2011 Fiscal Year Research-status Report
先進的ナノ加工技術を用いたＭｉｘｅｄ－ｍａｔｅｒｉａｌ堆積層の構造特性評価
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23760811
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| Research Institution | National Institute for Fusion Science |
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Principal Investigator |
時谷 政行 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 助教 (30455208)
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| Project Period (FY) |
2011-04-28 – 2014-03-31
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| Keywords | Mixed-material / 再堆積層 / ナノ加工 / 微細構造観察 / 電子顕微鏡 / プラズマ・壁相互作用 / イオンビーム分析 / スパッタリング損耗 |
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| Research Abstract |
集束イオンビーム加工 (FIB)による高精度のナノ加工技術と微細構造解析を併用し，大型ヘリカル装置(LHD:核融合科学研究所)のプラズマ対向材料表面に形成される金属/炭素/ガス元素の混在組成の堆積層(Mixed-material)のナノ構造と機械的特性およびプラズマ粒子捕捉特性を，トーラス壁面全域にわたって明らかにすることが本研究の目的である． LHDの真空容器は複雑な3次元ヘリカル形状であるため，真空容器の場所によって形成される堆積層の組成や構造が異なることが分かっている．平成23年度のプラズマ曝露実験では，LHD真空容器内部のトロイダル方向各所に堆積層採集用のSi，SUS，Wのバルク試料を設置し，約3ヶ月のプラズマ実験に曝露させた．試料を設置するホルダーは第一壁と電気的に同電位の「壁電位試料」とアルミナの絶縁ガイシで電気的に浮かせた「浮遊電位試料」に分けて設置した．LHD真空容器壁のスパッタリング損耗は，グロー電極と第一壁間の直流放電で行われる低エネルギーのグロー放電洗浄に依存していることがわかっており，エネルギーを持った粒子が入射できない浮遊電位試料を分析することで，壁に輸送される不純物の絶対量を把握することができる． 取り出した試料において，FIB加工を開始し，一部の試料で透過型電子顕微鏡(TEM)観察による微細構造解析を実施した．また，ラザフォード後方散乱法(RBS)による堆積層の構造解析も行った．壁電位試料では，SUS試料表面に最大で1μmのスパッタリング損耗およびヘリウムプラズマ照射による照射損傷組織が確認された，一方，浮遊電位試料では最大で厚さ約200nmの炭素や金属によるMixed-material堆積層の形成が確認された，結果より，LHDにおけるスパッタリング損耗はグロー放電洗浄による効果が支配的であることがわかった．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
LHD真空容器内部のトロイダル方向各所に堆積層採集用のSi，SUS，Wのバルク試料を設置し，プラズマ曝露実験中にLHDプラズマへの照射を実施する計画，およびその後集束イオンビーム(FIB)を用いたナノ加工，一部の試料での透過型電子顕微鏡(TEM)による微細構造観察が行われた．また，ラザフォード後方散乱法(RBS)，弾性反跳粒子検出法(ERD)を用いた堆積層の組成とそこに含まれている水素量の分析についても実験が行われた．これらは当初予定していた計画であり，計画通りに進展している証拠である． 微細構造解析により，LHDの真空容器壁のスパッタリング損耗がグロー放電洗浄に依存していることがわかったことは，プラズマへの不純物発生機構を考察する上で重要な知見である．
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| Strategy for Future Research Activity |
バルク材料表面に堆積した堆積層からナノ微細構造解析とナノ機械特性評価に使用する断片薄膜を切り出す．また，九州大学応用力学研究所既設の透過型電子顕微鏡(TEM)を利用して，ナノ微細構造解析を本格的に開始する．通常のTEM観察だけでは層構造中の元素組成の同定と結晶構造の確定には至らないため，走査型透過電子顕微鏡(STEM)を併用して構造解析と組成分析を同時に実施する．これには，(株)日立ハイテクノロジーズ社製のSTEMの使用を検討している．LHDのトロイダル方向各所での堆積層の微細構造を壁電位と浮遊電位試料に対して明らかにする．結果より，プラズマ加熱機器の場所や対向材料の形状に対する微細構造と元素組成のトロイダル異方性を整理する．
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| Expenditure Plans for the Next FY Research Funding |
照射試験用試料の購入及び試料輸送用の真空デジケータの購入を予定している．また本研究は，他の大学や研究機関設置の装置を多く使用するため，他の研究施設への出張旅費および装置使用に関わる消耗品の購入が中心となる．さらに，ドイツで開催される第20回プラズマ壁相互作用国際会議への出席を予定しており，その出張旅費としても使用される予定である．
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[Presentation] Change of surface morphology and particle retention of the plasma facing materials in the fusion devices under helium irradiation and formation of the mixed-material deposits2011
Author(s)
M. Tokitani, S. Masuzaki, N. Yoshida, N. Noda, S. Kajita, N. Ohno, A. Sagara, H. Yamada, LHD Experiment Group
Organizer
Plasma Conference 2011(招待講演)
Place of Presentation
Kanazawa, Ishikawa, Japan
Year and Date
24 November, 2011
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[Presentation] Evaluation of the microscopic damage and erosion/deposition profiles on the LHD first-wall by using toroidal array probes2011
Author(s)
M. Tokitani, N. Yoshida, S. Masuzaki, N. Noda, A. Sagara, H. Yamada, LHD Experiment Group, S. Nagata, B. Tsuchiya
Organizer
15th International Conference on Fusion Reactor Materials
Place of Presentation
Charleston, South Carolina USA
Year and Date
18 October, 2011
