京都大学教育研究振興財団助成事業
成 果 報 告 書
平成21年4月1日
財団法人京都大学教育研究振興財団会 長

辻井昭

雄

様

所属部局・研究科

原子炉実験所

職 名・学 年

助 教氏

佐 藤 紘 一名

事 業 区 分平成２０年度 ・ 長期派遣助成

研究課題名

ヘリウムイオン照射された金属材料中の欠陥とヘリウム原子の相互作用

受 入 機 関チャルマーシュ工科大学 (スウェーデン)渡 航 期 間

平成20年5月24日

成果の概要

タイトルは「成果の概要／報告者名」として、A４版２０００字程度・和文で作成し、添付して下さい。 「成果の概要」以外に添付する資料 ■ 無
□ 有()

〜

平成21年3月1日交付を受けた助成金額

1,950,000円

使用した助成金額

1,950,000円

返納すべき助成金額0円
航空賃 181,000円
空港使用料 2,040円
燃油サーチャージ 44,380円

会 計 報 告バス賃 10,000円
助成金の使途内訳(使用旅費の内容)

日当・宿泊料 1,712,580円
航空券の関係で出発日を1日早めた

成果の概要 / 佐藤紘一
1. はじめに
現在、エネルギー問題を解決するためにも核融合炉の開発が望まれおり、フランスのカダラッシュに国際熱核融合実験炉が建設されている。核融合炉の実現に向けて大きな進歩が期待されている。その核融合炉の技術的課題として、プラズマの閉じ込め技術の改善と炉を使用中の構造材料劣化の抑制の二つが挙げられる。本研究では後者に注目した。特に、核融合反応によって生成されるヘリウム原子や中性子と材料構成原子との核反応によって生成するヘリウム原子が材料特性の劣化を著しく速めることが最近の研究から分かっており[1,2]、ヘリウム原子と照射欠陥の相互作用を調べることは今後の核融合炉開発には欠かすことはできない。本研究では、鉄にヘリウムイオンを照射し、照射欠陥とヘリウム原子の相互作用を陽電子ビームによる陽電子寿命測定を行って調べることを目的とする。
2. 実験方法
本研究では、ニラコ社製、純度 99.995%の鉄を用いた。試料の大きさは 10×10×0.2 mmで、照射面は機械研磨し、水素雰囲気中、1123K で 1 時間の歪み取り焼鈍を行った。ヘリウ
ムイオン照射はドイツのダルムシュタット工科大学のタンデム型加速器で行った。イオンの加速エネルギーは 30kV、照射温度は室温、照射量は 1×1014、1×1015、1×1016、2×1017
He+/cm2、照射速度は 1×1013 He+/cm2∙s であった。すべての試料に対して、チャルマーシュ工科大学の陽電子ビーム装置を用いて、陽電子消滅寿命測定を行った。また、1×1016 He+/cm2の試料については、京都大学原子炉実験所(KUR)において、従来型の陽電子消滅寿命測定を行った。
3. 実験結果と考察

Positron energy
5keV 6keV

2.5keV

17.5keV

0.01

Vacancies (Number/Ion/nm)

図 1 に SRIM コード[3]により求めた、30keV ヘリウムイオン照射によって形成される試料の深さ方向に対する欠陥分布を示す。生成する点欠陥量のピークは表面から 90nm 付近である。陽電子ビームの加速エネルギーは 2.5kV、5kV、6kV、7.5kV の0.80.008

0.60.006

0.40.004

0.20.002

Helium ions (Number/Ion/nm)(1) 照射欠陥の深さ分布

4 種類とし、それぞれ図 1 に縦線で示された深さ周辺の欠陥の情報を調べた。表 1 に0それぞれの照射量と陽電子エネルギーに050100
Depth (nm)1500200

図 1. 鉄に 30keV のヘリウムイオンが打ち込まれたおける損傷量を示した。

際の試料表面からの欠陥分布。

1

表 1. それぞれのイオン照射量と試料表面からの距離における損傷量。
He ions dose

Damage (dpa)(/cm2)

22 nm (2.5keV)

69 nm (5keV)

93 nm (6keV)

133 nm (7.5keV)

2 x 1017

8.8 x 10-3

1.4 x 10-2

1.5 x 10-2

1.2 x 10-2

1 x 1016

4.4 x 10-4

7.0 x 10-4

7.7 x 10-4

6.1 x 10-4

1 x 1015

4.4 x 10-5

7.0 x 10-5

7.7 x 10-5

6.1 x 10-5

1 x 1014

4.4 x 10-6

7.0 x 10-6

7.7 x 10-6

6.1 x 10-6(2) 実験結果
KUR において、1×1016 He+/cm2 照射された鉄を従来型の陽電子消滅寿命測定を行ったが、空孔型欠陥は検出されなかった。従来型の陽電子寿命測定では試料表面から 0.2mm 付近まで陽電子が侵入し、イオン照射では欠陥が表面近傍にのみ形成されるため、ほぼすべての陽電子がマトリックスで消滅したためだと考えられる。
図 2 に陽電子ビーム装置による陽電子寿命測定結果を示す。照射量が増えるにしたがって、平均寿命が長くなった。平均寿命は試料内部に含まれる空孔型欠陥の総量を意味する。
二成分解析において得られた 1000ps 以上の第二成分は表面から陽電子が再放出される際に表面でポジトロニウムを形成したためであると考えられる。
1×1016 He+/cm2 照射では、5−7.5keV の陽電子エネルギーで短寿命値として 140−160psの寿命値が得られており、2×1017 He+/cm2 照射では平均寿命が 160−180ps 程度で、二成分解析ができても長寿命強度がとても低かった。短寿命値か、二成分解析ができない場合は平均寿命が照射によって形成された欠陥の情報を表わしており、その欠陥は大きくても数個程度の原子空孔集合体であり、その内部にはヘリウム原子を含んでいるため、単空孔の寿命値 180ps よりも低い寿命値が得られたと考えられる。また、これらの寿命値の強度がとても高いことから、欠陥濃度が非常に高いことが分かった。これはヘリウムが欠陥を強くトラップし、欠陥がシンクに逃げて消滅するのを防ぎ、マトリックス中に高濃度の欠陥−ヘリウム複合体を形成したためである。また、1×1015、1×1016 He+/cm2 照射、陽電子エネ
ルギー2.5keV で得られた 597ps と 282ps という寿命値は表面の酸化膜の影響を受けたためだと考えられる。照射量の増加とともに、照射前に形成されていた酸化膜が照射によって破壊され、長寿命値が減少し、2×1017 He+/cm2 照射では長寿命値が消失した。
4. まとめヘリウムイオン照射された鉄に対して従来型と陽電子ビームの陽電子消滅寿命測定を行った。イオン照射のように表面近傍に欠陥が形成される場合には陽電子ビームがとても有効であった。ヘリウムイオン照射では高濃度の欠陥−ヘリウム複合体が形成されていることが分かった。今後は、800K、1000K、1300K、1550K 焼鈍後にも陽電子ビーム測定を行い、欠陥−ヘリウム複合体の成長過程を調べる予定である。本研究と現在まで行われているシ2ミュレーション結果[4]を合わせて考察することで、欠陥とヘリウム原子の相互作用を解明できることが期待される。
Long lifetime
intensity (%)

Long lifetime
intensity (%)

Lifetime (ps)Lifetime (ps)5432104000
3000
2000
1000
200

201006000
4000
2000300

Mean lifetime
Short lifetime
Long lifetime

Lifetime (ps)Lifetime (ps)

180
160
140
Mean lifetime
Short lifetime
Long lifetime

120
100

2.5

56
Positron energy (keV)

200

100
2.5

7.5

7.5(b)

(a)
5432
10
3000

Long lifetime
intensity (%)

Long lifetime
intensity (%)
Lifetime (ps)1086420640
620
600
580
560
200

Lifetime (ps)

4000
5000
140

Mean lifetimeShort lifetime
Long lifetime

150Lifetime (ps)Lifetime (ps)56Positron energy (keV)

Mean lifetime
Short lifetime
Long lifetime

120
100

10080
2.556Positron energy (keV)

2.57.5(c)56Positron energy (keV)

7.5(d)+

図 2. 陽電子ビーム装置による陽電子消滅寿命測定結果。He 照射量: (a) 2×1017 He+/cm2、(b) 1×1016
He+/cm2、(c) 1×1015 He+/cm2、(d) 1×1014 He+/cm2。

3

謝辞
本研究は平成 20 年度にスウェーデン、ヨーテボリのチャルマーシュ工科大学において行いました。京都大学教育研究振興財団の助成金を受けたことで行うことができました。日本
では得ることができない貴重な経験をすることができました。京都大学教育研究振興財団に改めて御礼申し上げます。
参考文献[1] H. Iwakiri et al., J. Nucl. Mater. 258-263 (1998) 873.
[2] V.Kh. Alimov et al., J. Nucl. Mater.337-339 (2005) 619.
[3] J.P.Biersack and L.G. Haggmark, Nucl. Instrum. Meth. 174 (1980) 257.
[4] R. Sugano et al., J. Nucl. Mater. 307-311 (2002) 941.

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