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論文

オールジャパンでとりくむ地層処分のいま,4; 処分場の設計と工学技術(その2)

本島 貴之*; 松井 裕哉; 川久保 政洋*; 小林 正人*; 市村 哲大*; 杉田 裕

日本原子力学会誌ATOMO$$Sigma$$, 64(3), p.163 - 167, 2022/03

日本原子力学会バックエンド(BE)部会では、日本における地層処分計画を進めるにあたり、原子力発電環境整備機構(NUMO),研究機関,大学などの関係機関が密に連携して、技術面の整備、必要となる技術基盤を体系的に構築している。BE部会は、地質環境,工学技術,安全評価の各分野における安全確保の考え方などの基本的な部分を含め、処分場建設に向けて進められている技術開発について、最新の知見も含めて紹介し、地層処分の技術開発の現状について総合的に理解を深めていただくための連載講座を開始している。本論文は、工学技術に関する連載講座であり、著者はプラグの部分について主に原子力機構の研究開発成果等を紹介した。

論文

RBS study of disordering of Fe$$_{3-x}$$Mn$$_{x}$$Si/Ge(111) heteroepitaxial interfaces

野口 雄也*; 平田 智昭*; 川久保 雄基*; 鳴海 一雅; 境 誠司; 前田 佳均

Physica Status Solidi (C), 10(12), p.1732 - 1734, 2013/12

 被引用回数:0 パーセンタイル:0.01

We have investigated thermal disordering and instability of Fe$$_{2}$$MnSi (FMS) (111)/Ge(111) heterointerfaces by Rutherford-backscattering spectrometry (RBS), and found pronounced degradation of axial orientation which appears as increase of the minimum yield of RBS when the FMS samples are annealed above 300$$^{circ}$$C. Analysis of interdiffusion at the heterointerface reveals that the disordering mainly comes from interdiffusion between Fe and Ge atoms. This situation is the same as that observed in off-stoichiometric Fe$$_{3}$$Si, ${it i.e.}$, Fe$$_{4}$$Si, but far from that in stoichiometric Fe$$_{3}$$Si.

論文

Ion beam analysis of quaternary Heusler alloy Co$$_{2}$$(Mn$$_{1-x}$$Fe$$_{x}$$)Si(111) epitaxially grown on Ge(111)

川久保 雄基*; 野口 雄也*; 平田 智昭*; 鳴海 一雅; 境 誠司; 山田 晋也*; 浜屋 宏平*; 宮尾 正信*; 前田 佳均

Physica Status Solidi (C), 10(12), p.1828 - 1831, 2013/12

 被引用回数:0 パーセンタイル:0.01

We have investigated crystal quality of Co$$_{2}$$(Mn$$_{1-x}$$Fe$$_{x}$$)Si (CMFS) epitaxially grown on Ge(111) by using Rutherford-backscattering spectrometry and an axial-ion-channeling technique. It was found that the CMFS/Ge and Co$$_{2}$$FeSi (CMFS with x = 1)/Ge have larger static atomic displacement than Fe-based ternary Heusler alloy Fe$$_{2}$$MnSi and Fe$$_{2}$$CoSi/Ge(111). Quaternary alloys may be affected by increase of mixing entropy. Significant disordering at the interface of CMFS with x = 0.75 was found, and discussed on the basis of thermodynamics.

報告書

オーバーパックの長期耐食性に関する調査; 平成18年度(委託研究)

立川 博一*; 川久保 文恵*; 清水 亮彦*; 柴田 俊夫*; 安住 和久*; 井上 博之*; 杉本 克久*; 水流 徹*; 藤本 愼司*

JAEA-Research 2007-086, 74 Pages, 2008/02

JAEA-Research-2007-086.pdf:5.96MB

オーバーパックの腐食寿命については、これまで、日本の幅広い地質環境条件を想定した実験データや既往研究等に基づいて検討が行われてきた。しかしながら、高pH環境での挙動,ニアフィールド環境条件の時間的な変化に伴う挙動,溶接部の腐食挙動等、長期的な信頼性を向上させるとともに、オーバーパック設計を具体化するうえでの課題がある。このような状況を考慮して、(財)原子力安全研究協会内に国内の金属の腐食科学分野の専門家からなる「オーバーパックの長期安定性に関する調査専門委員会」を設置し、既往の研究成果と安全評価上の考え方について、金属の腐食科学の観点から長期耐食性に関する調査検討を行った。

報告書

オーバーパックの長期耐食性に関する調査(委託研究)

立川 博一*; 川久保 文恵*; 清水 亮彦*; 柴田 俊夫*; 杉本 克久*; 瀬尾 眞浩*; 水流 徹*; 藤本 慎司*; 井上 博之*

JAEA-Research 2006-058, 80 Pages, 2006/10

JAEA-Research-2006-058.pdf:10.86MB

旧核燃料サイクル開発機構では、「我が国における高レベル放射性廃棄物地層処分の技術的信頼性; 地層処分研究開発第2次取りまとめ」(「第2次取りまとめ」)報告書を国に提出し、日本の幅広い地質環境条件を想定して実験データや既往研究等に基づいてオーバーパックの腐食寿命について検討を行った。しかしながら、高pH環境での挙動,ニアフィールド環境条件の時間的な変化に伴う人工バリアの挙動など長期的な信頼性を向上させるうえでの課題がある。このような状況を考慮して、原子力安全研究協会内に国内の金属の腐食科学分野の専門家からなる「オーバーパックの長期安定性に関する調査専門委員会」を設置し、既往の研究成果と安全評価上の考え方について、人工バリア材の長期安定性,長期耐食性の観点から調査検討を行った。

論文

Removal of co-deposited layers by excimer lasers

洲 亘; 川久保 幸雄*; Luo, G.; 西 正孝

Journal of Nuclear Science and Technology, 40(12), p.1019 - 1026, 2003/12

 被引用回数:4 パーセンタイル:32.21(Nuclear Science & Technology)

核融合炉プラズマ対向機器からのトリチウム回収は安全性確保及び稼働率向上の観点から重要な課題である。本研究では、プラズマ対向壁上に形成されて大量のトリチウムが含まれることが知られているカーボン共堆積層の除去へのエキシマレーザーの適用性について、エキシマレーザー(KrF及びArFレーザー)照射によるトカマク型大型核融合試験装置(JT-60及びTFTR)の共堆積層の除去率のレーザーフルエンス依存性を調べ、またレーザー照射中の放出ガスを調べるとともに共堆積層の除去機構を考察した。この中で、KrFレーザーの11J/cm$$^{2}$$ のレーザーフルエンスでの照射の場合には、JT-60共堆積層の除去率は5.0$$mu$$m/pulseに達すること、放出される水素同位体の化学形が主に水素分子の形であって、容易に回収できることを見出した。また、0.8J/cm$$^{2}$$でのKrFレーザー照射の場合は表面に局部溶融によるコーンが生成され、約2.3J/cm$$^{2}$$のアブレーション閾値を超えると激しい溶融が起こることをSEMによって確認した。

論文

Tritium recovery from co-deposited layers using 193-nm laser

洲 亘; 川久保 幸雄*; 西 正孝

Applied Physics A, 76(3), p.421 - 425, 2003/03

 被引用回数:16 パーセンタイル:54.89(Materials Science, Multidisciplinary)

炭素系プラズマ対向タイルを用いた核融合装置では、水素同位体を含むカーボン共堆積層がタイル上に形成されることが知られている。トリチウムと重水素を燃料とする核融合炉では炉内トリチウムインベントリーの低減が安全上重要であるが、共堆積層中に多量のトリチウムが捕捉されうることが指摘されている。共堆積層からのトリチウム回収技術開発の一環として波長193nmのArFレーザー照射研究開発を行い、0.1J/cm$$^{2}$$のエネルギー密度のレーザーで共堆積層を照射した場合には、トリチウムの放出速度は照射の初期でピークに達し、表面のトリチウムが速やかに除去されることを実証した。また、トリチウムは元素状分子で放出されることを見出したが、これはその後のトリチウム処理が容易にできることを示唆するものである。次に高いエネルギー密度のレーザービームで共堆積層を照射し、アブレーションによる共堆積層自体の除去実験を行った。共堆積層の除去率はアブレーションの閾値(1.0J/cm$$^{2}$$)より低いエネルギー密度では非常に小さいが、閾値を超えるとエネルギー密度と共に増大し、7.6J/cm$$^{2}$$では1.1$$mu$$m/pulse に達した。さらに、照射中の表面温度を測定し、0.5J/cm$$^{2}$$ のエネルギー密度の場合、照射の初期には3570Kに達するが、照射の進行とともに低下し、1000パルス目には2550K程度にまで下がることを見出した。

論文

Ablative removal of codeposits on JT-60 carbon tiles by an excimer laser

洲 亘; 川久保 幸雄*; 正木 圭; 西 正孝

Journal of Nuclear Materials, 313-316(1-3), p.584 - 587, 2003/03

 被引用回数:22 パーセンタイル:80.78(Materials Science, Multidisciplinary)

JT-60の水素プラズマ実験で生成した共堆積層を用いてレーザーアブレーションによる共堆積層除去の効果を調査した。7.6J/cm$$^{2}$$のレーザーフルエンスの場合、共堆積層の除去レートは1.1$$mu$$m/パルスに達する結果を得た。共堆積層の除去レートとレーザーフルエンスの関係から、共堆積層のレーザーアブレーション閾値及び波長193nmの紫外線レーザー吸収係数として、それぞれ1.0J/cm$$^{2}$$と1.9$$mu$$m$$^{-1}$$という値を得た。また、照射中に共堆積層から放出した水素(トリチウム)はほとんど元素状ガスの形であることを測定し、2次汚染の可能性の高いトリチウム水がほとんど生成されないことを確認した。さらに、レーザー照射中の材料表面の温度上昇を、プランクの放射法則に基づいて高速赤外素子InGaAsにより測定した。

論文

Tritium decontamination of TFTR D-T plasma facing components using ultra violet laser

洲 亘; 川久保 幸雄*; 大平 茂; 大矢 恭久; 林 巧; 中村 博文; 岩井 保則; 西 正孝; Gentile, C. A.*; Skinner, C. H.*; et al.

Fusion Science and Technology, 41(3), p.690 - 694, 2002/05

核融合炉内で高濃度トリチウム汚染した機器の効率的な表面トリチウム除去方法を開発することを目的として、紫外線レーザー照射法の有効性を検証する実験を行った。試料として、TFTR D-Tプラズマ燃焼実験で実際にトリチウム汚染したプラズマ対向機器を用いた。紫外線レーザー(ArF,193nm,200mJ,25ns/pulse,1~20Hz)による照射試験を実施し、照射前後の表面トリチウム濃度及び照射中のトリチウム除去速度を測定した。照射開始約30秒後にトリチウム除去速度は最大となった。また、照射後の表面と濃度は照射前のそれと比較して顕著に減少した。今回の試験により紫外線レーザー照射が表面トリチウムの迅速な除去に有効であるとの結論を得た。

口頭

RBS study of disordering of Fe$$_{3-x}$$Mn$$_{x}$$Si/Ge(111) heteroepitaxial interfaces

野口 雄也*; 平田 智昭*; 川久保 雄基*; 鳴海 一雅; 境 誠司; 前田 佳均

no journal, , 

We have investigated perfection of atomic rows on iron-based Heusler alloy films, Fe$$_{3-x}$$Mn$$_{x}$$Si, on Ge(111) planes by using ion channeling technique in order to find the dominant factors for the perfection. Fe$$_{3-x}$$Mn$$_{x}$$Si/Ge(111) (x=0.84, 0.72 and 0.36) interfaces have imperfection of atomic rows which may be controlled by both the lattice mismatch with the Ge substrate and the Mn-Si pairs due to the site disorder in the film with the Mn content x = 0.75. This is in contract with Fe$$_{3}$$Si/Ge(111) and Fe$$_{2}$$CoSi/Ge(111) which have a high quality of atomic rows at the heterointerface like that of perfect crystals. Analysis of axial channeling parameters employed in this study is very useful for quantitative evaluation of perfection of atomic rows at the heterointerface.

口頭

Co$$_{2}$$(Mn$$_{1-x}$$Fe$$_{x}$$)Si/Geエピタキシャル薄膜のイオンビーム解析

川久保 雄基*; 野口 雄也*; 鳴海 一雅; 境 誠司; 浜屋 宏平*; 宮尾 正信*; 前田 佳均

no journal, , 

本研究ではGe(111)面上にエピタキシャル成長させた膜厚50nmのCo$$_{2}$$Mn$$_{0.5}$$Fe$$_{0.5}$$Si(以下、0.5CMFS), Co$$_{2}$$Mn$$_{0.25}$$Fe$$_{0.75}$$Si(0.75CMFS)(111)面のイオンチャネリング測定と、DebyeモデルとBarrette-Gemmellモデルによって静的原子変位を評価し、$$<$$111$$>$$軸の結晶性について検討した。イオン散乱測定は2.0MeV $$^{4}$$He$$^{+}$$イオン,散乱角165$$^{circ}$$で行い、Ge$$<$$111$$>$$軸から$$pm$$5$$^{circ}$$範囲でチャネリングディップ曲線を測定し、最小収量$$chi$$$$_{min}$$と半値角$$psi$$$$_{1/2}$$を決定した。得られた$$chi$$$$_{min}$$は薄膜の最大組成のCo原子の軸チャネリングに、$$chi$$$$_{min}$$付近の急激な収量の増加はFe, Mn原子の$$<$$111$$>$$軸からの原子変位(構造乱れ)によるものと考えられる。0.5CMFSと0.75CMFSを比較すると0.5CMFSの方の$$chi$$$$_{min}$$が小さく、$$psi$$$$_{1/2}$$が大きくなった。これは0.5CMFSが0.75CMFSよりも軸方向のCo原子の構造乱れが小さいことを示す。ヘテロ界面と薄膜内部の$$chi$$$$_{min}$$とCo原子の静的原子変位$$<$$u$$_{s}$$$$>$$をFe組成でまとめると、界面では0.75CMFSのところで軸配向性が劣化しているが、薄膜内部では他との差が小さいことが分かった。これは、界面から成長が進むにしたがって、$$<$$111$$>$$軸周りでの結晶性を改善する物理過程が存在することを示唆している。

口頭

イオンチャネリングによるFe$$_{3}$$Si/Si(111)エピタキシャル界面の評価

川久保 雄基*; 野口 雄也*; 平田 智昭*; 前田 佳均; 境 誠司; 鳴海 一雅

no journal, , 

格子不整合+4%程度のFe$$_{3}$$Si(111)/Si(111)ヘテロ界面を作製しその構造乱れをイオンチャネリングで評価し、最新のスピン注入のデータと比較した。まず、化学量論性が結晶性に与える影響を調べるために化学量論組成のFe$$_{3}$$Siと非化学量論組成のFe$$_{4}$$Si薄膜をSi(111)面上にエピタキシャル成長させた。断面TEM観察によると、前者の界面では平坦で均一な成長が観察されたが、後者では部分的に非晶質状態が生成し、不均一な成長が界面から起こっていることがわかった。次に、Si$$<$$111$$>$$軸でのチャネリングディップ曲線からその最小収量と臨界角を求め、Barrett-Gemmell理論及びDebye理論を用いて原子変位を計算した。界面の状況に対応して後者の界面での原子変位は前者の界面の2倍程度になっていることが明らかにできた。安藤らは、このヘテロ界面を用いたPd/Fe$$_{3}$$Si/Si, Pd/Fe$$_{4}$$Si/Si試料の強磁性共鳴(FMR)を測定し、強磁性層からPdへのスピン注入によるFMRスペクトルのDC起電力を求めた結果、最も原子変位の少ないFe$$_{3}$$Si(111)/Si(111)ヘテロ界面から成長したFe$$_{3}$$SiからPdへのスピン注入では68mV程度の非常に大きな値を得ている。これは界面からFe$$_{3}$$Si薄膜が軸のそろった非常に均一な成長をしているため、膜全体で効率的なスピン輸送が起こるためであると説明されている。以上のことから、イオンチャネリングによるヘテロ界面の評価とスピン注入特性が一致していることを明らかにできた。

口頭

Fe$$_{3}$$Si/Si(111)ヘテロ界面の軸配向性の評価

川久保 雄基*; 野口 雄也*; 水城 達也*; 鳴海 一雅; 境 誠司; 浜屋 宏平*; 宮尾 正信*; 前田 佳均

no journal, , 

ホイスラー合金Fe$$_{3}$$Siは、スピンFETのソース電極およびドレイン電極の候補の一つである。本研究では、Fe$$_{3}$$Si/Siの熱安定性を明らかにするために、ラザフォード後方散乱(RBS)/チャネリング法を用いて、アニール温度によるFe$$_{3}$$Si/Si試料の結晶軸配向性について検討した。低温MBE法によって膜厚50nmのFe$$_{3}$$SiをSi(111)上に成長させ、赤外線ランプアニールにより高真空中にて100$$^{circ}$$C及び200$$^{circ}$$Cで2時間アニールをした。各試料についてチャネリングディップ曲線を測定し、軸配向性を評価する最小収量($$chi$$$$_{min}$$)と半値角($$psi$$$$_{1/2}$$)を求めた。これまでの研究により、Fe$$_{3}$$Si/Si未アニール試料の$$chi$$$$_{min}$$は18%であり、$$psi$$$$_{1/2}$$は0.99$$^{circ}$$であることが明らかとなっている。100$$^{circ}$$C及び200$$^{circ}$$CでアニールしたFe$$_{3}$$Si/Si試料の$$chi$$$$_{min}$$はそれぞれ19%と20%であり、$$psi$$$$_{1/2}$$は0.85$$^{circ}$$と0.83$$^{circ}$$であった。未アニール試料と200$$^{circ}$$Cアニール試料を比較すると$$chi$$$$_{min}$$が2 %程度増大し、$$psi$$$$_{1/2}$$が0.16$$^{circ}$$程度減少した。これは、アニールをしたことで界面での結晶性が乱れたためであると推測される。講演ではチャネリングパラメータ($$chi$$$$_{min}$$$$psi$$$$_{1/2}$$)とDebyeモデルおよびBarette-Gemmellモデルから原子の静的変位$$<$$u$$_{s}$$$$>$$の計算結果、およびRBSスペクトルからFe$$_{3}$$Si薄膜内部の組成比の変化、界面における拡散の程度からアニールの影響について考察する。

口頭

Cuドープによる$$beta$$-FeSi$$_{2}$$ナノ結晶の赤外発光増強

平田 智昭*; 香川 成矢*; 永露 友宏*; 柴原 幸平*; 岩本 遼太郎*; 川久保 雄基*; 野口 雄也*; 水城 達也*; 鳴海 一雅; 境 誠司; et al.

no journal, , 

半導体$$beta$$-FeSi$$_{2}$$は光通信の光源用レーザの材料として注目されているが、実用化には発光強度が不十分である。我々はこれまでに$$beta$$-FeSi$$_{2}$$ナノ結晶へのCuドープによる発光増強を確認している。本研究では、このCuドープ効果をフォトルミネッセンス(PL)測定およびフォトキャリアインジェクション(PCI)測定によって検討した。用いた試料はn-Si中に析出させた平均サイズ10nmの$$beta$$-FeSi$$_{2}$$ナノ結晶である。析出後、Cu蒸着と急速熱アニール(800$$^{circ}$$C)とでナノ結晶層にCuを拡散させた。Cu薄膜成膜後、800$$^{circ}$$Cで5.5時間アニールしたCuドープ試料と2時間アニールしたノンドープ試料のPLスペクトルの比較により、Cuドープによって固有発光(Aバンド)、不純物発光(Cバンド)ともに発光増強を確認した。また、同じノンドープ試料においてもアニール時間の延長によってPL強度は増強した。しかし、同時間程度アニールしたノンドープ試料とCuドープ試料を比較しても、発光強度は増強した。以上のことから、Cuドープによる純粋な増強効果があることを見出した。また、同時間程度アニールを行ったノンドープ試料と比較したCuドープ試料のA及びCバンドのPL増強率は、総アニール時間5.5時間のときにいずれの試料においても両バンドで最大となり、Aバンドは2.1倍、Cバンドは5.7倍に増強した。さらにアニール時間を増加させると、PL増強率は減少した。これらの結果を基に、発光増強へのCuドープ効果について考察する。

口頭

RBSによる$$beta$$-FeSi$$_{2}$$のCu拡散挙動の検討

野口 雄也*; 水城 達也*; 川久保 雄基*; 平田 智昭*; 香川 成矢*; 永露 友宏*; 岩本 遼太郎*; 柴原 幸平*; 鳴海 一雅; 前田 佳均

no journal, , 

半導体$$beta$$-FeSi$$_{2}$$は、石英系光ファイバの伝搬損失が最小となる波長1.55$$mu$$mで固有発光が観測されているため、光通信の光源に用いられている分布帰還レーザの活性層の材料として注目されている。しかし、実用化には発光強度が不十分である。我々はこれまでに$$beta$$-FeSi$$_{2}$$多結晶薄膜及びナノ結晶にCuを蒸着後、熱処理することで発光増強することを確認している。本研究では、ラザフォード後方散乱(RBS)法を用いて$$beta$$-FeSi$$_{2}$$多結晶薄膜及びナノ結晶へのCu原子の拡散挙動を拡散距離と拡散係数から検討した。$$beta$$-FeSi$$_{2}$$多結晶薄膜及びナノ結晶試料は、イオンビーム合成法を用いてCZ-Si(100)基板中に$$beta$$-FeSi$$_{2}$$を析出させて作製した。その後、試料表面にCu薄膜を蒸着して800$$^{circ}$$Cで2-10時間熱処理した。熱処理前後のRBSスペクトルの変化から、Cu原子がSi基板側へ、$$beta$$-FeSi$$_{2}$$の膜厚55.3nmよりも深くまで拡散していることを見出した。$$beta$$-FeSi$$_{2}$$/Cu/Siを熱処理すると、Cu原子は$$beta$$-FeSi$$_{2}$$同士の結晶粒界やSi基板との界面に偏析し、$$beta$$-FeSi$$_{2}$$粒内にも微量に存在することが報告されていることから、$$beta$$-FeSi$$_{2}$$粒内にCu原子がドープされていることがわかった。さらに、RBSスペクトルの解析から得られた多結晶薄膜試料及びナノ結晶試料中のCuの拡散係数は、Si中のCuの拡散係数よりも9桁程度小さくなった。これは、$$beta$$-FeSi$$_{2}$$中のCuの拡散係数が非常に小さいためであると考えられる。

口頭

イオンチャネリングによるスピン注入界面; Fe$$_{3}$$Si(111)/Si(111)の原子変位の評価

野口 雄也*; 川久保 雄基*; 鳴海 一雅; 境 誠司; 前田 佳均

no journal, , 

DO$$_{3}$$型規則格子をもつホイスラー合金Fe$$_{3}$$Siは、Fe$$_{3}$$Si(111)/Si(111)ヘテロ界面において+4%程度の大きい格子不整合をもつが、低温分子線エピタキシー(MBE)法により原子層レベルで平坦なエピタキシャル界面が実現されている。本研究では、ラザフォード後方散乱(RBS)/チャネリング法によりFe$$_{3}$$Si(111)/Si(111)ヘテロ界面の原子変位を評価し、界面の熱安定性の支配因子を検討した。MBE法を用いてSi(111)基板上に作製したFe$$_{3}$$Siエピタキシャル膜を373, 473, 573Kで真空中2時間アニールし、その後、2MeV $$^{4}$$He$$^{+}$$を用いてSi$$<$$111$$>$$軸付近での後方散乱収量の角度依存を測定した。最小収量$$chi$$$$_{min}$$、臨界角$$psi$$$$_{1/2}$$を求め、Debye理論を用いて、静的原子変位$$<$$${it u}$ $$_{s}$$$$>$$を計算した。$$<$$${it u}$ $$_{s}$$$$>$$のアニール温度依存性より、FeはSiよりも$$<$$${it u}$ $$_{s}$$$$>$$の増加量が大きいことがわかった。これは原子列の乱れはFe原子の乱れが支配的であることを示している。DO$$_{3}$$型格子では$$<$$111$$>$$軸方向へのFe原子拡散はSi原子拡散より起こりやすい。しかし、RBSスペクトルからはアニール後の拡散挙動は確認できなかった。また、Fe原子の$$<$$${it u}$ $$_{s}$$$$>$$は、それぞれのアニール温度の熱膨張による原子変位に支配されている。これらの結果から、室温で測定したFe原子の$$<$$${it u}$ $$_{s}$$$$>$$は、高温での熱膨張による原子変位が室温にクエンチ(残留)されたものと考えることができる。これはFe$$_{3}$$Si$$<$$111$$>$$軸方向の原子変位は非線形性が大きいことを表す。

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