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Hydrogen-induced vacancies in tungsten studied by in-situ analysis of vacancies using positron annihilation measurements under hydrogen charging

Research Project

Project/Area Number 23K03359
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (C)

Allocation TypeMulti-year Fund
Section一般
Review Section Basic Section 14020:Nuclear fusion-related
Research InstitutionKyoto University

Principal Investigator

薮内 敦  京都大学, 複合原子力科学研究所, 助教 (90551367)

Project Period (FY) 2023-04-01 – 2026-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000)
Fiscal Year 2025: ¥130,000 (Direct Cost: ¥100,000、Indirect Cost: ¥30,000)
Fiscal Year 2024: ¥260,000 (Direct Cost: ¥200,000、Indirect Cost: ¥60,000)
Fiscal Year 2023: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
Keywords原子空孔 / 水素チャージ / 陽電子消滅 / 陽電子寿命 / タングステン / 水素誘起空孔 / 電解水素チャージ
Outline of Research at the Start

タングステンは空孔形成エネルギーが大きいため、水素原子と空孔の相互作用を考慮しても水素の導入が空孔形成にはつながらないと考えられてきた。一方で、空孔と水素原子の配置のエントロピーまでを考慮に入れて空孔濃度を計算すると、タングステン中の水素濃度がある一定値を超えたときに室温でも空孔濃度が急増し始めるとの理論予測がある。本研究ではタングステン試料に水素を供給し続けた状態での陽電子消滅測定による空孔その場分析を行い、タングステンで理論予測されている水素誘起空孔について検証する。

Outline of Annual Research Achievements

今年度はタングステン試料中の初期欠陥の除去を目的とした高温アニールと、アニール後に一部の試料について陽電子寿命の同時計測は行わないオフラインで電解水素チャージを行った。純度99.999%、厚さ0.8 mmのタングステン板から10 mm角試料を複数枚切り出した。次に真空中で約2200℃で15分間のアニールを施した。アニールした試料は、カプトン箔で密封されたNa-22陽電子線源を用いた従来法による陽電子寿命測定装置により陽電子寿命を計測し、陽電子寿命スペクトルには無欠陥バルク成分と線源成分(カプトン箔成分)のみしか含まれないことを確認した。
アニールした試料のうち一部は、5 g/LのNH4SCNを含む0.1 mol/LのNaOH水溶液中で電流密度5 mA/cm2で10日間の電解水素チャージを行った。未チャージ材および水素チャージ材について、分子科学研究所・極端紫外光研究施設でガンマ線誘起陽電子消滅寿命分光法による陽電子寿命計測を行った。
未チャージ材からはNa-22陽電子線源を用いた従来法の結果とは異なり、無欠陥バルクの陽電子寿命成分(100 ps ± 1 ps)が強度97.5%±0.5%で観測されたのに加え、第2成分として空孔クラスターに由来すると考えられる342 ps ± 39 psの陽電子寿命成分が2.5%±0.5%の強度で観測された。この陽電子寿命成分がNa-22陽電子線源を用いた従来法で検出できなかったのは、カプトン箔の陽電子寿命(約380 ps)と近いために線源成分と区別がつかなかったことによると考えられる。次に、水素チャージ材では第2成分の陽電子寿命が261 ps ± 22 psと短くなり、その強度は4.5%±1.0%に増大した。この第2成分の変化は、水素チャージによる空孔-水素欠陥複合体(陽電子寿命200 ps未満)の形成によりもたらされた可能性がある。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

10日間の水素チャージ処理の前後で陽電子寿命スペクトルに僅かながら変化が生じることが確認できた。一方で、最新の計測手法を適用したことでタングステン中には2200℃でのアニール後も空孔クラスターが除去しきれず残存することも明らかになった。

Strategy for Future Research Activity

今後、水素チャージしながら陽電子消滅測定を行うための実験セットアップの準備を進める。また、スペクトル解析においてはアニールにより除去しきれなかった空孔クラスターの存在に留意して進める。

Report

(1 results)
  • 2023 Research-status Report
  • Research Products

    (15 results)

All 2024 2023

All Journal Article (4 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 4 results) Presentation (11 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results)

  • [Journal Article] Investigation of vacancy-type defects in diamond-like carbon films using slow positron beam2024

    • Author(s)
      Kanda Kazuhiro、Mishima Tomohiro、Akasaka Hiroki、Hori Fuminobu、Yabuuchi Atsushi、Kinomura Atsushi
    • Journal Title

      Japanese Journal of Applied Physics

      Volume: 63 Issue: 4 Pages: 045503-045503

    • DOI

      10.35848/1347-4065/ad327f

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Study of Vacancy Clusters and Antisite Defects in Titanium Beryllide Be<sub>12</sub>Ti Using Positron Annihilation Spectroscopy2024

    • Author(s)
      Xu Qiu、Yang Qigui、Popov Evgeni、Yabuuchi Atsushi、Shibayama Tamaki、Kim Jaehwan、Nakamichi Masaru、Cao Xingzhong
    • Journal Title

      physica status solidi (b)

      Volume: 261 Issue: 3 Pages: 2300489-2300489

    • DOI

      10.1002/pssb.202300489

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Lattice Defects Underneath Hydrogen-induced Intergranular Fracture Surface of Ni-Cr Alloy Evaluated by Low-energy Positron Beam2023

    • Author(s)
      Tomatsu Kota、Omura Tomohiko、Aoki Takahiro、Yabuuchi Atsushi、Kinomura Atsushi
    • Journal Title

      ISIJ International

      Volume: 63 Issue: 11 Pages: 1889-1896

    • DOI

      10.2355/isijinternational.ISIJINT-2023-080

    • ISSN
      0915-1559, 1347-5460
    • Year and Date
      2023-11-15
    • Related Report
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    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Positron annihilation spectroscopy of thermally annealed hydrogenated amorphous carbon films2023

    • Author(s)
      Nakao Setsuo、Kinomura Atsushi、Ikeda Keisuke、Nakajima Makoto、Yabuuchi Atsushi、Suzuki Kohtaku
    • Journal Title

      Vacuum

      Volume: 215 Pages: 112255-112255

    • DOI

      10.1016/j.vacuum.2023.112255

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      神田 一浩、丹羽 大輔、三嶋 友博、中西 康次、福室 直樹、堀 史説、薮内 敦、木野村 淳
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      第71回応用物理学会春季学術講演会
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  • [Presentation] 高水素化DLC膜の自由体積の昇温温度依存性2024

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      丹羽大輔、三嶋友博、中西康次、福室直樹、木野村淳、薮内敦、堀史説、神田一浩
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    • Organizer
      日本金属学会2024年春期第174回講演大会
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  • [Presentation] In-Situ Positron Lifetime Measurements of Pure Iron During Tensile Deformation Using Gamma-Ray-Induced Positron Annihilation Spectroscopy2023

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      Atsushi Yabuuchi, Ryo Awaji, Tetsuya Hirade, Masanori Fujinami, Nagayasu Oshima, Kenichi Takai, and Yoshitaka Taira
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      薮内 敦、平出 哲也、藤浪 眞紀、淡路 亮、大島 永康、高井 健 一、平 義隆、杉田 健人
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      Yoshitaka Taira, Yasuaki Okano, Tetsuya Hirade, and Atsushi Yabuuchi
    • Organizer
      16th International Workshop on Slow Positron Beam Techniques & Applications (SLOPOS-16)
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] プラズマ照射したSi表面近傍の損傷の陽電子消滅法による評価2023

    • Author(s)
      重定 瑠士、一宮 正義、番 貴彦、薮内 敦、木野村 淳、柳澤 淳一
    • Organizer
      第84回応用物理学会秋季学術講演会
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      中尾節男、木野村淳、池田佳祐、中島諒、薮内敦、鈴木耕拓
    • Organizer
      令和5年度京都大学複合原子力科学研究所専門研究会「陽電子科学とその理工学への応用」
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  • [Presentation] 電子線照射されたBCC型高エントロピー合金VZrNbMoTaの空孔回復挙動2023

    • Author(s)
      蟹川将世、杉田一樹、水野正隆、薮内敦、木野村淳、荒木秀樹
    • Organizer
      令和5年度京都大学複合原子力科学研究所専門研究会「陽電子科学とその理工学への応用」
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      2023 Research-status Report
  • [Presentation] Au ion irradiation of GdBa2Cu3Oy coated conductors: superconducting properties and induced defects2023

    • Author(s)
      T. Ozaki, H. Okazaki, H. Koshikawa, S. Yamamoto, T. Yamaki, M. Saeki, T. Sueyoshi, S. Semboshi, A. Yabuuchi, and H. Sakane
    • Organizer
      1tst International Workshop on Irradiation effects on high temperature superconductors (IREF23)
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 京都大学複合原子力科学研究所電子線型加速器施設(KURNS-LINAC)の現状2023

    • Author(s)
      阿部尚也、高橋俊晴、堀順一、木野村淳、籔内敦、阪本雅昭、吉野泰史、高見清
    • Organizer
      第20回日本加速器学会年会
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      2023 Research-status Report

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Published: 2023-04-13   Modified: 2024-12-25  

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