Differential surface charging of Cs-contained vermiculite as observed by synchrotron radiation X-ray photoemission spectroscopy

シンクロトロン放射光X線光電子分光で観察されるCs含有バーミキュライトの部分表面帯電

寺岡 有殿; 岩井 優太郎*; 岡田 隆太; 吉越 章隆 

Teraoka, Yuden; Iwai, Yutaro*; Okada, Ryuta; Yoshigoe, Akitaka

福島県におけるCsの除染と放射性廃棄物の減容化方法の開発に資するため、放射光X線光電子分光を活用して粘土鉱物に吸着したCsの化学結合状態の研究を行った。本発表ではバーミキュライトに吸着したCsを光電子分光分析する際の中和電子銃による表面電荷の変調効果について述べる。実験はSPring-8のBL23SUの表面化学実験ステーションで行われた。試料は福島県産バーミキュライトに市販の非放射性CsCl水溶液を用いてCsを2.1重量%吸着させたもの、および、市販のCs化合物(CsClOなど)を用いた。放射光エネルギーはAl-K線と同じ1486.6eVとした。CsClOのオージェパラメータがバーミキュライト中Csのそれに近いことから、バーミキュライト中のCsも主としてO原子と相互作用している。Cs3d光電子スペクトルに現れた4つの成分のうち、表面電荷の変調によって帯電緩和した成分は最もイオン結合性の強い成分のみであった。それは風化してできた広いケイ酸塩層の間で水和しているCsに由来すると推測した。一方、帯電緩和しない成分はCsがK等と置換して狭いケイ酸塩層の間に入り込み、O原子やSi原子と共有結合性を持つと結論した。

The decontamination of Cs is necessary to make volume reduction of radioactive waste. In our research group, chemical bonding states of Cs in clay minerals has been studied by synchrotron X-ray photoemission spectroscopy (SR-XPS). In this presentation, effects of surface charging via an electron flood gun during SR-XPS is discussed. All SR-XPS experiments were conducted at SUREAC2000 of BL23SU in SPring-8. The natural vermiculite produced in Fukushima prefecture, Japan was processed to adsorb Cs by dipping in a non-radioactive CsCl solution. The concentration of Cs was 2.1 wt%. The other Cs compounds, e.g. CsClO, were also used. The synchrotron radiation of 1486.6 eV, identical with the Al-K line for convenience' sake of comparison with experiments in a laboratory, was used. Sample surface charging was changed by an electron flood gun during SR-XPS. It was revealed that the Auger parameter of Cs of CsClO was closest to that of Cs-contained vermiculite, suggesting Cs atoms adsorbed in the vermiculite may also interact with O atoms contained in the vermiculite. Photoemission spectra of Cs-3d core levels were measured to find four components. The component having the highest binding energy is only shifted by the operation of flood gun, suggesting most ionic chemical bonding. Consequently, the shifted component may be originated from Cs hydrated in water of weathered wide crevice between phyllosilicate layers. The other components are corresponding to interaction with O and Si atoms in narrow phyllosilicate interlayers.