配的である。Cs と最近接
酸素との原子間距離については浸透深さが深くなるにつれ増加する傾向にあり、Cs と O の相関が弱まっていることが分かる。これらのことから
コンクリートへの Cs 浸透挙動に骨
0
1
2
3
4
5
6
材含有量が影響を与える一因にな
R [Å]っていることが示唆された。
図 CsI 水溶液を用いた浸透試験後のコンクリート中 Cs 近傍動径構造関数

P1-032E ＜材料科学＞
Investigation of heterogeneous deformation behavior in an Fe-Ni-C alloy bysimultaneous neutron diffraction, DIC and thermography techniques
W. Gong a, b, S. Harjo b, W.Q. Mao c, S. Gao c, T. Yamashita b, N. Tsuji a, c
ESISM, Kyoto University, b JAEA, c Dept. Mater. Sci. & Eng., Kyoto University
Heterogeneous deformations such as Lüders-band and Portevin-le-Châtelier (PLC) bands are often observedin various metallic materials under certain conditions. However, the relationship between such a strain
localization and deformation mechanisms, such as dislocation slip, deformation-induced martensitic
transformation, and twinning, are still not fully understood. In recent decades, digital image correlation (DIC)and infrared thermography, that can characterize local strain and temperature distributions, reflectively, havebeen well developed for investigating heterogeneous deformation behavior. On the other hand, in-situ neutron
diffraction is a powerful method to provide averaged information in bulky materials during deformation, suchas phase fraction, lattice strain, texture, dislocation density, etc., for interpreting deformation mechanisms.
Here, we investigated serrations and corresponding heterogeneous deformation behavior in a fine-grained FeNi-C alloy showing transformation induced plasticity (TRIP) by using a combination of in-situ neutron
diffraction, DIC and thermography techniques, simultaneously.
An Fe-24Ni-0.3C (wt.%) alloy with a mean grains size of 1 µm, fabricated by cold rolling and subsequentannealing [1], was used in this study. In-situ neutron diffraction experiment during tensile deformation was
performed on the engineering neutron diffractometer “TAKUMI” at J-PARC. The geometrical arrangement of
the experiment is shown in Figure 1a, where the 1mm thick plate tensile specimen with 50 mm in gage lengthand 6 mm in gage width was deformed at a strain rate of 2.86 × 10-5 s-1. A CCD camera was set to acquire
digital images of the front surface of the specimen for the DIC analysis, meanwhile a thermography camera
was set on the opposite side to acquire thermal distribution images of the back surface of the specimen during
the tensile test. The slit size for the incident neutron beam was 5mm in width and 6mm in height. Diffraction
profiles were analyzed via Rietveld refinement to obtain volume fractions of austenite and martensite. The
convolutional multiple whole profile (CMWP) method was employed for profile analysis to determine
dislocation densities in austenite. Microstructures of the specimen before and after the tension experiment wereanalyzed by EBSD.
Figure 1b shows the stress-strain curve and the changeof volume fraction of martensite during tensile
deformation. Three types of characteristic serrations
corresponding to different strain regions were observedon the stress-strain curve (see inserts of Fig.1b). In stage
1, the serrations having relatively low stress amplitudeand high frequency occurred after yielding. In stage 2,
serrations appeared periodically in a relatively large
strain interval with smooth flow in the strain region from
0.064 to 0.227. After that, serrations having large stressamplitudes and high frequency dominated stage 3. The
volume fraction of martensite indicated that the onset of
deformation-induced
martensitic
transformation
corresponded to the stage 3. DIC and thermography
images showed that different types of serrations resulted
from the various nucleation and propagation features of
PLC bands. More details of the serration behavior andcorresponding
neutrondiffraction,
DIC
andthermography results are discussed in the presentation.
aReference: [1] W.Q. Mao, S. Gao, W. Gong, M.H. Park,
Y. Bai, A. Shibata, N. Tsuji: In Proceedings of the
ICOMAT: Chicago Springer, Cham. 95-98 (2018).

Fig. 1. (a) Schematic diagram of the experimental
arrangements. (b) Stress-strain curve and volume
fraction of deformation-induced martensite.

P1-033E ＜材料科学＞
PF-AR-NW12A

歯車型回転分子は結晶内で動くか？
Rotational molecular gear move in the crystal ?
佐々木大輔 1、菅大樹 4、引田理英 3、佐藤文菜 5、倉持昌弘 1,2、三尾和弘 2、
田所誠 4、佐々木裕次 1,2
1 東大新領域、2 産総研・東大 OIL、3 KEK、4 東京理科大、5 自治医科大

分子内部の動態は、その分子の機能と深く関係している。中でも、タンパク質や機能性材料の動態を明らかにすることは、創薬や新たな材料開発に大きく貢献する。そこで、我々は時分割測定法である回折Ｘ線明滅法(Diffracted Xray Blinking; DXB, Fig.1)を用いて、微結晶から分子内部の動態を比較的容易に測定する方法の確立を目指している。
微結晶からの分子内動態測定を行うに際して、分子動態の複雑なタンパク質ではなく、初めに、より単純な分子動態を示す無機物質や有機物質の微結晶に対し測定を行った。今回は、典型的な回転運動を示す歯車型分子[{AuP(p-Tol)3}4bim](ClO4)2 の微結晶に対し、温度を上昇させながら DXB 測定を行ない、分子動態の変化を観察した。この分子は、温度の上昇とともに歯車部分の回転運動が溶液中で変化する様子が NMR によってすでに確認されている。
DXB では、微結晶をプローブとした回折現象を 10-100ms/frame で観測し、回折 X 線の強度の明滅から動態情報を得る手法である。本実験では、KEK
PF-AR-NW12A を 使 用 し 、
50ms/frame で測定を行なった。
測定結果に対し、自己相関数を用いて解析を行うと、温度の上昇とともに、各面方位による動態の違いが生じていることが明らかになった。その原因を、結晶内の分子の配列方向の違いという観点から考察した。
Fig.1 DXB の概念図
今後の研究として、温度依存の電気伝導性を有する高分子錯体{[PEG(#600)Rb2][Ni(Hbim)3]2}n に対して同様の測定を行い、分子内部の動態と電気伝導性の関係について研究を進めていく予定である。

P1-034E ＜材料科学＞
MLF-TAKUMILPSO 相を含むマグネシウム合金の圧縮および引張変形
Compressive and tensile deformation of Magnesium
alloy containing LPSO phase
Stefanus Harjo1, Wu Gong1,2, Kazuya Aizawa1, Takuro Kawasaki1
1
J-PARC Center, JAEA 2ESISM, Kyoto Univ.
Magnesium alloys containing a long period stacking ordered (LPSO) phaseshow high strength after hot extrusion. Not only texture and grain refinement,
kinks introduced in the LPSO phase during hot extrusion are suggested tohave also contribution to the strengthening. To confirm the formation of kink
and its role in strengthening during deformation, in situ neutron diffraction
measurements of a magnesium alloy consisting of 25 vol.% LPSO (Mg97Zn1Y2)
during compressive and tensile deformation were performed using TAKUMI,
the engineering materials diffractometer in Materials and Life Science
Experimental Facility of J-PARC. An as-cast Mg97Zn1Y2 alloy and that after
hot-extrusion were used in this study. Typical diffraction patterns of the
as-cast Mg97Zn1Y2 alloy obtained before deformation and at plastic
compressive or tensile deformation are shown in Fig. 1. The intensity ratio in
the axial direction showing the random texture before deformation change inthe different manner for compression and tension due to twinning anddeformation slip. Details will be presented and discussed.

Fig. 1 Neutron diffraction patterns of as-cast Mg97Zn1Y2 alloy obtained (a)before deformation, (b) at plastic deformation with compression or tension.

P1-035E ＜材料科学＞
MLF-BL12、MLF-BL21

V10Ti35Cr55 合金水素化物の
中性子/X 線回折データの Rietveld 解析
Rietveld Analysis of Neutron and X-ray Diffraction
Data of V10Ti35Cr55 Alloy Hydride
佐次田頌 1、池田一貴 2, 3、大友季哉 1, 2, 3, 4、本田孝志 2, 3、
大下英敏 2, 3、伊藤晋一 2, 3、横尾哲也 2, 3、齋藤開 2, 3、
Kim Hyunjeong5、榊浩司 5、中村優美子 5、町田晃彦 6
1 総研大、2 KEＫ、3 J-PARC センター、4 茨城大、5 産総研、6 量研
バナジウムは水素吸蔵後の 2 水素化物と水素放出後の 1 水素化物との間で室温・大気圧近傍にプラトーを有しており、可逆的に水素の吸蔵放出が可能なため水素貯蔵材料として期待されている。金属 V 及び高 V 濃度の BCC
合金は水素吸蔵放出反応のサイクル耐久性に優れているが高価であるため、
V 濃度が低い BCC 合金が検討されている。Ti:Cr = 2:3 として V 量を変化させた V-Ti-Cr 合金の 1 水素化物は、V 量が 70 at%以下の場合では BCC 相、70
at%以上では BCT 相である。2 水素化物はいずれの場合も FCC 相である。
BCC 相を経る水素吸蔵放出反応の圧力組成等温線はヒステリシスが大きく、またサイクル数増加により吸蔵放出量が減少するため、この構造変化と耐久性との相関が議論されている。これまでに水素放出前後の V10Ti35Cr55 合金水
素化物について MLF-BL21 にて中性子全散乱測定を行い、MLF-BL12 にて中性子非弾性散乱測定を行った。その結果、水素放出後の水素化物における金属-水素間の 2 体相関と水素振動モードの変化が劣化の要因であることが示唆された。合金水素化物の構造変化の詳細を調査するため、本研究ではMLF-BL21 での中性子回折測定に加えて、SPring-8-BL22XU にて得られた X
線回折データを用いて Rietveld 解析による金属格子および水素サイト占有率のサイクルに依存した変化の調査と結晶構造モデルの作成を試みた。水素放出後の水素化物の中性子回折曲線および X 線回折曲線には d = 2.45 Å付近に微小なピークが観測された。このピークは、金属Ｖの 1 水素化物の構造モデ
ルのＶを V:Ti:Cr = 10:35:55 の比率でランダムに置き換えた合金 1 水素化物単相モデルでは説明できない。そのため主相の 1 水素化物以外に低分率で複数の相が存在していることが示唆された。講演では複相モデルを含む構造精密化の結果について議論する。
本研究の一部は KEK 中性子共同利用実験 S1 型課題（2019S06）、文科省
JSPS 科研費（JP18H05518（新学術ハイドロジェノミクス））の助成を受けたものである。

P1-036E ＜材料科学＞
PF-AR-NW12A, SPring-8 BL39XU

Å 以下の微結晶動態温度依存性計測とその高感度化
Observation of Temperature Dependency of
Angstrom Level Nanocrystal Motions
尾股紘希１,2、引田理英 3、佐藤文菜 4、倉持昌弘 1,2、
関口博史 5、佐々木裕次 1,2,5
１ 東大新領域、２ 産総研・東大 OIL、３ KEK、
４ 自治医科大、５ SPring-8 / JASRI

本研究では、回折 X 線明滅法 (Diffracted X-ray Blinking: DXB) を用いてÅ
以下の微結晶動態計測に取り組んだ。DXB とは、回折 X 線強度の明滅から結晶粒の動態情報を得る手法である。これまで、DXB では金ナノ結晶を標識することにより、巨大タンパク質分子系の動態計測を行ってきた。それに対して、本研究では、結晶性を元々有したサンプル系に着目し、無標識 DXB 技術の確立を試みた。本研究の目的は、結晶性を有した無機材料サンプル系に対して DXB による結晶動態計測を試み、結晶動態とその物質の機能との相関を明らかにすることである。
今回、KEK PF-AR-NW12A
を利用し、50ms の時間軸で、安定した結晶である
ゼオライトの微結晶動態計測を試みた。ゼオライ
トは細孔の大きさによって、酸素、窒素、二酸化炭 Fig.1 ゼオライトが脱水・吸水する際の結晶構造変化
素、水といった分子を選択的に吸着することから、吸着剤、脱着剤といった機能材料として知られている。本研究では、ゼオライトの水に対する吸着作用に注目し、水和状
態と非水和状態における動態の差を検出した (Fig.1)。また、細孔径の異なる 3A, 4A, 5A, 13X という４種類のゼオライトに DXB 測定を行うことで、細孔径と動態の相関を議論する。加えて、室温から-100℃までの温度変化においても各方位面による結晶動態の差を検出した。
さらに、DXB 測定の高感度化を目的として、従来の回折ではなく直接光(0 次光)の強度揺らぎ時系列解析に取り組んでいる。現在までに、フィル
ターを介さない直接光と、カプトンフィルムを介した光に関して、両者で強度揺らぎ自己相関の差の検出に成功している。

P1-037E ＜材料科学＞
BL27-A, B

溶融塩電解法を用いた粘土鉱物からの Cs 除去と熱電変換材料の創製
Removal of cesium from clay mineral and formationof thermoelectric material using molten salt
electrochemical method
本田充紀 1、後藤琢也 2、鈴木伸一 1、矢板毅 1
1 原子力機構・物質科学, 2 同志社大学・理工
1F 事故により発生した汚染土壌の減容および再生利用化の実現には土壌中の粘土鉱物に固定された放射性 Cs 除去のみならず除去後の土壌を有効利用する方法の開発が必要である。我々は Cs が吸着した風化黒雲母(WB)にアルカリ混合塩(NaCl－CaCl2)を添加して融解する溶融塩法によりほぼ 100 %の Cs 除去に成功した[1]。次の段階として、Cs 除去後の土壌の有効利用法の開発に取り組んでいる。Cs 除去後の土壌は無害元素で構成される。そこで融解時に電気分解による化学反応制御を可能とする溶融塩電解法を開発し Cs除去と同時に得られる結晶 XY(Si, Al)2O6(ここで、X = Ca2+, Na+, Fe2+, Y=Al3+,
Mg2+, Fe3+)の構造を制御することで再利用可能な材料のひとつ熱電変換材料の創製へ向け、構造および熱電物性の相関について検討した。
溶融塩電解法におけるアルカリ混合塩には（NaCl－CaCl2）を用い、-1.4V /700 ℃の還元電位で 2 時間反応させた。室温に戻った後複数回水洗および上澄み除去後 80℃で乾燥させた。溶融塩電解前後の化学組成は蛍光エック
ス線分析(XRF)により行った。結晶構造は X 線回折法(XRD)により結晶構造の同定を行い、局所構造については BL27A(Ca K-edge)および 27B(Fe K-edge)
にて X 線吸収分光法(XAFS)による分析を実施した。同試料をφ13mm 厚さ1mm のサイズにて 7 ton で加圧形成してペレットを作製した。同試料の熱電物
性は、SBA458 による電気伝導率測定および LFA467 による熱拡散測定をそ
れぞれ室温、400℃、500℃、600℃、700℃にて行い熱電物性評価を行った。
WB を構成する元素は XRF より Si, Fe, Al, Mg, Cs, K, Ti, Ca であり、溶融塩
電解後は Cs が検出限界以下であることを確認した。XRD 測定では WB 構造とは異なる雲母構造(普通輝石、和田石、磁鉄鉱)を確認した。溶融塩電解前後の電解効果を XAFS による Fe 局所構造解析により行った結果 Fe の価数は 3
価から 2 価に還元されていることを確認した。電気伝導率測定では、室温から400℃までは電気伝導特性を示さなかったが、500℃から電気伝導特性を示し、熱拡散測定では 500℃において最小値をとることが分かった。これは 500℃において熱電変換特性を示すことを意味する。今後、ゼーベック係数の同時測定により熱電変換材料の無次元評価指数 ZT 算出を行う。
[1]M. Honda et. al., ACS Omega, 2(12), 8678-8681(2017)]

P1-038E ＜材料科学＞
PF-BL8B

粉末 X 線回折における機械学習応用と知識発見
Machine learning application and knowledge
discovery in powder X-ray diffraction analysis
1

2

3

3

鈴木雄太 ，日野英逸 ，羽合 孝文 ，斉藤耕太郎 , 小野寛太
1. 総研大, 2. 統計数理研究所, 3. KEK 物質構造科学研究所

3

結晶構造は物質の最も基本的な特性であり、この同定のため粉末 X 線回折（XRD）や粉末中性子回折が広く用いられている。測定の自動化・効率化が進む一方で、測定データの解析は熟練者による試行錯誤によってなされるため、測定データから効率的に知識を抽出する手法の開発が課題となってきた。
本研究では、熟練した研究者が回折パターンから直観的におおよその結晶構造を推定できることに着目し、大量の回折パターンから機械学習
モデルを訓練することで XRD パターンから直接結晶構造を高速に予測することを試みた。このために無機結晶構造データベース（ICSD）からの網羅的計算により約 20 万物質についての XRD データベースを構築し、これを学習用データセットとして、結晶構造（結晶系・空間群・
格子定数）を予測する機械学習モデルを Extremely Randomized
Trees（ExRT）により構築した。回折パターンを表現する特徴量として、0˚-90˚の 2θ領域におけるピーク本数および、低角側から順に 10本のピーク位置を用いた。
ExRT による予測モデルにより、結晶系について 92%、空間群について 91%（Top5）の Accuracy を得ることができた。この予測モデル
は予測だけでなく訓練も高速であり（一般的 PC で約 1 分）、実験条件（2θ範囲など）に応じて再訓練することも容易である。
この訓練済み ExRT の特徴量重要度および、ExRT を近似した決定木の解析から、機械学習モデルがどのような特徴に基づいて予測を行っているのか考察したところ、結晶系の予測タスクにおいては、ピーク本数
だけでなくピーク位置も結晶の対称性を表現していることが示唆された。当日はこの詳細と、訓練した機械学習モデルの解析やデータマイニ
ングによって、これまで熟練者の間で暗黙的に共有されてきた経験則が具体化できうる点について議論する。

P1-039E ＜材料科学＞
MLF 長期課題 2017L1300

酸化物イオン伝導体および複合アニオン化合物の中性子回折法による構造物性
Structure Science of Oxide-ion Conductors andMixed-Anion Compounds using Neutron Diffraction
藤井孝太郎 1，八島正知 1，鳥居周輝 2，齊藤高志 2，神山崇 2，大原高志 3
1 東工大理，2 KEK IMSS，3 JAEA J-PARC センター
セラミック材料は多彩な機能を示すため基礎から応用まで幅広く注目される
重要な材料である．その機能の多くは結晶構造と密接な関係があり，その結晶構造を精確に解明することは，その材料が示す機能を理解する上で必要不可欠である．セラミック材料は電子数の多い金属イオンと電子数の少ないアニオ
ン（酸化物イオンなど）から構成されるため，電子によって散乱する X 線を用いた回折法ではアニオンを含めた構造を明らかにするには不十分である．一方，中性子回折はアニオンからの情報を引き出すことができる．本長期課題では，
J-PARC の粉末および単結晶中性子回折計 SuperHRPD, SPICA, SENJU を用
い，酸化物イオン伝導体および複合アニオン化合物の構造解析と，それらが示す機能の構造的要因を明らかにすることを目的としている．最近の研究成果としては，単結晶中性子回折を用いた酸化物イオン伝導体のイオン伝導機構の解明[1]や，高温中性子回折を用いた酸化物イオン伝導体におけるイオン伝導経路の可視化[2,3]，新たに発見した酸化物イオン伝導体や複合アニオン材
料の中性子回折による構造解析[4]などがある．

[1] K. Fujii, M. Yashima, K. Hibino, M. Shiraiwa, K. Fukuda, S. Nakayama, N. Ishizawa, T.
Hanashima, T. Ohhara, J. Mater. Chem. A, 2018, 6(23), 10835[2] M. Yashima, T. Tsujiguchi, K. Fujii, E. Niwa, S. Nishioka, J. R. Hester, K. Maeda, J.
Mater. Chem. A, 2019, 7(23), 13910[3] W. Uno, K. Fujii, E. Niwa, S. Torii, P. Miao, T. Kamiyama, M. Yashima, J. Ceram. Soc.
Jpn., 2018, 126(5), 341[4] Y. Yasui, E. Niwa, M. Matsui, K. Fujii, M. Yashima, Inorg. Chem. 2019, 58(14), 9460

P2-024E ＜材料科学＞
3NBT

J-PARC 3NBTにおける0.4 – 3 GeV 陽⼦の弾き出し断⾯積測定
Measurement of Displacement Cross Section from 0.4 to 3 GeV
protons at 3NBT in J-PARC
岩元洋介1,3, 明午 伸⼀郎1，松⽥ 洋樹1，吉⽥ 誠2, ⻑⾕川前川 藤夫1，岩元 ⼤樹1，中本勝⼀1,

建志2，牧村 俊助2，⽯⽥ 卓2

1

J-PARC/JAEA, 1J-PARC/KEK, 3JAEA

核破砕中性⼦源や加速器駆動核変換システム(ADS)等の⼤強度陽⼦加速器施設では、ビーム窓や標的に⽤いられる材料の損傷評価が重要となる。損傷の指標として弾き出し損傷(dpa)が⽤いられるが、NRTモデルに基づく弾き出し断⾯積と粒⼦束の積分により導出される。陽⼦の20
MeV以上のエネルギー領域では、弾き出し断⾯積の殆ど測定されていないため、計算モデルの⼗分な検討がされていない。⼀⽅、⼤強度陽⼦加速器施設の機器の寿命評価はdpaを基準とする
ため、信頼性の⾼いdpaおよび弾き出し断⾯積の評価が重要となる。本研究では、J-PARCの加速器施設において0.4 - 3 GeV陽⼦に対する弾き出し断⾯積の測定を⾏った。
弾き出し断⾯積は、試料⼊射に伴う抵抗率変化を⽋損あたりの抵抗率変化と陽⼦束で除する
ことにより得ることができる。⽋損あたり（フランケル対あたり）の抵抗率変化は、電⼦線等を⽤いた研究により既知となり、抵抗率変化と陽⼦束の測定により導出が可能である。照射による⽋損を試料中に留めることが重要となり、実験では極低温に冷却した状態で測定することが必要となる。4 K冷凍機に試料を取り付けた真空装置を製作し、3 GeV陽⼦シンクロトロン加速器施設のビーム輸送施設(3NBT)における陽⼦ビームラインに設置した。試料位置には、1MWの⼤強度ビームも⼊射する可能性があり、安全のために加速器インターロックおよび放射線許認可変更を⾏った。試料は、直径 0.25 mm、⻑さ 40 mmの純度99.95%以上のアルミ、鉄、銅およびタングステンを⽤い、⽋損を無くすため融点付近の⾼温で焼鈍した。断⾯積の導出のためには、試料における陽⼦束が必要となるため、試料位置のビームプロファイルをビームプ
ロファイルモニタで計測した。試料の温度上昇を抑えることが望ましいものの、微弱なビーム
ではビーム形状が不明となるため形状が可能となる最弱な強度の陽⼦ビームを⽤いた。
ビームモニターで得たビーム幅と積算電流から試料における陽⼦束を導出した。測定の誤差の殆どは、フランケル対⽣成当たりの抵抗率変化の分散による。⼀般的に弾き出し評価に⽤いられるNRTモデルと、近年着⽬されつつある分⼦動⼒学に基づく⽋陥の⾮熱的な再結合を補正したarc (athermal recombination correction)モデルをPHITSに適⽤し弾き出し断⾯積の計算を⾏った。NRTモデルによる断⾯積の計算結果は、実験を3〜4倍程度過⼤評価することが⽰された。
⼀⽅、arcモデルによる計算は、本実験をよく再現することが⽰された。以上により、核破砕中

性⼦源の構造材の評価には、弾き出し損傷評価にはarcモデルの適⽤が必要であることが⽰された。

P2-025E ＜材料科学＞
MLF-BL20

クロミック物質 CoMoO4 の中性子回折
Neutron Diffraction of Chromic Material CoMoO4
岩佐和晃 1、星川晃範 1、松川健 1、石垣徹 1、浅野貴行 2、稲垣裕次 3、河江達也 3
1 茨城大フロンティアセ、2 福井大院工、3 九大院工モリブデン酸コバルト（CoMoO4）は、触媒[1]やキャパシタ電極材料[2]としての応用ほか、温度や圧力の変化によって色が変化するクロミックの性質を示す機能性材料としても注目されている[3]。この性質は大きな温度ヒステリシスで特徴づけられる一次構造相転移（低温α相、高温β相）に起因する。一方、磁気的性質として最低温度相での反強磁気秩序が報告されていた [4]。しかし、6 K と 12 K での二段の磁気相転移の詳細、一次構造相転移で切り替わる
構造の低温での状態などの詳細は明らかとなってはいなかった。
本研究では、新たに合成した CoMoO4 の良質粉末試料（約 1.2 g）を内径 5.8mm のアルミ管セルに詰め、J-PARC MLF BL20 iMATERIA にて中性子回折実
験を行い、結晶構造と磁気構造の詳細を調べた。それらの結果の磁化や比熱との対応を報告し、磁気状態を考察する。
20 K 以下での測定においてはほぼα相結晶に相転移していることがわかったが、わずかながらβ相結晶も残存している。クロミックの性質を示す構造相
転移が 233 K 以上で起きているとする先行研究[3]の結果よりも低温まで両相が共存している。核散乱ピークのプロファイルは比較的にブロードで、一次相転移によるドメインあるいは歪みの効果が考えられる。12 K 以下の磁気秩序層と期待された温度領域で磁気散乱ピークが成長し、8 K ではα相での非整合磁気秩序 (波数ベクトル k ≃ (0.490, 0, 0.438)) とβ相での整合磁気秩序 (k= (0, 0, 1/2))が観測された。さらに 3 K ではα相磁気構造が整合波数ベクトル
k = (1/2, 0, 1/2)に至ることを見出した。これらの磁気相転移と波数ベクトルの温度依存性は先行研究[4]では報告されておらず、かつ提案された反強磁気構造モデルでは説明できない。このような機能性材料における複合化した構造が iMATERIA を用いることで明瞭に観測することができた。
[1] R. A. Ross and M. R. Jeanes, Ind. Eng. Chem., Prod. Res. Develop., 13,
102 (1974).
[2] Y. Chen et al., Nanoscale 7, 15159 (2015).
[3] L. C. Robertson et al., Inorg. Chem. 50, 2878 (2011).
[4] H. Ehrenberg et al., J. Magn. Mag. Mater. 135, 335 (1994).

P2-026E ＜材料科学＞
MLF-D1

負ミュオン寿命法による鉄鋼中微量炭素の非破壊定量分析

Non-destructive and quantitative analysis of carbon
in steel by negative muon lifetime method
工藤拓人 2，千徳佐和子 1，二宮和彦 2，竹下聡史 3，髭本亘 4，篠原厚 2，
下村浩一郎 3，河村成肇 3，ストラッサー パトリック 3，三宅康博 3，
齋藤努 5，久保謙哉 1
1 国際基督教大学，2 阪大院理，3 高エネ研ミュオン，4 原研先端研，5 国立歴史民俗博物館
鉄鋼中の炭素量は鉄鋼の機械的物理的性質に大きく影響する．鉄鋼中の炭素の定量にはいくつかの方法が利用されているが，非破壊的かつ深さ選択的に定量できる方法は無い．
寿命 2.2 µs の負ミュオンは，物質に注入されたのちに停止すると，その近辺の原子核に捕獲されてミュオン原子を形成する．ミュオン原子中の負ミュオン
は，脱励起を繰返してミュオン 1s 軌道に到達する．1s 軌道の負ミュオンは原子核に極めて近く，原子核捕獲が起こる．これが自然壊変と競合するため，ミュオン原子中の負ミュオンの見かけの寿命は 2.2 µs より短くなる．原子核捕獲
は負ミュオンを捕獲した原子核の原子番号で決まるので，物質中の負ミュオンの見かけ上の寿命を崩壊電子を使って測定すると，その物質の原子番号がわかる．物質が複数の元素から成るときには，生成したミュオン原子の種類に応じて複数の寿命をもつ成分が重なり合ったミュオン壊変曲線が得られる．この曲線を解析すれば，物質中の元素組成を知ることができ，定量分析が可能である．この方法は非破壊的であるとともに，負ミュオンの入射エネルギーを変化させることにより，深さ選択的な分析も実現できる．我々は鉄鋼標準試料を測定して，この方法が定量分析法として実用的なことを明らかにし，定量限界が炭
素量 0.012%以下であることを示せた．この方法の原理は知られていたが，実際の応用は J-PARC ミュオン施設の大強
度負ミュオンビームの実現によって世界で初めて可能となった．将来的には
B,C,N,O などの軽元素を含む物質，特に 図 1． 模擬鉄剣の負ミュオン崩壊
考古学的に貴重であってかつ傷つけら 電子測定例．
れないような鉄製品の分析に応用可能
である．

P2-027E ＜材料科学＞
MLF-BL19

FCC 相および BCC 相を含む 2 相合金の低温における応力分配挙動
Stress Partitioning Behavior of Duplex Alloys
Consisting of BCC and FCC Phases at Low
Temperature
山下享介 1、諸岡聡 1、ハルヨステファヌス 1、川崎卓郎 1
友野翔平 2、行木辰也 3、古賀紀光 4、梅澤修 2
1 原子力機構、2 横浜国大、3 横浜国大(現大林組)、4 金沢大金属材料の機械的性質は試験温度に依存し、その温度依存性は結晶構造により異なることが知られている。FCC 構造では温度の低下により降伏強度はあまり変化せず、引張強度や伸びが増大する。一方、BCC 構造では低温では降伏および引張強度が大きく増大するが、脆性的となり延性が大きく低下する。近年では、単相合金では実現が難しい良好な機械的性質を発現する
FCC および BCC の両相を有する 2 相合金が工業的にも広く用いられている。
室温における優れた強度－延性バランスは両相の応力分配に起因するもの
であることが報告されているが、室温より低温域での応力分配挙動についての報告はほとんどない。そこで本研究では、2 相合金として 2 相 SUS および
Cu-Fe 合金を用いて低温引張変形中その場中性子回折を実施し、低温における変形挙動、各相の相分率、応力分配挙動および各相の強度への寄与について調査を実施した。
供試材は JIS SUS329J4L および Cu-40mass%Fe の圧延板材を用いた。引張変形中その場中性子回折は J-PARC/ MLF 内の BL19 に設置された「匠」
にて、293 K、200 K, 150 K の各試験温度で実施した。
両合金とも低温にて優れた強度－延性バランスを示した。Cu-Fe 合金では、試験温度によらず、FCC 構造の Cu が変形早期に塑性変形を開始していた。
マクロな降伏強度は BCC 構造の Fe が塑性変形を開始した応力とほぼ等しい。
Fe の相応力は Cu の相応力よりも高く、温度の低下により Fe の相応力は大きく増大した。一方で、Cu の相応力は温度によらずほぼ同程度であった。また
低温では相間の応力分配は増大していた。2 相 SUS においても FCC 構造のオーステナイト(γ)相が先に塑性変形を開始し、BCC 構造のフェライト(α)相の塑性変形の開始した応力と降伏強度はほぼ等しかった。α相の相応力はγ相よりも高い相応力を示した。温度の低下によりα相、γ相の両相の相応力は増大していた。これは 2 相 SUS に添加されている窒素の影響であると考えられる。2 相 SUS の応力分配挙動は温度が低下しても変化があまり生じていなかった。

P2-028E ＜材料科学＞
PF-BL27B

ゼオライトに吸着されたウランの EXAFS 解析
XAFS analysis on uranium in zeolites
松浦治明 1、麻生大貴 1、高畠容子 2、星野貴紀 2、渡部創 2
１ 東京都市大学、２ 日本原子力研究開発機構

FT|(k)ꞏk3| [arb.unit]

東電福島第一原子力発電所事故による燃料デブリの処理に対応するためのプロセス開発を通じ、高濃度でジルコニウムが共存した核燃料含有溶液を生じ、その処理に従来型の溶媒抽出法をそのまま適用すると、より多量の 2
次廃棄物を発生させる可能性がある。我々のグループでは昨年度よりゼオラ
イトの吸着能の差を利用し、ウランとジルコニウムを簡便に分離するプロセス
開発を目指している。その相互分離の最適条件を探索するツールとして、各種ゼオライトを用いたバッチ吸着試験後のゼオライト中の局所構造を評価し比較検討するため広域 X 線吸収微細構造法を用いた。
13X と LZY という 2 種類のゼオライトにウランまたはジルコニウムを含有す
る硝酸酸性溶液を固液比 1:300 で共存させ、3 時間振とうした後、蒸留水にて3 回洗浄したものを乾燥させ、さらに乳鉢により粉砕したものを試料とした。ウラン試料は JAEA から 2 重の密封状態で輸送し、そのまま透過法にて EXAFS測定した。ウランは LIII 吸収端、ゼオライトは K 吸収端を用いた測定である。
別途実施したウランまたはジルコニウムのバッチ吸着試験によれば、溶液の平衡時 pH が大きくなると分配係数が大きくなる傾向にあったが、13X では
特に初期 pH が高めで振とうを開始すると、終了時にはより大きめの pH になり、ジルコニウムにおいてその傾向は顕著であった。図に振とう後の各種ゼオライ
トに吸着させたウランとジルコニウムの構造関数の一例を示す。ウランの場合
は LZY 中でウラン-ゼオライト
骨格の相関に相当する第二13X(pH3/Zr)
LZY(pH2/Zr)
配位圏に相関がみられる割に13X(pH5/U)
13X においてはあまり見られ
LZY(pH4/U)
ず、ジルコニウムは LZY にて全く構造を示さない一方、13X
においてはジルコニウム-ゼオ
ライト骨格の第一相関がはっ
0
1
2
3
4
5
6
きり見て取れることから、ウラR [Å]ンとジルコニウムの相互分離性能の観点からは、LZY を用 図 ゼオライトに吸着されたジルコニウムとウいる方が局所構造評価の観 ランの構造関数
点からも適当であることが分かった。

P2-029E ＜材料科学＞
MLF/BL192019 年度における工学材料回折装置「匠」の現状
Current status of the Engineering Material
Diffractometer TAKUMI FY2019
川崎卓郎, ステファヌス ハルヨ, 相澤一也・原子力機構 J-PARC
J-PARC 物質・生命科学実験施設 BL19 の工学材料回折装置「匠」では，TOF 中性子回折を用いて鉄鋼・軽金属などの金属材料や誘電体・イオン伝導体セラミックスなど機能性材料の様々な試料環境下での力学特性・機能・構造の評価，機械的・熱的加工によって製造された構造物内部の応力分布の評
価などを行っている．回折ピークの位置や積分強度の解析によって得られる
格子ひずみや相分率，集合組織に関する情報に加えて，ピークプロファイルの形状から転位等の微細組織に関する情報を抽出する手法も匠における標準的解析手法として定着している．
2019 年度は，従来からの鉄鋼を主体とした研究に加え，積層構造を有する
マグネシウム合金やハイエントロピー合金など先進的な材料の研究を行なった．また，誘導加熱とガス吹付けによる急速加熱・冷却機構を有した新しい変形試験装置の導入，変形試験中の試料の形状変化を 2 次元的に捉える機器・手法の導入，試料の熱分布を画像として捉える機器の導入なども進めて
おり，中性子回折を軸とした複合的材料評価手法の確立に注力し，高度化を継続している．
当日は，2020 年 3 月現在における匠の状況と，最近の研究例，匠を用いて実施されている課題の傾向などについて報告する．

P2-030E ＜材料科学＞
PF-BL3C

自己参照型格子比較器による単結晶シリコンの格子定数の均一性評価と結晶間超精密比較
Homogeneity characterization of lattice spacing andlattice comparison for silicon crystals by the
Self-Referenced Lattice Comparator
早稲田篤 1、張小威 2
1 産総研計量標準総合センター、2 中国科学院高能物理研究所

産総研では、基礎物理定数によるキログラムの再定義を目指したアボガドロ国際
プロジェクト（IAC）に参加し、同位体濃縮 28Si 単結晶（Avo28）を用いた X 線結晶密度法（XRCD）法による、アボガドロ定数の決定を行ってきた。
XRCD 法を用いたキログラムの実現では、ドイツ PTB は新たな同位体濃縮単結晶シリコンを準備し、格子定数については新たに X 線干渉計による絶対測定が予定されている。また、X 線干渉計による絶対測定を行っているイタリア INRIM では、
格子定数測定の誤差要因低減を追求するために、干渉計の表面張力の影響の評価を行っている。本課題では、国際協力の一環として、これら X 線干渉計結晶を含めた同位体濃縮単結晶シリコンの格子定数分布評価、格子比較器を用いた格子定数の測定をおこなっている。
また、本課題では、基礎物理定数に基づくキログラムの実現に関する基礎研究を行う一方、この研究で培った極めて信頼性の高い評価技術を、より高品質が求められる半導体用シリコンの評価へ応用することを目指す。原子空孔の探求や極微量の不純物炭素や酸素と、室温で X 線により検出される格子歪みの相関評
価を行っている。
今回はこれまで得られている結果について報告する。