2015 Fiscal Year Annual Research Report
不活性高質量原子による超低軌道環境における衝突励起材料劣化現象に関する包括的理解
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25289307
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| Research Institution | Kobe University |
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Principal Investigator |
横田 久美子 神戸大学, 工学(系)研究科(研究院), 助手 (20252794)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
田川 雅人 神戸大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (10216806)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 宇宙環境 / 原子状酸素 / 材料劣化 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
これまで30年以上にわたり宇宙環境における主要な材料劣化要因としては化学的に活性な原子状酸素の影響が考慮されてきたが、近年、化学的には不活性な高質量原子の衝突が一部材料の質量損失に対して大きな影響を及ぼしている可能性が本申請者と米国研究者の研究により独立に明らかにされた。これを受けて、本研究ではN2やCO2など高質量分子衝突による劣化現象に対して、影響を受ける材料の範囲、高質量原子衝突と原子状酸素、紫外線、温度などのシナジー効果の有無と発現条件を明確化し、宇宙工学上のインパクトを定量的に精査することを目的とする。さらにNASA研究者の協力により、過去の宇宙実験結果を本研究により得られた結果に基づいて再検証し、これまで宇宙曝露実験と地上試験結果の不整合として知られていた宇宙材料工学上の問題を、高質量原子衝突現象およびそのシナジーを考慮することにより解決することを目指すものである。
平成26年度には温度可変ステージを用いて+70℃における紫外線同時照射効果についての実験を行うのと並行して、原子状酸素とArビームについての個別照射実験を実施し、複合効果における温度依存性に関する解析を行った。平成27年度にはAO+Ar混合同時照射効果について実験を実施するとともに、クロスビーム実験装置への装置改造を行った。実験の結果、原子状酸素と真空紫外線を同時照射した場合には、温度が高い条件下で複合効果が顕著に確認されること、Arビームを単独照射した場合の材料劣化は原子状酸素単独照射による劣化量と比べて小さいこと、AO+Ar同時照射時には質量減少が加速される可能性があること等が明らかになり、最終年度のクロスビーム複合照射試験に向けての準備がほぼ整った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
平成25年度にビーム中のAr、N2と原子状酸素、酸素分子の定量化手法を確立したのに引き続き、平成26年度には温度可変ステージを用いて+70℃における紫外線同時照射効果について原子状酸素とArビームについての個別照射実験を実施し、複合効果における温度依存性に関する解析を行った。その結果、FEP/Agに原子状酸素を単独照射した場合にはフィルムの変色が生じ、高温ほど質量損傷率が増大することが明らかになった。原子状酸素と真空紫外線を同時照射した場合には、温度が高い条件下で複合効果が顕著に確認され、低温時には負の複合効果（反応抑制効果）が確認された。これらの実験結果は原子状酸素と紫外線の複合効果が温度に敏感であること、すなわち、熱活性化過程を伴う化学反応が律速していることを示唆するものである。一方、Arビームを単独照射した場合の材料劣化は原子状酸素単独照射による劣化量と比べて小さいことが実験の結果示され、低地球軌道における材料劣化反応は、酸化反応、主鎖切断反応、光励起脱離反応、衝突励起脱離反応、昇温脱離反応等が同時に生じる複合反応系であり、質量減少というマクロな評価では律速過程が複雑に変化することから、全体の劣化現象の理解には個々の反応を定量的に評価する必要性があることが明らかになった。さらに平成26年度にはレーザーデトネーション装置を2基組み合わせた世界初のクロスビーム装置を実現するための装置変更がほぼ終了した。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究でこれまでに得られた結果より、超低軌道における高質量原子の衝突では多くの外的要因が材料劣化に影響することが確認され、中性原子・分子同時衝突現象に限っても、エネルギー、フラックスなど多くの要因を整理した実験が必要であることが明らかになった。超低軌道宇宙環境における極めて複雑な化学反応を定量的に解析するためには、単純化した実験条件下でのパラメータ可変実験が不可欠である。そこで本プロジェクトでは、現有のビームシステムを2台組み合わせたデュアルビームシステムを構築し、より化学反応の律速過程を明確化することを目指す。平成27年度には既存のビームシステム2式を組み合わせることにより、簡易的ながら「化学的に活性な原子状酸素」と「不活性分子の高エネルギー衝突」を独立に制御できるシステムを実現するための装置変更を行っている。これにより不活性分子の高エネルギー同時衝突の影響を定量的に解析するには極めて有効な手段となり、軌道上データのより高精度な再検討に資することが可能となると期待される。平成27年度にはクロスビーム装置の基本構成が完成したので、平成28年度にはビーム調整と実際の照射実験を行いAOとArの照射タイミング、Ar衝突エネルギー依存性、Arフラックスの効果等について明らかにする予定である。ただ、当初本申請で追加購入を予定していたイオン検出器（浜松ホトニクスH8285）が生産中止になっており、再生産の可能性について現在メーカーと協議中である。このイオン検出器の再生産が不可能で、かつ代替品が見つからない場合には、他の装置から一時流用することになり研究効率の低下が避けられない。その場合には計画の再検討・再構成が必要になる可能性がある。
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| Causes of Carryover |
2016年に開催が予定されていた本分野における国際会議ICPMSE-12が、ホスト機関の都合により2016年開催にずれ込んだため、そのための旅費を平成28年度に残したこと、当初本申請で追加購入を予定していたイオン検出器（浜松ホトニクスH8285）が生産中止になっており、再生産の可能性について現在メーカーと協議中であるために平成27年度の使用額が少なくなった。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
ICPMSE-12関連の旅費は2016年度に支払いが完了する予定である。H8285はメーカーとの協議の結果次第である。現在、代替品についても調査中である。本研究に関しては、これまで無視されてきた宇宙環境要因が材料劣化に極めて大きな影響を与えることが証明できたので、当該研究コミュニティーに対する研究成果発表機会を増やす予定である。
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[Journal Article] Hyperthermal atomic oxygen beam irradiation effect on the hydrogenated Si-doped DLC film2015
Author(s)
Kengo Kidena, Minami Endo, Hiroki Takamatsu, Ryo Imai, Masahito Niibe, Kumiko Yokota, Masahito Tagawa, Yuichi Furuyama, Keiji Komatsu, Hidetoshi Saitoh, Kazuhiko Kanda
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Journal Title
Trans. Mat. Res. Soc. Japan
Volume: 40
Pages: 353-358
Peer Reviewed
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