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論文

Comprehensive study on initial thermal oxidation of GaN(0001) surface and subsequent oxide growth in dry oxygen ambient

山田 高寛*; 伊藤 丈予*; 淺原 亮平*; 渡邉 健太*; 野崎 幹人*; 中澤 敏志*; 按田 義治*; 石田 昌宏*; 上田 哲三*; 吉越 章隆; et al.

Journal of Applied Physics, 121(3), p.035303_1 - 035303_9, 2017/01

 被引用回数:22 パーセンタイル:5.86(Physics, Applied)

GaNは高耐圧、大電流、低損失の次世代パワーデバイス材料として注目されている。GaN表面の酸化処理技術には、表面パッシベーション技術や、アイソレーション技術、ゲート絶縁膜技術などがあり、デバイス特性向上のための重要な要素技術となっている。そのため、GaN表面の熱酸化処理はこれまで詳細な検討が行われてきている。しかし、その酸化物形成過程は十分解明されていない。例えば、これまで厚いGaN酸化物の形成については多くの報告があるが、初期酸化過程については少ない。また、X線光電子分光(XPS)分析は、そのGaN表面の初期酸化過程の評価によく利用されているが、Ga-NやGa-O結合成分の正確な特定には至っていない。さらに、形成されたGaN酸化物の構造特性評価も十分な検討は行われていない。本研究では、GaN表面の熱酸化過程をXPS、分光エリプソメトリ(SE)、原子間力顕微鏡(AFM)、X線回折(XRD)測定を用いて評価した。特に、異なる転位密度を有するエピGaN層の酸化物形成過程について調べた。本実験には、Si基板上および自立GaN基板上にエピ成長した2種類のGaN試料を用いた。GaN/SiとGaN/GaN試料の転位密度は108と105cm-2台になるとそれぞれ見積もられている。両試料は大気圧O$$_{2}$$雰囲気中において700$$sim$$1000$$^{circ}$$Cの温度範囲で30分間熱酸化した。800$$^{circ}$$C以下の熱酸化では、表面近傍に存在する欠陥の酸化によると考えられる厚さ1nm以下の薄い酸化層が形成された。この酸化層の膜厚は酸化温度とは無関係にほとんど変化していなかったことから、酸化が飽和傾向にあると考えられた。また、GaN/Siで観察された転位部では微小な酸化物結晶の形成が確認されており、転位部において優先的に酸化が進行することがわかった。900$$^{circ}$$C以上の更なる酸化温度の増加では、$$alpha$$-と$$beta$$- Ga$$_{2}$$O$$_{3}$$結晶粒が両エピGaN層上にエピタキシャリに成長した。GaN/Siでは、転位部で顕著にGa$$_{2}$$O$$_{3}$$結晶が成長したため、荒れた表面形状が観察された。一方、GaN/GaNでもGa$$_{2}$$O$$_{3}$$微結晶粒が観察領域全面に渡って形成されたが、比較的平坦な表面形状が維持されていることがわかった。

論文

Effect of nitrogen incorporation into Al-based gate insulators in AlON/AlGaN/GaN metal-oxide-semiconductor structures

淺原 亮平*; 野崎 幹人*; 山田 高寛*; 伊藤 丈予*; 中澤 敏志*; 石田 昌宏*; 上田 哲三*; 吉越 章隆; 細井 卓治*; 志村 考功*; et al.

Applied Physics Express, 9(10), p.101002_1 - 101002_4, 2016/10

 被引用回数:14 パーセンタイル:18.56(Physics, Applied)

熱安定性, 信頼性および界面特性の観点でALGaN/GaN上のAlONゲート絶縁物の優れた物理的および電気的特性が、AlON堆積後のアニールによって得られた。アルミナへの窒素混入によって絶縁物/AlGaN界面におけるインターミキシングを抑えるとともにAl$$_{2}$$O$$_{3}$$膜中の電気的な欠陥の数を減少させることが示された。結果として、電荷注入に対する安定性をもたらすとともに界面欠陥密度を1.2$$times$$10$$^{11}$$cm$$^{-2}$$ eV$$^{-1}$$に抑えた高品質AlON/AlGaN/GaN金属-絶縁物-半導体キャパシターを得ることができた。絶縁物への窒素取り込みの重要性を実験結果から議論した。

論文

Synchrotron radiation X-ray photoelectron spectroscopy of Ti/Al ohmic contacts to n-type GaN; Key role of Al capping layers in interface scavenging reactions

野崎 幹人*; 伊藤 丈予*; 淺原 亮平*; 中澤 敏志*; 石田 昌宏*; 上田 哲三*; 吉越 章隆; 細井 卓治*; 志村 考功*; 渡部 平司*

Applied Physics Express, 9(10), p.105801_1 - 105801_4, 2016/10

 被引用回数:3 パーセンタイル:66.57(Physics, Applied)

n型GaNエピ層とTiベース電極間の界面反応は、放射光X線光電子分光によって調べた。金属的Gaと薄膜TiN合金が、Alキャッピング層を堆積した界面において室温でも形成された。積層Ti/AlとTiのみの電極の比較から、反応性Ti下地層を形成する酸素捕捉元素としてAlキャッピング層が本質的に機能することが示された。アニール中金属的中間層の成長が観測された。低温プロセスを伴うn型GaN低抵抗オーミック接触を達成するための指針を議論する。

論文

配管入口部に発生する液中渦キャビテーションに粘性が与える影響についての研究

江連 俊樹; 伊藤 啓; 亀山 祐理*; 上出 英樹; 功刀 資彰*

日本原子力学会和文論文誌, 15(3), p.151 - 158, 2016/09

高速炉における液中渦キャビテーション評価手法構築の一環として、単一吸込み管部に発生する液中渦キャビテーションに対し流体の粘性が与える影響について調査した。可視化試験の結果から、キャビテーション発生に対する動粘性係数変化の影響は、動粘性係数が大きい条件程顕著に現れるとの結論を得た。さらに、循環と動粘性係数の比である無次元循環と液中渦キャビテーション間欠発生移行点でのキャビテーション係数により液中渦キャビテーション発生データを整理することで、異なる動粘性係数条件下における液中渦キャビテーションの間欠発生移行条件を評価できることを確認した。

論文

Study on behavior of vortex cavitation around suction pipes in sodium-cooled fast reactor geometry

江連 俊樹; 伊藤 啓; 上出 英樹; 功刀 資彰*

Thermal Science and Engineering, 24(3), p.31 - 38, 2016/07

Vortex cavitation behavior is studied using a 1/22 scaled upper plenum water model of advanced loop-type sodium-cooled fast reactor. Vortex cavitation occurrences are quantitatively grasped through visualization measurements including its transient behavior under various conditions of inlet velocity of suction pipe, water temperature and system pressure. In addition, the relation between local velocity around vortex and vortex cavitation occurrences are investigated based on results from visualization and Particle Image Velocimetry measurements. Experimental results show the difficulty of evaluation of vortex cavitation occurrences simply based on cavitation factor. And also, vortex evaluation with local circulation shows the effectiveness to organize the vortex cavitation occurrences via the evaluation of pressure decrease using vortex model.

論文

Experimental measurement of vortex cavitation around a suction pipe inlet

江連 俊樹; 伊藤 啓; 亀山 祐理*; 栗原 成計; 功刀 資彰*

混相流, 30(2), p.189 - 196, 2016/06

In this study, experiments on vortex cavitation are carried out using a simple water cylindrical vessel with a suction nozzle. In order to understand the fundamental behavior of vortex cavitation, its instantaneous occurrence behavior is grasped by visualization using high speed camera. Velocity distribution around vortex, which causes cavitation, is also quantitatively grasped by means of Particle Image Velocimetry. From visualization measurements, vortex cavitation is considered to be triggered by the wall nuclei and the cavity develops immediately toward the suction nozzle once triggering occurs on the bottom wall. In addition, distribution of pressure decrease along vortex center estimated based on Burgers model and measured velocity distribution shows monotone increase from the bottom wall toward the suction nozzle. As the results, the cavity is thought to develop toward the suction nozzle intake immediately, if some triggering of cavitation occur on the bottom wall.

論文

A High-precision calculation method for interface normal and curvature on an unstructured grid

伊藤 啓; 功刀 資彰*; 大野 修司; 上出 英樹; 大島 宏之

Journal of Computational Physics, 273, p.38 - 53, 2014/09

 被引用回数:8 パーセンタイル:34.61(Computer Science, Interdisciplinary Applications)

In the volume-of-fluid algorithm, the calculations of the interface normal and curvature are crucially important for accurately simulating interfacial flows. In this paper, the authors develop a height function method that works appropriately on an unstructured grid. In the process, the definition of the height function is discussed, and the high-precision calculation method of the interface normal is developed to meet the necessary condition for a second-order method. The curvature calculation method is also discussed and the approximated quadric curve of an interface is employed to calculate the curvature. Following a basic verification, the developed height function method is shown to successfully provide superior calculation accuracy and highly reduced computational cost compared with conventional calculation methods in terms of the interface normal and curvature.

論文

A Volume-conservative PLIC algorithm on three-dimensional fully unstructured meshes

伊藤 啓; 功刀 資彰*; 大島 宏之; 河村 拓己*

Computers & Fluids, 88, p.250 - 261, 2013/12

 被引用回数:10 パーセンタイル:40.57(Computer Science, Interdisciplinary Applications)

PLIC法はVolume-of-fluid法の一種であり、高精度な界面計算に用いられるが、複雑な幾何計算を要するため非構造格子系における研究は十分ではない。本研究では、3次元非構造格子系におけるPLIC法の提案を行う。まず、界面勾配等の計算に用いる手法を構築し、加えて、流体率輸送時に気液両相の体積を完全に保存する手法を開発する。検証解析により、開発したPLIC法が大きく歪んだ非構造格子系においても高精度な解析結果を与えることを確認する。

報告書

カメラ画像を用いた三次元図面作成プログラムの開発; 画像マッチング手法の検討と予備評価結果

上地 優; 赤井 直紀*; 尾崎 功一*; 伊藤 主税

JAEA-Research 2013-018, 18 Pages, 2013/11

JAEA-Research-2013-018.pdf:2.1MB

東京電力福島第一原子力発電所の廃止措置に向けた研究開発として、原子炉格納容器や圧力容器内部の調査技術に係る研究開発が進められている。原子炉内部の状況を把握するためには、内部の画像を取得し、視覚的な理解を図ることは有効であると考えられる。さらに、内部調査画像を用いた三次元図面作成機能を具備することによって、炉内の内部状況を単に画像としてとらえるだけでなく、CADなどのコンピュータ上で取扱い可能な状態へ復元することで、炉内の燃料取出しや構造物除去などの作業計画の策定や手法の検討に資する。そこで、画像を用いた三次元情報取得に必要となる画像間の対応点抽出手法に係る検討を行うとともに、それらを用い実画像に対する予備評価を実施した。その結果、類似テクスチャを多数有する直線的な構造物に対しては、SURFによる対応点探索は改良の必要があり、一方キャニー法によるエッジ検出は安定的に抽出可能であることがわかった。また、画像取得モデルを仮定した計算を実施し、対象のサイズ,距離,要求分解能に対して、必要な機器仕様を数値的に明らかにした。

論文

High-precision numerical scheme for vortical flow

伊藤 啓; 功刀 資彰*; 大島 宏之

Applied Mathematics, 4(10A), p.17 - 25, 2013/10

本研究では、渦流れに対する新しい高精度数値解析スキームを提案する。本スキームは、各計算セル内で渦の存在有無を判定し、速度および圧力分布をBurgersモデルに基づいて再構築することで、高精度な運動量輸送計算を行う。検証解析の結果、本スキームが従来スキームと比較して高い解析精度を示すことが確認されている。

論文

高速炉におけるガス巻込み現象の防止基準,1; 数値解析によるガス巻込み現象再現精度の検証

大島 宏之; 田中 伸厚*; 江口 譲*; 西村 元彦*; 功刀 資彰*; 内堀 昭寛; 伊藤 啓; 堺 公明

日本原子力学会和文論文誌, 11(4), p.316 - 328, 2012/12

ナトリウム冷却高速炉の安定運転において、自由表面渦によるガス巻込みの防止が重要であるため、著者らはCFDに基づくガス巻込み評価手法の開発を行っている。本研究では、ガス巻込み解析を行うためのCFD手法に関する検討を行った結果、ガス巻込み現象の適切な数値解析を行うためには、十分な格子解像度、高精度離散化手法、過度に渦を減衰させない乱流モデルなどが必要であることを明らかにした。

論文

高速炉におけるガス巻込み現象の防止基準,2; ガス巻込み発生判定手法の提案

大島 宏之; 江口 譲*; 功刀 資彰*; 上出 英樹; 堺 公明; 伊藤 啓

日本原子力学会和文論文誌, 11(4), p.329 - 339, 2012/12

ナトリウム冷却高速増殖炉の安定運転のためには、ガス巻込み発生を許容レベル以下に抑制する必要があり、設計検討において、ガス巻込み発生を精度よく評価できる手法が必須である。本研究では、流速分布(速度勾配テンソル)に基づいて渦流れの抽出やガス巻込み評価パラメーター(ガスコア長さなど)の計算を行う手法の提案を行う。加えて、実験結果の分析に基づき、渦によるガス巻込み発生を防止するための基準を先の評価パラメーターを用いて構築し、実際に適切な評価結果が得られることを示す。

論文

非構造格子系における高精度気液界面勾配計算法

伊藤 啓; 功刀 資彰*; 大島 宏之

混相流, 26(1), p.52 - 59, 2012/03

高速炉ガス巻込み現象の直接解析を目的として、著者らは高精度気液二相流数値解析手法の開発を行っている。本論文では、非構造格子系における高さ関数法を開発することによって気液界面勾配の計算手法を改良し、基礎検証によって直線界面の再現に成功するとともに、界面局率の計算も高精度化できたことを示す。

論文

高精度渦流れ計算スキームの開発と検証

伊藤 啓; 功刀 資彰*; 大島 宏之

日本機械学会論文集,B, 78(786), p.254 - 262, 2012/02

ナトリウム冷却大型高速炉の構造健全性確保の観点から、液中渦によるキャビテーション現象の研究を行っており、その一環として、著者らはキャビテーション現象を高精度に解析できる手法の開発を行っている。本論文では、その第一段階として、高精度渦解析スキームの開発と検証について示す。本スキームでは、速度分布に基づき各セルにおいて液中渦の検出を行い、局所速度分布と整合するように渦速度分布が決定され、この渦速度分布に基づいて運動量の輸送が行われる。基本検証として2次元非粘性渦の減衰問題を解析した結果、従来のスキームと比較して高精度な解が得られることを確認した。

論文

A High-precision unstructured adaptive mesh technique for gas-liquid two-phase flows

伊藤 啓; 功刀 資彰*; 大島 宏之

International Journal for Numerical Methods in Fluids, 67(11), p.1571 - 1589, 2011/12

 被引用回数:7 パーセンタイル:47.87(Computer Science, Interdisciplinary Applications)

本論文では、気液二相流解析における高精度非構造解適合格子の開発と検証を行った。開発する解析手法では、気液界面挙動の解析にPLIC法を用いるため、各セルにおける気液界面の再構築が必要である。そのため、非構造解適合格子において、気液各相の体積保存性と界面の形状保存性を満足する再構築手法を開発した。また、界面近傍での運動量計算に関して物理的な考察を行い、気液各相の運動量を保存する手法を構築した。基礎検証として切欠き付き円盤の回転問題を解析した結果、円盤形状が非常によく再現されることを確認した。また、ダム崩壊問題の解析結果において、運動量保存型手法が物理的に正しい解析結果(実験結果とよく一致する結果)を導くことを確認した。

論文

Two-phase flow simulation of gas entrainment phenomena in large-scale experimental model of sodium-cooled fast reactor

伊藤 啓; 功刀 資彰*; 大島 宏之; 河村 拓己*

Progress in Nuclear Science and Technology (Internet), 2, p.114 - 119, 2011/10

高速炉ガス巻込み現象のために高精度気液二相流数値解析手法の開発を進めている。本件では、解析手法検証の一環として、実規模ガス巻込み現象を対象とした数値解析を実施した。その結果、ガスコア発生などの典型的な気液界面非定常挙動を解析することに成功し、高速炉ガス巻込み現象を数値解析によって評価できる見通しを得た。

論文

High-precision reconstruction of gas-liquid interface in PLIC-VOF framework on unstructured mesh

伊藤 啓; 功刀 資彰*; 大島 宏之

Computational Fluid Dynamics 2010, p.563 - 567, 2011/05

 パーセンタイル:100

高速炉ガス巻込み現象の数値解析を目的とした高精度気液二相流数値解析手法の開発を進めている。本論文では、非構造格子系における高精度Volume-of-fluid法(PLIC法)の高度化として、気液界面勾配の高精度計算手法を提案する。本手法の基礎検証を行った結果、非構造三角形格子において任意の直線界面が再現されることを確認し、非構造格子系において切欠き付円板回転問題の解析精度が向上することを明らかにした。

論文

高速炉ガス巻込み現象の実規模解析

伊藤 啓; 功刀 資彰*; 大島 宏之; 河村 拓己*

日本機械学会論文集,B, 77(776), p.978 - 981, 2011/04

ナトリウム冷却大型高速炉におけるガス巻込み現象評価のため、高精度気液二相流数値解析手法の開発・検証を進めている。高精度界面追跡法や正確な物理モデルを用いることにより、基礎実験体系におけるガス巻込み現象を再現できることを確認している。本研究では、実規模ガス巻込み現象を対象とした数値解析を実施した結果、配管近傍の渦流れの成長・減衰挙動やガス巻込み発生を捕らえることに成功した。特に、ガス巻込みを発生させる流れ挙動に関するデータが得られ、実機ガス巻込み現象を数値解析によって評価できる見通しを得た。

論文

高精度渦流れ解析スキームの開発

伊藤 啓; 功刀 資彰*; 大島 宏之

第24回数値流体力学シンポジウム講演論文集(USB Flash Drive), 5 Pages, 2010/12

ナトリウム冷却大型高速炉の設計研究においては、コンパクト化した炉心を採用する予定であるため、炉容器内冷却材流速が高速化する見込みである。そのため、炉容器内におけるさまざまな熱流動課題を解決する必要がある。その1つがホットレグ吸込み口において発生する液中渦によるキャビテーション現象である。キャビテーションは、構造健全性確保の観点から抑制する必要があるが、キャビテーションは相変化を伴う複雑な現象であるため、その発生を予測するのは容易ではない。このため、著者らは渦流れに伴うキャビテーション現象を再現できる数値解析手法の開発を進めている。本件では、高精度渦流れ解析スキームの開発と基礎検証について述べる。

論文

Two-phase flow simulation of gas entrainment phenomena in large-scale fast reactor

伊藤 啓; 功刀 資彰*; 大島 宏之; 河村 拓己*

Proceedings of Joint International Conference of 7th Supercomputing in Nuclear Application and 3rd Monte Carlo (SNA + MC 2010) (USB Flash Drive), 6 Pages, 2010/10

ナトリウム冷却大型高速炉(JSFR)におけるガス巻込み現象を解析するため、高精度気液二相流数値解析手法の開発を進めている。本研究では、開発した手法によって大規模実機形状模擬水試験の解析を行った結果を示す。解析には約100万セルの非構造格子を用い、後流渦とそれに伴うガス巻込み現象を発生させる配管近傍には詳細な格子を配置した。非定常解析の結果、ガスコア(界面くぼみ)の発生と発達を捕らえることに成功し、開発した手法がJSFRガス巻込み現象の評価に適用できることを確認した。

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