核融合炉のためのZnO結晶を用いた高耐久性計測窓の開発と評価

2016 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 15K18304
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 山ノ井 航平 大阪大学, レーザーエネルギー学研究センター, 助教 (30722813)
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2018-03-31
• キーワード: 光学材料 / 放射線損傷 / 核融合 / ZnO

研究実績の概要

大阪大学工学部のHiFIT装置を用いたイオン照射実験により、核融合実験炉ITERの炉心プラズマのZnO結晶への影響が明らかになりつつある。これまでに室温でのアニール効果により、生じたダメージが容易に回復することを発見し、核癒合炉窓材料としての有用性が示すことができた。さらに斜入射による反射系のX線回折実験を行い、再表面ではZnO結晶がアモルファス化し、表面の欠損を保護する役割を担っていることがわかった。一方で比較対象としたサファイアでは透過率の現象は波長160nmあたりに見られたものの、可視領域では大きな透過率の低下は見られなかった。その際、水素、重水素とヘリウムでは照射後の透過スペクトルに大きな違いが見られた。これは水素、重水素はサファイア内部に入りやすいが、ヘリウムでは入りにくいためにより表面がエッチングされたと考えられる。ZnO結晶と異なり、室温での回復が起こらないことも明らかになり、回復には1000°C程度のアニールが必要であった。これらのことから、この深紫外域で見られた透過率の低下は、主に表面の荒れと酸素欠損によるものであると結論づけた。これは一度受けた損傷の回復が難しいため、何らかの保護コーティングが必要となる可能性を示唆している。
また、ZnO結晶ではジャイロトロンを用いた100GHz帯の透過率の計測を行い、その透過率の高さから、ITERでの加熱ビームであるジャイロトロン導入の窓材料としての可能性も開けた。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

昨年度の計画通りに、一般的な窓材料の候補であり放射線に比較的に強いサファイアと比較し、容易に自己修復を行うというZnO結晶のユニークな点を明らかにすることができた。反射型のX線回折計測で再表面のみの結晶構造の歪みを確認できたのも大きい。また、ITERでの他の部分への導入を視野に入れ、ジャイロトロンによる透過率測定を行うといった新しい試みもできた。その際、詳細は省くが、ZnO結晶中の不純物の種類により発光現象が起こるも観測しており、画像計測といった応用、材料評価などに応用展開の可能性が広がっている。当初計画としては放射線耐久を持った窓材料開発がメインの目標であったが、今後はさらに加熱ビーム用にも使用できる付加価値が考えられる。

今後の研究の推進方策

昨年度に実施できなかったトリチウムの透過性の計測を行う。
また、サファイア、ZnO結晶には面方位があるため、各面方位ごとにイオン照射実験、ガンマ線照射を行い、その損傷の違い、イオンのインプランテーションの違いを明らかにし、どの面を使用するのが効果的かを判断する。
当初計画にはなかったが、今回初めて観測されたジャイロトロンでの発光現象の原因を明らかにするために様々なドーパントを加えたZnO結晶に対してGHz帯のビーム照射を行い、キャリアの寄与、物性を調査する。

次年度使用額が生じた理由

配偶者の出産に伴い、参加予定であった国際学会をキャンセルしたことが大きな理由である。
物品としては、ジャイロトロンを用いた実験を優先したため、予定していたトリチウム透過実験を行うことができなかったため、ガス配管に用いる消耗品の購入がなくなった。

次年度使用額の使用計画

トリチウムを使用した透過実験を行う予定である、その消耗品を購入する。ジャイロトロンの実験で多くのZnO結晶を多く消費したため、買い足す予定である。他の材料にも窓材料としての可能性があるため、各種既存ガラスを用いてガンマ線照射を行い比較するため、その材料も購入する。
また、これまでの成果公表のため学会の参加を増やす予定である。

研究成果

• [国際共同研究] University of Philippines(Philippines)
  • 国名: フィリピン
  • 外国機関名: University of Philippines
• [雑誌論文] Structural and optical characterization and scintillator application of hydrothermal-grown ZnO microrods (2017)
  • 著者名/発表者名: Empizo Melvin John F.、Santos-Putungan Alexandra B.、Yamanoi Kohei、Salazar Hernanie T.、Anguluan Eloise P.、Mori Kazuyuki、Arita Ren、Minami Yuki、Luong Mui Viet、Shimizu Toshihiko、Estacio Elmer S.、Somintac Armando S.、Salvador Arnel A.、Sarmago Roland V.、Fukuda Tsuguo、Sarukura Nobuhiko
  • 雑誌名: Optical Materials 巻: 65 ページ: 82～87
  • DOI: 10.1016/j.optmat.2016.09.004
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Optical transmittance investigation of 1-keV ion-irradiated sapphire crystals as potential VUV to NIR window materials of fusion reactors (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Iwano, K. Yamanoi, Y. Iwasa, K. Mori, Y. Minami, R. Arita, T. Yamanaka, K. Fukuda, M.J.F. Empizo, K. Takano, T. Shimizu, M. Nakajima, M. Yoshimura, N. Sarukura, T. Norimatsu, M. Hangyo, H. Azechi, B.G. Singidas, R. V. Sarmago, M. Oya, and Y. Ueda
  • 雑誌名: AIP Advance 巻: 6 ページ: 105108
  • DOI: 10.1063/1.4965927
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] ZnO crystal as a potential damage-recoverable window material for fusion reactors (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Yamanoi, M. J F. Empizo, K. Mori, K. Iwano, Y. Minami, R. Arita, Y. Iwasa, K. Fukuda, K. Kato, K. Takano, T. Shimizu, M. Nakajima, M. Yoshimura, N. Sarukura, T. Norimatsu, M. Hangyo, H. Azechi, T. Fukuda, B. G. Singidas, R. V. Sarmago, M. Oya, Y. Ueda
  • 雑誌名: Optical Materials 巻: 62 ページ: 646-650
  • DOI: 10.1016/j.optmat.2016.10.058
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり