Crystalline hillock formation of oxides irradiated with swift heavy ions; TEM study

高速重イオン照射した酸化物における結晶化したヒロック形成; 透過型電子顕微鏡研究

石川 法人   ; 大久保 成彰   ; 田口 富嗣

Ishikawa, Norito; Okubo, Nariaki; Taguchi, Tomitsugu

原子力システムにおいて用いられる酸化物セラミックス(酸化物核燃料や酸化物イナートマトリクス等)の耐照射性を支配する因子を把握する観点から、酸化物セラミックスにおける照射影響の機構論的理解と予測モデルの開発は重要である。本研究は、高エネルギーイオン加速器を利用して、定義された照射条件のもとでの耐照射性酸化物(CeO,NiO)の微細組織の形成挙動を詳細に観察し、微細組織の形成プロセスを推察する目的で行われた。200-340MeVの重イオンを、透過型電子顕微鏡(TEM)観察用酸化物試料に斜めから照射すると、照射試料に形成されるナノ構造の結晶構造がTEM観察できることを突き止めた。この手法を用いると、表面のナノ構造(ヒロック)が、CeOについては結晶性の良い球状ナノ構造であること、NiOについては原子レベルの階段状ステップが存在することがわかった。この研究で、初めて照射表面のナノ構造が、母相と同じ結晶構造、同じ結晶方位を持つことが分かった。

In this study, CeO and NiO were irradiated with Au ions in the energy range of 200-340 MeV at oblique incidence. Observation of as-irradiated samples by transmission electron microscope (TEM) shows that hillocks are created not only at the wide faces but also at the crack faces of thin samples. Since the hillocks created at the crack faces can be imaged by TEM, their shape and crystallographic features can be revealed by TEM. From the images of hillocks created at the crack faces, many of the hillocks are found to be spherical for ion-irradiated CeO. For ion-irradiated NiO, atomic-scale steps are found to be created at the top surface of the hillocks. We present an experimental evidence that hillocks created for both oxides irradiated with swift heavy ions have a crystal structure whose lattice spacing and orientation coincide with those of the matrix.