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2017 年度 実績報告書

複合アニオン薄膜分析用水素検出効率100%の重イオンERDA開発

公募研究

研究領域複合アニオン化合物の創製と新機能
研究課題/領域番号 17H05475
研究機関筑波大学

研究代表者

関場 大一郎  筑波大学, 数理物質系, 講師 (20396807)

研究期間 (年度) 2017-04-01 – 2019-03-31
キーワード水素 / イオビーム分析 / 複合アニオン / 反跳原子検出法
研究実績の概要

複合アニオン系の定義や意義について定まったものはないが、申請者は錯体の中のいわゆる錯イオン(陰イオン)の新しい組成探索と捉えている。錯イオンの多くは中心金属の周りに八面体配位などの形状で酸素などの軽元素が結合し、全体で一つの陰イオンを作る。この負電荷と骨格となる陽イオン(多くは他の金属)がイオン結合をしている。複合アニオン系では錯イオン中の軽元素を複数種混ぜ合わせることで新しい機能の発現、新しい学理の発現が期待されている。基本的に化学系の研究者による新奇合成と機能探索が先行するが、意図的に混合させた軽元素の絶対量を決定することは容易ではなく、本研究では静電加速器を用いたdE-E telescope ERDAの他、深さ分解能に優れるTOF-E telescope ERDAの開発によって組成決定に寄与している。複合アニオン系で使われる軽元素には水素も頻繁に使われるが、上記のイオンビーム分析法では水素に感度がないか、もしくは小さくかつ再現性がないという問題がある。平成29年度においては前方30°反跳のdE-E telescope ERDAに前方45°の位置にストッパフォイル型の半導体検出器を付加的に設置することで100%の水素および重水素の検出効率を実現することができた。一方、本来のTOF-E telescope ERDAによる水素検出にむけ、東京大学素粒子センターの協力の下、小型ワイヤーチェンバーの製作と筑波大学内の1 MVタンデトロンによる1~2 MeVの水素イオン検出実験を行い、3次元トラックの取得に成功した。このときのワイヤーチェンバー中のArガス圧は50,000 Paと大気圧に近いものを用いたため、今後は酸素や窒素なども測定できるよう、より低い圧力での実験を進める。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

dE-E telescope ERDAは入射イオン(本研究では多くの場合40 MeV Cl(7+))により反跳された軽元素(フッ素、酸素、窒素、炭素、リチウム)について、運動エネルギーのみならず、元素を識別する能力を持つ。識別には半導体検出器の前段に設置したArを用いた電離箱でのエネルギー損失を用いる。水素についてはArとの相互作用が極めて小さいためノイズとの切り分けができず、事実上測定することができなかった。それを3次元軌跡を追跡する新しいTOF-E telescope ERDAの開発により克服するのが当初の目的であった。平成29年度はワイヤーチェンバーにより水素の3次元軌跡を観察することに成功し、初年度としては順調に進んでいる。一方、dE-E telescope ERDAに付加的な半導体検出器を組み合わせることで100%の水素検出が可能となるアイデアを考案し、当初の目的自体は全く別の方法で実現することができた。そのため、3次元軌跡による水素検出は順調に推移しているほか、他の方法で予定以上の正かを上げることができたため、「当初の計画以上に進展している」と判断した。

今後の研究の推進方策

当初目的は初年度において別のアイデアで達成しているが、TOF-E telescope ERDAは深さ分解能に優れるなど別のメリットがあるためこのまま開発を継続する。2つのMCP (Micro channel plate) でスタート・ストップ信号を作り、飛行時間を測定したうえで後段の半導体検出器でエネルギーを測定する従来型のTOF-E telescope ERDAを開発するほか、TOF管の中を希ガスで見たし、複数の比例計数管ワイヤー(アノードワイヤー)で反跳粒子の3次元軌跡を分析するタイプの検出器開発を進める。これまで水素を検出するテストに特化した仕様にしていたためTOF管の中のAr圧力をほぼ1気圧にしていたが、この条件では他のやや重い元素はすぐにエネルギーを損失してしまい十分な長さの軌跡を得ることができない。そのため水素を検出しつつ、かつフッ素、酸素、窒素、炭素、リチウム等の軽元素を同時検出できるようなより低いAr圧力やTOF管の長さ設定などを模索していく。また、多チャンネルの比例計数管を低ノイズで動作させるための小型プリアンプの設計、TOF管中への設置などの細かい仕様も合わせて設計・製作を進めていく。

  • 研究成果

    (14件)

すべて 2018 2017 その他

すべて 雑誌論文 (7件) (うち国際共著 1件、 査読あり 7件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (5件) (うち国際学会 1件) 図書 (1件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] Epitaxial Growth of Baddeleyite NbON Thin Films on Yttria-Stabilized Zirconia by Pulsed Laser Deposition2018

    • 著者名/発表者名
      V. Motaneeyachart, Y. Hirose, A. Suzuki, S. Nakao, I. Harayama, D. Sekiba, T. Hasegawa
    • 雑誌名

      Chem. Lett.

      巻: 47 ページ: 65

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Ferromagnetism with strong magnetocrystalline anisotropy in A-site ordered perovskite YBaCo2O6 epitaxial thin film prepared via wet-chemical topotactic oxidation2018

    • 著者名/発表者名
      T. Katayama, A. Chikamatsu, Y. Hirose, M. Minohara, H. Kumigashira, I. Harayama, D. Sekiba, T. Hasegawa
    • 雑誌名

      J. Mater. Chem.

      巻: C6 ページ: 3445

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Experimental verification of a gain reduction model for the space charge effect in a wire chamber2018

    • 著者名/発表者名
      N. Nagakura, K. Fujii, I. Harayama, Y. Kato, D. Sekiba, Y. Watahiki, S. Yamashita
    • 雑誌名

      Prog. Theor. Exp. Phys.

      巻: 013C01 ページ: 013C01

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Calibration of PIXE yields using Cu as a reference2017

    • 著者名/発表者名
      I. Harayama, D. Sekiba, Q. Zhao, A. Vantomme, W. Vandervorst, J. Meersschaut
    • 雑誌名

      Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B

      巻: 406 ページ: 115-118

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Installation of high-resolution ERDA in UTTAC at the University of Tukuba: Determination of the energy resolution and the detection limit for hydrogen2017

    • 著者名/発表者名
      D. Sekiba, K. Chito, I. Harayama, Y. Watahiki, S. Ishii, K. Ozeki
    • 雑誌名

      Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms

      巻: 401 ページ: 29-32

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Topotactic fluorination of perovskite strontium ruthenate thin films using polyvinylidene fluoride2017

    • 著者名/発表者名
      K. Kawahara, A. Chikamatsu*, T. Katayama, T. Onozuka, D. Ogawa, K. Morikawa, E. Ikenaga, Y. Hirose, I. Harayama, D. Sekiba, T. Fukumura, T. Hasegawa
    • 雑誌名

      CrystEngComm

      巻: 19 ページ: 313-317

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Reversible resistance modulation induced by fluorine substitution in perovskitenickelate NdNiO2 thin films2017

    • 著者名/発表者名
      T. Onozuka, A. Chikamatsu, T. Katayama, Y. Hirose, I. Harayama, D. Sekiba, E. Ikenaga, M. Minohara, H. Kumigashira, T. Hasegawa
    • 雑誌名

      ACS Appl. Mater. Interfaces

      巻: 9 ページ: 10882-10887

    • 査読あり
  • [学会発表] Study of PSD with energy resolution for improvement of hydrogen sensitivity in high-resolution ERDA2017

    • 著者名/発表者名
      I. Harayama, T. Tamura, K. Tsujita, Y. Watahiki, K. Ozeki, D. Sekiba
    • 学会等名
      23rd International Conference on Ion Beam Analysis, Fundai University, Shanghai, China, October 8th~13th, 2017
    • 国際学会
  • [学会発表] Pd(110)の水素脱離過程解明に向けたチャネリングHERDA装置開発の現状2017

    • 著者名/発表者名
      菊田純市,関場大一郎
    • 学会等名
      日本物理学会,22aN12-12,2017年秋季大会,岩手大学上田キャンパス
  • [学会発表] PIXEの定量性向上に向けた相対補正因子h factorを用いた構成方法の評価2017

    • 著者名/発表者名
      原山勲,関場大一郎,Q. Zhao, A. Vantomme, W. Van der Vorst, J. Meersschaut
    • 学会等名
      日本物理学会,23aA18-3,2017年秋季大会,岩手大学上田キャンパス
  • [学会発表] 試作アンプと半導体検出器の組み合わせによる反跳水素の観察2017

    • 著者名/発表者名
      杉澤悠紀,原山勲,辻田耕希,関場大一郎
    • 学会等名
      日本物理学会,23aA18-5,2017年秋季大会,岩手大学上田キャンパス
  • [学会発表] 高分解能ERDA測定に向けた16チャンネル位置敏感検出器用プリアンプの開発2017

    • 著者名/発表者名
      辻田耕希,杉澤悠紀,原山勲,関場大一郎
    • 学会等名
      日本物理学会,23aA18-6,2017年秋季大会,岩手大学上田キャンパス
  • [図書] Compendium of Surface and Interface Analysis2018

    • 著者名/発表者名
      The Surface Science Society of Japan (編集)
    • 総ページ数
      853
    • 出版者
      Springer
    • ISBN
      978-9811061554
  • [備考] 関場研究室

    • URL

      http://www.tac.tsukuba.ac.jp/~sekiba/

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公開日: 2018-12-17  

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