2013 Fiscal Year Annual Research Report
核融合周辺プラズマにおけるアーク現象と共堆積膜中への水素同位体吸蔵に関する研究
| Project/Area Number |
25289336
|
|---|
| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
|
| Research Institution | Kanazawa University |
|---|
Principal Investigator |
上杉 喜彦 金沢大学, 電子情報学系, 教授 (90213339)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
田中 康規 金沢大学, 電子情報学系, 教授 (90303263)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
|
| Keywords | 水素同位体吸蔵 / 周辺プラズマ / 低温反応性プラズマ / ダイバータ / トカマク型核融合炉 / トリチウム / プラズマー壁相互作用 |
|---|
| Research Abstract |
Heliotron-DR 装置を用いて~3 kW の高周波放電により水素あるいは重水素定常プラズマを生成する。重水素プラズマ中に流量比QCH4/QD2=5 % のメタンを導入して水素化炭素膜を生成し、膜厚及び膜中に吸蔵される重水素量が窒素を添加することでどのように影響されるか調べた。メタン及び窒素導入時の電子温度と電子密度は、それぞれne~2x1016 m-3, Te~10 eV である。
加熱ステージ上に設置したシリコン試料上に堆積した水素化炭素膜の膜厚は、QN2/QD2=5 % 窒素
添加により試料温度が350 K 以上の高温領域では大きく減少することが確認された。また、350 K 以下の低温領域では、炭素膜成長が約2 倍ほど促進される結果となった。このように窒素添加による炭素膜成長の抑制効果は強い表面温度依存性を持つことから、この炭素膜成長抑制は主として窒素を含んだ基板表面から水素化炭素膜中の化学反応が関与しているしていると思われる。水素プラズマ中にメタンおよび窒素を導入したときに排気ダクトに設置した四十極質量分析器(QMS)を用いてH-C-N 系反応性分子の分圧変化を測定した。その結果、メタンを導入したときには、凝集性炭化水素分子(CHx)分圧上昇は急峻な変化を示すが、増加量は少ない。一方、窒素を導入した場合は、揮発性NHx 分子やHCN分子の上昇は非常に緩やかで増加量もメタンに比べると大きい。このようなH-C-N系反応性分子の振る舞いの違いは、解離した窒素原子の水素化炭素膜中への拡散と膜中でのNHx,CN などの揮発性分子の生成と放出によるものと考えられる。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
水素を含んだ炭素膜堆積成長に対する窒素添加の効果に関しては、誘導熱プラズマを用いた実験で得られた知見と矛盾しない結果を得るとともに、窒素の炭素膜成長には強い壁温度依存性があり、Ts=350~400 K当たりに炭素膜成長促進と抑制を分ける領域があることを見いだした。
また、水素同位体吸蔵量の定量評価するための初期実験として、水素化炭素膜堆積実験後に堆積膜中に含まれる粒子をプラズマ照射により脱離し、放出ガス分析を行った結果、窒素添加の有無により水素同位体の放出量に大きな差異があることを明らかにした。また、TSD測定に用いる一次元可動・加熱サンプルステージを作成して実験に私用できる見通しを得ている。
アーク放電による不純物導入試験では、数十Aの直流アーク放電により炭素不純物導入は出来るものの電極損耗が激しく数時間にわたって安定した不純物導入が難しいことおよび導入不純物量の制御が難しいことが判明した。現在、低圧直流アーク放電に代わる高圧パルスアーク放電の準備を行っている。
以上の結果より、当初計画していた研究目的の達成に対して順調に進展していると判断した。
|
| Strategy for Future Research Activity |
昨年度に引き続き、炭素およびタングステン等の金属不純物堆積膜中に吸蔵される水素同位体の抑制手法開発を目指して、以下の項目に示す研究課題に取り組む。
（１）水素同位体として軽水素と重水素が混在した系では、質量分析等で粒子同定に困難さや曖昧さが出てしまう。これを回避するために軽水素をほとんど含まない重水素プラズマに不純物（炭素等）を導入する実験系とするために、メタン(CH4)に代わる重水素化ベンゼン(C6D6)を用いた炭素導入や高電圧パルスアークによる長時間にわたり安定な炭素不純物導入法を確立する。
（２）タングステンやアルミニウムなどの金属不純物導入に対しても炭素で確立した高電圧パルス法を用いる。
（３）炭素堆積膜や金属堆積膜中に含まれる重水素量の定量評価法として、真空容器壁全面を使ったプラズマ脱離法と加熱サンプルステージを用いた簡易TDS法の二通りの方法を用いて、不純物膜中に吸蔵される重水素量に対する窒素添加の効果を明らかにする。
|
| Expenditure Plans for the Next FY Research Funding |
当初予定していた物品費を上回ったのは、実験時に予期せぬ故障や部品交換等のために追加物品の購入が増えたためであり、その収支調整の際に1万5千円弱の次年度使用額が生じたものであり、研究計画もほぼ順調に進んでいるので特に問題は無いと考えている。
額が1万5千円弱とわずかであり、次年度の消耗品購入に充てる予定である。
|
