ガンマ10	 エンド部におけるプラズマ照射材料の表面分析	 

東北大金研 	永田 晋二，趙 明，星 勝也、四竈樹男	
筑波大プラズマセンター 	
中嶋 洋輔、坂本 瑞樹，細井 克洋，武田 寿人	

双方向共同利用研究	
RI管理施設	

原子炉	

原子炉の中での	その場実験	

大洗センター	
照射後試験設備群		
TDSなどの水素同位体分析装置	
分析加速器の整備?	  

プラズマ装置	筑波		
照射試料のプラズマとの相互作用	

RI管理施設	by	  T.	  Shikama	

高度分析機器	
仙台	(分析用加速器)	

概要	
タンデムミラープラズマ閉じ込め装置ガンマ10 の端部より流出する高熱流束を利用して，材料開発の為の基礎的なデータを収集することを目的として，ダイバータ板の候補材料をプラズマに暴露し，その際に侵入したプラズマ粒子の深さ分布，並びに試料の表面状態を調べる。		
今回はまず照射位置で試料へ入射するプラズマ粒子についての情報を得るため、コレクタプローブとしての役割も果たす材料を挿入し、プラズマ照射後の表面分析を行った結果について述べる。	

GAMMA 10 端部への試料挿入	

照射後の表面分析	

ラザフォード後方散乱・イオンチャネリング （RBS/C）	
堆積層の組成分析、各元素の濃度プロファイル	
単結晶層中の格子欠陥、格子ひずみ		
反跳粒子検出(Elastic Recoil Detection)	
水素濃度分布		
X-ray diffraction	金属材料研究所金属ガラスセンター・タンデム加速器	
Duoplasmatron	 	  ion source	  Li charge exchange	  canal	  4100mm	  N2	   	  gas for charge	  stripping	  Ion beam analysis	  using 5 axis goniometer	  SF6	   	  ~ 7x105	  	  Pa	  Ion implantation

0.1 ~ 1.7 MV	  Low energy ion gun	  with a velociy filter	  1 ~ 15 kV	  Cs sputter ion source	  High voltage	 	  	  terminal	  3300mm	  3400mm	  In-situ ion beam andParticle induced
optical analysis underrefracted X-ray
low-energy ionfluorescence 	  irradiation	  5200mm	  金研タンデム	SiCの結晶構造	

3C	

4H	

6H	

照射後ＳｉＣ試料	

6H-­‐SiC	

4H-­‐SiC	

15mm	

t=0.5mm	

15mm	

チャネリング条件を用いた後方散乱		 

2000
4++

randomalign irradiatedalign as prepared

1500

Si

1000

500

２０１０年１２月照射試料	  Fluence	  	  ~1e22	  m-­‐2	  C

Fe, Cr, Ni

O00100	 

Backscattering yields

2 MeV He <0001> 4H-SiC

Mo200300

Channel numberW400

照射条件の違いによるＲＢＳスペクトル比較	
3000
Backscattering yields

1 MeV RBS/C <0001> SiC
Si

2000

FeCrNi

CO

1000

Jan2012
Dec20102010
2 0 1 2Dec 17	 Jan24	プラズマ	
パルス幅 (s)	

MoW

イオン温度(eV)	

フ ル エ ン ス(m-2)	

0100

200300Channel number

0.39	

28	39	

150	350	

ショット数	

粒子束密度(m-2s-1)	

00.39	

400

~1e21	 ~3e22	
~1e22	 ~4e23	各元素の堆積量	

Deposited atoms(m-2)	

2.5E+20	  2E+20	  1.5E+20	  Dec2010a	  Jan2012a	  1E+20	  Jan2012b	  5E+19	  0	  O	  Fe	  (Fe,	  Cr,	  Ni)	Mo	  W	  XRD	  paPern	
52x10

Jan2012-A
Jan2012-B
Fe2O3Intensity

MoO3
51x10

Fe2O3MoO310203040502-theta

60708090

Scattering centers (atoms/m2)	

損傷量 堆積量	
1.8E+21	  1.6E+21	  1.4E+21	  1.2E+21	  1E+21	  Dec2010a	  8E+20	  Jan2012a	  Jan2012b	  6E+20	  4E+20	  2E+20	  0	  C	  O	  Si	  Fe	  Mo	  W	  41800000
1600000

Damage profiles of <0001> SiC

28	 J an2012B	 J an2012A 	 	 D ec2010

1200000

Concentration

3150 eV H ---> SiC

1400000

2	 H	 S i	 C

1000000
800000600000400000200000001510-20020406080100

Depth in SiC (nm)

水素イオン（３５０ｅＶ）の投影飛程： ～１５nm		
Ｓｉ原子のはじき出し損傷の深さ： ～３０nm	

20150 eV H ---> SiC

8000000-4015Depth in SiC (nm)1000000

Concentration

3Cncentration of displacements(10 Si/m )SiC結晶表面のdamage profile		 H	 S i	 C

600000400000200000005

10Depth in SiC

1520

SiC表面の水素濃度	~5e26	  H	  atoms	~40	  nm	3H concetration (10 H/m )3.0Jan2012B
Jan2012A
Dec2010
unirradiated

26

2.5

H in SiC crystals exposed by GAMMA 10

2.0
1.5
1.0
0.5
0.0-2000200
Depth (nm)

400

400

Recoil H yield

W/WO3/Si	 2012	 J an	 照射後	 照射前

300WO3	W	

200

100

00100200
Channel number

300400まとめ		
３－６e２３ H atoms/m2程度のプラズマ照射量に対し	堆積層の金属元素（Fe,Cr, Ni, Mo)： ～２e２０ H atoms/m2	
酸素： ～２e２０ H atoms/m2		

SiC表面の損傷量 ： ～２e２１ H atoms/m2 （Ｓｉ＋Ｃ）	
損傷深さ ：表面から ～３０ｎｍ	
プラズマ水素の投影飛程にくらべ深い		
捕捉水素量： ～2e２１ H atoms/m2	
濃度プロファイル：飽和濃度が0.5H/hostとすると～４０ｎｍ		  	  

今年度：	照射条件：フラックス、フルエンス	
試料：タングステン単結晶、アルミナ単結晶、イオン照射試料	筑波	
下限数量以下の管理区
域からの持ち出し	

仙台	
RI	  取扱施設	
RI	  取扱施設	

指定された管理区域外
研究設備	

RI	  として移動	指定された管理区
域外研究設備	指定された管理区
域外研究設備	GAMMA-­‐
10	
大洗	

分析加速器	

RI	  取扱施設	

• 事業所間のRIの移送		
放射線障害防止法に基づく移送 (手続きは確立されている。)	  	• 事業所内の下限数量以下の試料の非管理区域への持ち出し		  放射線障害防止法に基づく申請が必要 (持ち出す場所の指定)	  	  持ち出せるRI核種と数量は決められている。		
持ち出したものは必ず管理区域に戻さないといけない。		
持ち出される数量は厳密に決められている。(小出しに結果として 	  多量のものを持ち出すことは出来ない。)	
具体的な想定作業		
金研大洗での中性子照射		
大洗の管理区域から筑波大学管理区域へのRI(照射済み試料)の移送	  	  筑波大学で、管理区域から非管理区域(GAMMA-­‐10)への下限数量以	下での持ち出し		
照射済み試料のプラズマへの暴露		
GAMMA-­‐10から筑波大学管理区域への返還		
筑波大学管理区域から金研大洗へのRIとしての輸送		
水素同位体分析、材料分析		
大洗管理区域から金研管理区域へのRI輸送		
金研管理区域から加速器への下限数量以下での持ち出し		
加速器での分析		
加速器から管理区域への返還	課題	
• 筑波大学としての変更申請	
• 下限数量以下持ち出し場所としてのGAMMA-­‐10の登録(変更申請)	  • 大学内のコンセンサスが得られるか	  • 金研としての変更申請	
• 下限数量以下持ち出し場所としての加速器の登録(変更申請)	
• 技術的な課題(克服が困難な可能性)	
対応策	
• GAMMA-­‐10改装の時にPWI実験施設の一部をRI取扱施設として登録	
• 管理区域内に分析加速器を整備(大洗?)	  	  資金、関係者のコンセンサス、技術的課題の克服が必要だが、現実可能な解はある。