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論文

Radiocesium interaction with clay minerals; Theory and simulation advances Post-Fukushima

奥村 雅彦; Kerisit, S.*; Bourg, I. C.*; Lammers, L. N.*; 池田 隆司*; Sassi, M.*; Rosso, K. M.*; 町田 昌彦

Journal of Environmental Radioactivity, 189, p.135 - 145, 2018/09

 被引用回数:3 パーセンタイル:25.55(Environmental Sciences)

東京電力福島第一原子力発電所事故により、環境中に放出された放射性セシウムは土壌中の粘土鉱物に強く吸着されていることがわかっているが、その吸着メカニズムは今も解明されていない。本論文は、これまで蓄積された粘土鉱物による放射性セシウム吸着現象に関する実験結果と、最新のシミュレーション研究の進展をまとめたものである。論文では、実験結果についてまとめられ、それらの結果を基にした最新のシミュレーション研究によって明らかにされた、次のような研究結果について説明されている:(1)粘土鉱物表面におけるセシウム吸着のエネルギースケール、(2)実験では観測が難しい粘土鉱物エッジの原子レベル構造についての理解の進展、(3)粘土鉱物の水和した層間におけるセシウム吸着現象の詳細、(4)ほつれたエッジにおけるイオン半径と層間距離の関係と吸着の選択性、(5)層間におけるセシウムの深部への移動、(6)放射性セシウムの核崩壊の影響。さらに、これらの知見に基づいた除染による廃棄土壌の減容技術開発の可能性についても述べられている。

論文

Elastic and dynamical structural properties of La and Mn-doped SrTiO$$_{3}$$ studied by neutron scattering and their relation with thermal conductivities

梶本 亮一; 中村 充孝; 村井 直樹; 社本 真一; 本田 孝志*; 池田 一貴*; 大友 季哉*; 畑 博人*; 江藤 貴弘*; 野田 正亮*; et al.

Scientific Reports (Internet), 8(1), p.9651_1 - 9651_8, 2018/06

 被引用回数:2 パーセンタイル:41.94(Multidisciplinary Sciences)

The electron-doped SrTiO$$_{3}$$ exhibits good thermoelectric properties, which makes this material a promising candidate of an n-type oxide thermoelectric device. Recent studies indicated that only a few percent co-doping of La and Mn in SrTiO$$_{3}$$ substantially reduces the thermal conductivity, thereby greatly improving the thermoelectric figure of merit at room temperature. Our time-of-flight neutron scattering studies revealed that by doping both La and Mn into SrTiO$$_{3}$$, the inelastic scattering spectrum shows a momentum-independent increase in the low-energy spectral weight approximately below 10 meV. The increase in the low-energy spectral weight exhibits a clear correlation with thermal conductivity. The correlation is attributed to dynamical and local structural fluctuations caused by the Jahn-Teller instability in Mn$$^{3+}$$ ions coupled with the incipient ferroelectric nature of SrTiO$$_{3}$$, as the origin of the low thermal conductivity.

論文

Materials and Life Science Experimental Facility (MLF) at the Japan Proton Accelerator Research Complex, 2; Neutron scattering instruments

中島 健次; 川北 至信; 伊藤 晋一*; 阿部 淳*; 相澤 一也; 青木 裕之; 遠藤 仁*; 藤田 全基*; 舟越 賢一*; Gong, W.*; et al.

Quantum Beam Science (Internet), 1(3), p.9_1 - 9_59, 2017/12

J-PARC物質・生命科学実験施設の中性子実験装置についてのレビューである。物質・生命科学実験施設には23の中性子ビームポートがあり21台の装置が設置されている。それらは、J-PARCの高性能な中性子源と最新の技術を組み合わせた世界屈指の実験装置群である。このレビューでは、装置性能や典型的な成果等について概観する。

論文

Quantum twin spectra in nanocrystalline silicon

松本 貴裕*; 大原 高志; 杉本 秀彦*; Bennington, S. M.*; 池田 進*

Physical Review Materials (Internet), 1(5), p.051601_1 - 051601_6, 2017/10

We identified twin split scattering spectra in hydrogen-terminated nanocrystalline silicon by using inelastic neutron scattering spectroscopy. A standard theoretical analysis based on the localized wave function of hydrogen in not sufficient to explain this duality. We show that this duality originates from the cooperative motion of hydrogen and silicon.

論文

Small-angle neutron scattering study of specific interaction and coordination structure formed by mono-acetyl-substituted dibenzo-20-crown-6-ether and cesium ions

元川 竜平; 小林 徹; 遠藤 仁*; 池田 隆司; 矢板 毅; 鈴木 伸一; 成田 弘一*; 阿久津 和宏*; Heller, W. T.*

Journal of Nuclear Science and Technology, 53(8), p.1205 - 1211, 2016/08

 パーセンタイル:100(Nuclear Science & Technology)

This study uses small-angle neutron scattering (SANS) to elucidate the coordination structure of the complex of mono-acetyl substituted dibenzo-20-crown-6-ether (ace-DB20C6) with Cs. SANS profiles obtained for the complex of ace-DB20C6 and Cs (ace-DB20C6/Cs) in deuterated dimethyl sulfoxide indicated that Cs coordination resulted in a more compact structure than the free ace-DB20C6. The data were fit well with SANS profiles calculated using Debye function for scattering on an absolute scattering intensity scale. For this theoretical calculation of the scattering profiles, the coordination structure proposed based on a density functional theory calculation. Consequently, we conclude that the SANS analysis experimentally supports the proposed coordination structure of ace-DB20C6/Cs and suggests the following: (1) the complex of ace-DB20C6 and Cs is formed with an ace-DB20C6/Cs molar ratio of 1/1; (2) the two benzene rings of ace-DB20C6 fold around Cs above the center of the crown ether ring of ace-DB20C6.

報告書

超深地層研究所計画,年度報告書; 2014年度

濱 克宏; 見掛 信一郎; 石橋 正祐紀; 笹尾 英嗣; 桑原 和道; 上野 哲朗; 大貫 賢二*; 別府 伸治; 尾上 博則; 竹内 竜史; et al.

JAEA-Review 2015-024, 122 Pages, 2015/11

JAEA-Review-2015-024.pdf:80.64MB

日本原子力研究開発機構東濃地科学センターでは、「地層処分技術に関する研究開発」のうち深地層の科学的研究(地層科学研究)の一環として、結晶質岩(花崗岩)を対象とした超深地層研究所計画を進めている。本計画は、「第1段階; 地表からの調査予測研究段階」、「第2段階; 研究坑道の掘削を伴う研究段階」、「第3段階; 研究坑道を利用した研究段階」の3段階からなり、2014年度は、2014年2月における深度500mステージの研究坑道の掘削工事の完了に伴い、超深地層研究所計画における深度500mまでの第2段階の調査研究を一旦終了し、これまで実施してきた各種モニタリングを含め、物質移動試験や再冠水試験等の第3段階の調査研究を進めた。本報告書は、2014年度に実施した調査研究、施設建設、共同研究等の成果を取りまとめたものである。

論文

Role of van der Waals corrections in first principles simulations of alkali metal ions in aqueous solutions

池田 隆司; Boero, M.*

Journal of Chemical Physics, 143(19), p.194510_1 - 194510_7, 2015/11

 被引用回数:15 パーセンタイル:22.71(Chemistry, Physical)

最局在ワニエ関数を基にした第一原理ベースのファンデルワールス補正を実装しアルカリ金属イオン水溶液における性能と信頼性を調べた。よく使われているrevPBE GGA汎関数と組み合わせると水分子の構造と動的性質のどちらにも無視できない影響があり、特にアルカリイオンの水和殻に対して顕著な影響があることがわかった。これらの影響はより強い構造形成イオンおよび構造破壊イオンにおいてより明瞭であった。さらに、水分子の拡散係数と再配向相間時間が系統的な変化を示し、長距離分散補正を無視した場合よりも実験結果をよく再現することがわかった。

論文

第一原理分子動力学法によるカーボンアロイ触媒における酸素還元反応機構

池田 隆司; Hou, Z.*; Chai, G.-L.*; 寺倉 清之*

表面科学, 36(7), p.345 - 350, 2015/07

カーボンアロイ触媒は固体高分子形燃料電池の白金代替正極触媒として有望視されている。我々は第一原理に基づいた分子動力学シミュレーションによりカーボンアロイ触媒における酸素還元反応機構を調べてきた。本稿では我々のシミュレーションにより示唆されたカーボンアロイ触媒の活性点での可能な酸素還元反応機構を紹介する。

論文

Characterization of adsorbed alkali metal ions in 2:1 type clay minerals from first-principles metadynamics

池田 隆司; 鈴木 伸一; 矢板 毅

Journal of Physical Chemistry A, 119(30), p.8369 - 8375, 2015/07

 被引用回数:10 パーセンタイル:36.67(Chemistry, Physical)

3種類の2:1型粘土鉱物におけるアルカリ金属イオンの吸着状態を第一原理に基づいたメタダイナミクスにより系統的に調べた。層間カチオンを記述するために集団変数として採用した配位数で張られた2次元空間での自由エネルギー曲面を求めたところ、2:1型3八面体粘土鉱物においてCsイオンの内圏錯体が選択的に形成されることがわかった。このCsイオンで見られた強い内圏錯体への親和性は4面体シートの同形置換により著しく増大したルイス塩基性をもつ底面酸素サイトでセシウムイオンが選択的に認識されることによることがわかった。

報告書

超深地層研究所計画,年度報告書; 2013年度

濱 克宏; 見掛 信一郎; 西尾 和久; 川本 康司; 山田 信人; 石橋 正祐紀; 村上 裕晃; 松岡 稔幸; 笹尾 英嗣; 真田 祐幸; et al.

JAEA-Review 2014-038, 137 Pages, 2014/12

JAEA-Review-2014-038.pdf:162.61MB

日本原子力研究開発機構東濃地科学センターでは、「地層処分技術に関する研究開発」のうち深地層の科学的研究(地層科学研究)の一環として、結晶質岩(花崗岩)を対象とした超深地層研究所計画を進めている。本計画は、「第1段階; 地表からの調査予測研究段階」、「第2段階; 研究坑道の掘削を伴う研究段階」、「第3段階; 研究坑道を利用した研究段階」の3段階からなり、2013年度は、第2段階および第3段階の調査研究を進めた。本報告書は、2010年度に改定した「超深地層研究所地層科学研究基本計画」に基づいた、超深地層研究所計画の第2段階および第3段階の調査研究のうち2013年度に実施した(1)調査研究、(2)施設建設、(3)共同研究等の成果を取りまとめたものである。

論文

Active sites and mechanisms for oxygen reduction reaction on nitrogen-doped carbon alloy catalysts; Stone-Wales defect and curvature effect

Chai, G.-L.*; Hou, Z.*; Shu, D.-J.*; 池田 隆司; 寺倉 清之*

Journal of the American Chemical Society, 136(39), p.13629 - 13640, 2014/10

 被引用回数:117 パーセンタイル:2.79(Chemistry, Multidisciplinary)

カーボンアロイ触媒は酸素還元反応の白金代替触媒として有望視されている。しかしながら酸素還元反応の反応サイトと反応機構についてはまだ議論されているところである。本論文では、第一原理計算に基づいて窒素ドープカーボンアロイ触媒中の様々な構造による可能な酸素還元反応機構に関して一般的な考察を行った。我々の研究から、Stone-Wales欠陥にドープされた窒素対のみが良い活性点を与えることが示唆され、この構造による酸素還元活性は活性点周囲の曲率により調整ができ、極大ポテンシャル(0.8V)に近づけることが可能であることが示された。

論文

J-PARCリニアックの現状

小栗 英知; 長谷川 和男; 伊藤 崇; 千代 悦司; 平野 耕一郎; 森下 卓俊; 篠崎 信一; 青 寛幸; 大越 清紀; 近藤 恭弘; et al.

Proceedings of 11th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.389 - 393, 2014/10

J-PARCリニアックでは現在、ビームユーザに対する利用運転を行うとともに、リニアック後段の3GeVシンクロトロンにて1MWビームを加速するためのビーム増強計画を進めている。リニアックのビーム増強計画では、加速エネルギー及びビーム電流をそれぞれ増強する。エネルギーについては、181MeVから400MeVに増強するためにACS空洞及びこれを駆動する972MHzクライストロンの開発を行ってきた。これら400MeV機器は平成24年までに量産を終了し、平成25年夏に設置工事を行った。平成26年1月に400MeV加速に成功し、現在、ビーム利用運転に供している。ビーム電流増強では、初段加速部(イオン源及びRFQ)を更新する。イオン源はセシウム添加高周波放電型、RFQは真空特性に優れる真空ロー付け接合タイプ空洞をそれぞれ採用し、平成25年春に製作が完了した。完成後は専用のテストスタンドにて性能確認試験を行っており、平成26年2月にRFQにて目標の50mAビーム加速に成功した。新初段加速部は、平成26年夏にビームラインに設置する予定である。

論文

Possible oxygen reduction reactions for graphene edges from first principles

池田 隆司; Hou, Z.*; Chai, G.-L.*; 寺倉 清之*

Journal of Physical Chemistry C, 118(31), p.17616 - 17625, 2014/08

 被引用回数:30 パーセンタイル:16.64(Chemistry, Physical)

窒素をドープした炭素ベースのナノ材料が固体高分子形燃料電池の非白金電極触媒として非常に興味がもたれている。この研究では、第一原理計算に基づいたシミュレーションにより窒素をドープしたグラフェン端が電子供与性・受容性、および塩基性を制御することにより高い酸素還元活性を示し、これらの制御により酸性条件下でそれぞれ内圏型と外圏型電子移動による高い4電子還元選択性をもつことを示した。我々のシミュレーションからジグザグ端でカルボニル酸素の隣にピリジン様窒素が存在する場合に2電子還元が選択的に起きることもわかった。この研究により酸素還元反応に対するグラフェン状物質にドープされた窒素の役割が明らかとなった。

論文

Interplay between oxidized monovacancy and nitrogen doping in graphene

Hou, Z.*; Shu, D.-J.*; Chai, G.-L.*; 池田 隆司; 寺倉 清之*

Journal of Physical Chemistry C, 118(34), p.19795 - 19805, 2014/08

 被引用回数:7 パーセンタイル:60.98(Chemistry, Physical)

非貴金属触媒やナノ電子デバイス材料として注目されている窒素ドープグラフェンには、多くの場合、窒素量と同程度かそれ以上の酸素が含まれている。我々は、グラフェンの単空孔は複空孔やストーンウェルズ欠陥よりもしばしば観察され、より化学的に活性であることから、酸化単空孔と窒素ドーパントの相互作用を密度汎関数計算により調べた。温度と酸素、水素ガスの分圧の関数として窒素未ドープ酸化単空孔と窒素ドープ酸化単空孔の相図を求めた。また単空孔の酸化と窒素ドープによる電子構造の変化を調べた。我々の計算結果からエーテル基が酸化単空孔での安定構造に共通して存在し、ほとんどの安定構造ではキャリアがドープされないことがわかった。

論文

Infrared absorption and Raman scattering spectra of water under pressure via first principles molecular dynamics

池田 隆司

Journal of Chemical Physics, 141(4), p.044501_1 - 044501_8, 2014/07

 被引用回数:9 パーセンタイル:53.63(Chemistry, Physical)

通常水分子の変角振動によるとされている1600cm$$^{-1}$$付近に現れるピークが超臨界水の偏光ラマンおよび偏光解消ラマンスペクトルでは消失することが実験により観測されている。一方赤外吸収スペクトルには対応するピークが明瞭に現れることが観測されている。本研究では第一原理分子動力学と分極理論を組み合わせることにより赤外吸収スペクトルとラマンスペクトルの解析法を構築した。我々の計算法により水の赤外・ラマンスペクトルの上記の奇妙な振る舞いが再現されることを示した。通常の水で1600cm$$^{-1}$$に観測されるラマンスペクトルのピークの起源を議論した。

論文

ITER準拠制御システムによるジャイロトロンローカル制御システムの開発

小田 靖久; 大島 克己; 中本 崇志*; 橋本 慰登*; 山本 剛史; 林 一生*; 池田 幸治; 池田 亮介; 梶原 健; 高橋 幸司; et al.

プラズマ・核融合学会誌, 90(7), p.365 - 373, 2014/07

原子力機構では、ITERのECシステムの開発に向け、ITERのPlant Control Design Handbookに準拠したジャイロトロン運転システムのローカル制御システムのプロトタイプ開発を行った。本システムは、ITER CODAC Core Systemを使用して開発し、ジャイロトロン運転システムの状態遷移管理と監視をはじめ、ならびにジャイロトロンの発振のための電源システムのタイミング制御と運転波形収集の機能を実装した。本システムを用いて、ITERのジャイロトロン運転システムに準拠した電源構成にて、ITER用170GHzジャイロトロンの大電力発振シーケンスをITER準拠機材で制御する実証試験を行い、大電力RF発振を確認した。

論文

First principles molecular dynamics study of interlayer water and cations in vermiculite

池田 隆司

Clay Science, 18(2), p.23 - 31, 2014/06

粘土鉱物へのセシウムの非可逆的な吸脱着の起源を明らかにするために層間にMg$$^{2+}$$, K$$^{+}$$, Cs$$^{+}$$と共に水を含むバーミキュライトの第一原理分子動力学シミュレーションを行った。カチオンと一緒に含まれている層間水の構造と動的性質を詳しく検討したところ、Mg$$^{2+}$$とCs$$^{+}$$ではそれぞれ外圏型と内圏型錯体が層間に形成されるがK$$^{+}$$ではどちらの表面錯体も形成されることがわかった。層間に形成される電気2重層の構造は層間内カチオンの表面錯体のタイプに依存することが示された。水分子の再配向運動はCs$$^{+}$$によって促進されるが、これはMg$$^{2+}$$とK$$^{+}$$ではほとんど影響がないこととは対照的である。また水分子の拡散も促進されることが観測されたことからCs$$^{+}$$は2次元に制限された空間である層間においても構造破壊イオンとして働くことが示唆された。

論文

NMR chemical shifts of $$^{15}$$N-bearing graphene

Wang, X.*; Hou, Z.*; 池田 隆司; 寺倉 清之*

Journal of Physical Chemistry C, 118(25), p.13929 - 13935, 2014/06

 被引用回数:6 パーセンタイル:65.42(Chemistry, Physical)

グラフェンの端と欠陥での可能な窒素含有部のNMR化学シフトを第一原理計算により調べた。我々の計算結果はピリジン様窒素とグラファイト様窒素が$$^{15}$$N NMRにより容易に同定できることを示しており、これは実験と一致している。一方、ピリジニウム様窒素とピロール様窒素を識別することはこれらの$$^{15}$$N核のNMRシグナルが重なるために困難である。しかしながら、我々はシミュレーションから$$^{1}$$H NMRがこれらを区別するのに有用であることを示した。すなわちピリジニウム様窒素とピロール様窒素に直接結合している$$^{1}$$HのNMR化学シフトは0.8と10.8ppmと見積もられた。我々が考慮した様々な端部の$$^{15}$$N NMRシグナルはピリジン様窒素を除き欠陥でのものとほぼ同じであった。一方、アームチェアー端と欠陥サイトでのピリジン様窒素はその凝集の程度により敏感に$$^{15}$$N NMRの化学シフトが変化することがわかった。

論文

Current-induced enhancement of magnetic anisotropy in spin-charge-coupled multiferroic YbFe$$_{2}$$O$$_{4}$$

吉井 賢資; 松村 大樹; 齋藤 寛之; 神戸 高志*; 福永 守*; 村岡 祐治*; 池田 直*; 森 茂生*

Journal of the Physical Society of Japan, 83(6), p.063708_1 - 063708_4, 2014/06

 被引用回数:3 パーセンタイル:61.77(Physics, Multidisciplinary)

マルチフェロイックYbFe$$_{2}$$O$$_{4}$$について、電流印加冷却による磁性の変化を報告する。磁気転移温度250K近傍において電流印加して試料を冷却した場合、電流無しの場合に比べ、低温100K以下において、磁化が10-20%低下する。それに伴い、電流印加後のヒステリシスループ測定から、磁気異方性が10-20%増強されることが分かった。これらの現象は、強磁性ドメインと反強磁性ドメインのうち磁気異方性の大きい後者が優勢となること、あるいは、電荷秩序ドメインの生成が抑制されピニング効果が大きくなることを示唆する。応用的に見ると本現象は、磁場冷却による磁気異方性の増強である交換バイアスとは異なり、磁場が無くても異方性が増強されるため、磁化の安定化を起こす新しい手法と提案できる。

論文

Bipartite magnetic parent phases in the iron oxypnictide superconductor

平石 雅俊*; 飯村 壮史*; 小嶋 健児*; 山浦 淳一*; 平賀 晴弘*; 池田 一貴*; Miao, P.*; 石川 喜久*; 鳥居 周輝*; 宮崎 正範*; et al.

Nature Physics, 10(4), p.300 - 303, 2014/04

 被引用回数:62 パーセンタイル:3.79(Physics, Multidisciplinary)

High-temperature (high-$$T_{rm c}$$) superconductivity appears as a consequence of the carrier-doping of an undoped parent compound exhibiting antiferromagnetic order; thereby, ground-state properties of the parent compound are closely relevant to the superconducting state. On the basis of the concept, a spin-fluctuation has been addressed as an origin of pairing of the superconducting electrons in cuprates. Whereas, there is growing interest in the pairing mechanism such as an unconventional spin-fluctuation or an advanced orbital-fluctuation due to the characteristic multi-orbital system in iron-pnictides. Here, we report the discovery of an antiferromagnetic order as well as a unique structural transition in electron-overdoped LaFeAsO$$_{1-x}$$H$$_x$$ ($$x sim 0.5$$), whereby another parent phase was uncovered, albeit heavily doped. The unprecedented two-dome superconducting phases observed in this material can be interpreted as a consequence of the carrier-doping starting from the original at $$x sim 0$$ and advanced at $$x sim 0.5$$ parent phases toward the intermediate region. The bipartite parent phases with distinct physical properties in the second magnetic phase provide us with an interesting example to illustrate the intimate interplay among the magnetic interaction, structural change and orbital degree of freedom in iron-pnictides.

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