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論文

Control of the size of etchable ion tracks in PVDF; Irradiation in an oxygen atmosphere and with fullerene C$$_{60}$$

喜多村 茜; 八巻 徹也*; 百合 庸介*; 越川 博*; 澤田 真一*; 湯山 貴裕*; 薄井 絢; 千葉 敦也*

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 460, p.254 - 258, 2019/12

 被引用回数:1 パーセンタイル:23.13(Instruments & Instrumentation)

我々は既に、フッ素系高分子の一つであるポリフッ化ビニリデン(PVDF)が、イオントラックのみをエッチングできる材料として、イオントラックの研究に適することを示している。そこで本研究では、PVDFと2種類の照射技術に着目して、イオントラック径を制御する手法を検討した。一つはイオントラック内の酸化を促進できる可能性を持つ酸素雰囲気下での重イオンビーム照射であり、もう一つは単イオンに比べて60倍もの高いエネルギーを一つのイオントラックに付与できるフラーレン(C$$_{60}$$$$^{+}$$)クラスタービームの照射である。前者の照射技術を用いて、エッチング可能なイオントラックの領域を、従来の真空中照射では得られないサイズにまで拡大させる手法の開発に成功した。また後者の技術を用いて、同じエネルギーを持つ単イオン(C$$^{+}$$)の場合に比べて、イオントラック径を拡大できる手法を示した。

論文

FE-SEM observation of chains of nanohillocks in SrTiO$$_{3}$$ and Nb-doped SrTiO$$_{3}$$ surfaces irradiated with swift heavy ions

喜多村 茜; 石川 法人; 近藤 啓悦; 山本 春也*; 八巻 徹也*

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 460, p.175 - 179, 2019/12

 被引用回数:1 パーセンタイル:23.13(Instruments & Instrumentation)

高速重イオン(SHI)がセラミックスに真上から入射すると、SHI一つに対してヒロック(ナノメートルサイズの隆起物)が一つ表面に形成される。一方で近年、SHIがチタン酸ストロンチウム(SrTiO$$_{3}$$)や酸化チタン(TiO$$_{2}$$)の表面をかするように入射した場合、表面にはイオンの飛跡に沿って連続的に複数個のヒロックが形成されると報告された。これらは原子間力顕微鏡(AFM)を用いて観察されており、観察結果にはAFMのプローブ寸法由来の測定誤差を含んでいる。そこで本研究では、ヒロックのサイズより十分小さい分解能(1.5nm)を有し、非接触で観察可能な電界放出形走査電子顕微鏡(FE-SEM)を用いて連続ヒロックを観察する手法を検討した。本発表では成功した連続ヒロックのFE-SEM観察結果とともに、AFM観察との比較を通して連続ヒロックの形状を報告する。

論文

高エネルギー重イオンビームによる海水濃縮用カチオン, アニオン交換膜の開発

澤田 真一*; 安川 政宏*; 越川 博*; 喜多村 茜; 比嘉 充*; 八巻 徹也*

日本海水学会誌, 73(4), p.208 - 216, 2019/08

日本における食塩生産は、カチオン交換膜(Cation Exchange Membrane: CEM)とアニオン交換膜(Anion Exchange Membrane: AEM)を用いた電気透析による海水濃縮工程を経る。この海水濃縮工程の性能はCEMとAEMの輸送特性に大きく依存する。高濃度の濃縮海水を得るためには、より低い電力での電気透析を実現する膜の抵抗が低い方が好ましい。しかし一般的に、低抵抗の膜では含水による膨潤が起こりやすく、輸率は下がって水透過率は上がるため濃縮海水濃度が低下する。このように電解電力と濃縮海水濃度はトレードオフの関係にあり、この関係を打破するためには、低い抵抗、高い輸率、低い水透過率を兼ね備えたCEMとAEMが必要である。そこで我々は、重イオンビームを利用したイオン飛跡グラフト重合法により、現行のCEMとAEMよりも抵抗が低く、高輸率と低水透過率を兼ね備えた新規膜の開発を進めている。本稿では、イオン飛跡グラフト重合法を概説し、本手法によるCEM及びAEMの作製方法、輸送特性についてそれぞれ説明し、海水濃縮試験の結果を報告する。

論文

FE-SEM observations of multiple nanohillocks on SrTiO$$_{3}$$ irradiated with swift heavy ions

喜多村 茜; 石川 法人; 近藤 啓悦; 藤村 由希; 山本 春也*; 八巻 徹也*

Transactions of the Materials Research Society of Japan, 44(3), p.85 - 88, 2019/06

高速重イオンがセラミックスに真上から入射すると、イオン一つに対してヒロック(ナノメートルサイズの隆起物)が一つ表面に形成される。一方で近年、SHIがチタン酸ストロンチウム(SrTiO$$_{3}$$)や酸化チタン(TiO$$_{2}$$)の表面をかするように入射した場合、表面にはイオンの飛跡に沿って連続的に複数個のヒロックが形成されると報告された。これらは原子間力顕微鏡(AFM)を用いて観察されており、観察結果にはAFMのプローブ寸法由来の測定誤差を含んでいる。そこで本研究では、ヒロックのサイズより十分小さい分解能(1.5nm)を有し、非接触で観察可能な電界放出形走査電子顕微鏡(FE-SEM)を用いて連続ヒロックを観察し、形状の違いを検討した。SrTiO$$_{3}$$はNbを添加することで電気伝導性が発現する。SrTiO$$_{3}$$(100)とNbを0.05wt%添加した単結晶SrTiO$$_{3}$$(100)に対し、350MeVのAuビームを、単結晶表面に対するイオンの入射角が2度以下となるよう照射した。照射後のFE-SEM観察によって、SrTiO$$_{3}$$(100)表面には長さ数百nmにわたって直径20nmのヒロックが連続的に形成されていた一方で、Nbを添加したSrTiO$$_{3}$$(100)表面では、ほぼ同じ長さで凹状に溝が形成されていることがわかった。これらの形状の違いは電気伝導性とそれによる熱伝導性の違いが起因し、イオントラックの温度が融点付近になるSrTiO$$_{3}$$(100)ではヒロックが、昇華温度にまで上昇するNb添加SrTiO$$_{3}$$(100)では溝ができると考えられる。

論文

Fluoropolymer-based nanostructured membranes created by swift-heavy-ion irradiation and their energy and environmental applications

八巻 徹也*; Nuryanthi, N.*; 喜多村 茜; 越川 博*; 澤田 真一*; Voss, K.-O.*; Severin, D.*; Tautmann, C.*

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 435, p.162 - 168, 2018/11

 被引用回数:4 パーセンタイル:56.63(Instruments & Instrumentation)

フッ素系高分子膜(PVDF及びETFE)に直径数十から数百nmのイオントラックを作製し、化学エッチング処理によってイオン穿孔を、またグラフト重合によってイオン交換膜を作製する技術をそれぞれ開発した。PVDF膜におけるイオン穿孔膜に関しては、穿孔径がLETに依存することがわかり、高い精度で形状制御が可能であることを示した。また、グラフト重合によるETFEのイオン交換膜は燃料電池の電解質膜に適することを示した。このように我々が開発した技術は、水質管理や石油精製などのろ過技術、及び燃料電池の分野に貢献する。

論文

高エネルギーイオンビームによるナノ構造制御機能膜の研究; フッ素系高分子多孔膜とイオン交換膜を中心に

八巻 徹也*; 喜多村 茜; 澤田 真一*; 越川 博*

日本海水学会誌, 72(2), p.62 - 74, 2018/04

本総説では、高速の単一重イオンによる潜在飛跡を利用したナノ構造制御機能膜として、フッ素系高分子からなる多孔膜とイオン交換膜の研究を報告する。多孔膜とは、潜在飛跡における高分子鎖の切断領域を化学エッチングすることで得られるイオン穿孔膜のことである。一方のイオン交換膜は、このイオン穿孔、あるいは潜在飛跡中の反応活性点を利用し、化学修飾により荷電基を導入したカチオン・アニオン交換膜のことである。われわれの材料はどちらも構造や機能の観点で極めて特異であり、高エネルギーイオンビーム技術でしか得られないことを強調する。このようなナノ構造制御機能膜を作製するための量産的、あるいは最新の照射技術として、それぞれ国内外のイオン照射研究施設も紹介する。

論文

Ion track etching of PVDF films irradiated with fast C$$_{60}$$$$^{+}$$ cluster ions

喜多村 茜; 八巻 徹也*; 千葉 敦也*; 薄井 絢

QST-M-8; QST Takasaki Annual Report 2016, P. 37, 2018/03

C$$_{60}$$クラスターイオンを照射にしたPVDF膜のトラックエッチングに関し、炭素の単原子イオン照射との比較を通して検討した。まず、PVDF膜に対し、6MeVのC$$_{60}$$$$^{+}$$(単原子当たり100MeV)及び、100MeVのC$$^{+}$$イオンをそれぞれ照射し、同条件でエッチング処理を行った。SEM及びAFM観察の結果、C$$_{60}$$$$^{+}$$クラスター照射したPVDF膜には、底面が平らな直径400nmで深さ250nmのトラックエッチングされた穿孔が一面に形成されていた。一方で、単原子照射した試料には穿孔だと断定できない不定形で小さな凹部しか見られなかった。またC$$_{60}$$$$^{+}$$クラスター照射の場合、穿孔径はエッチング時間に伴って拡大した。PVDF膜の穿孔径がC$$_{60}$$$$^{+}$$クラスター照射によって拡大することを確認したことから、複数のイオンが局所的かつ同時に衝突することでイオントラックのエッチング可能な領域が拡大することがわかった。

論文

Preparation of nano-structure controlled ion-exchange membranes by ion beams and their application to seawater concentration

八巻 徹也*; 後藤 光暁*; 澤田 真一*; 越川 博*; 喜多村 茜; 比嘉 充*

QST-M-8; QST Takasaki Annual Report 2016, P. 35, 2018/03

本研究では、重イオンビームグラフト重合法によりイオン交換膜を作製する手法を開発し、海水濃縮に応用した。フッ素樹脂(ETFE)の基材に対して、560MeVのXeビームをフルエンス3$$times$$10$$^{8}$$ $$sim$$1$$times$$10$$^{9}$$ions/sm$$^{2}$$で照射し、その後、スチレンスルホン酸エチルエステルのグラフトと加水分解及び、クロロメチルスチレンのグラフトと四級化によってイオン交換膜を得た。イオン交換容量は2.0$$sim$$2.5mmol/gに調節した。作製した膜の吸水率及び抵抗値は、従来の$$gamma$$線照射膜に比べて低い結果を示し、海水濃縮に適することがわかった。これは、イオンビームによってナノメートルスケールの局所的かつ高密度なエネルギー付与を制御した結果である。なお、フルエンス3$$times$$10$$^{8}$$ions/sm$$^{2}$$の場合、イオントラック径は250nmで、全体に占める体積の割合はわずか14%であった。

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

Characteristics of electron spin resonance signal of quartz from sediments and adjacent bedrocks

徳安 佳代子; 安江 健一; 小松 哲也; 田村 糸子; 堀内 泰治

QST-M-2; QST Takasaki Annual Report 2015, P. 189, 2017/03

日本の山地では、一般的に隆起による高度増大に伴い侵食速度が増大する傾向がある。侵食速度が隆起速度と動的平衡状態にある山地では、時間が経っても平均高度が一定に保たれるため、山地から平野にかけての地下水流動は時間経過によって変化しないと考えられる。一方、隆起開始から時間が十分に経過しておらず動的平衡状態に至っていない山地は、今後、高度の増大に伴って地下水流動が変化する可能性がある。放射性廃棄物の地層処分においては、このような地形変化に伴う地質環境を把握することが重要な検討課題となるため、本研究では、砕屑粒子をその周辺の基盤岩中の石英の電子スピン共鳴(Electron Spin Resonance: ESR)信号特性を比較し、石英の供給源を推定する手法の有効性について検討した。ESR測定の結果、堆積物とその起源となり得る基盤岩のESR特性が類似していたことから、石英粒子のESR信号特性を用いる方法は堆積物の供給源推定に有効であると考えらえる。

論文

Reduced-shifted conjugate-gradient method for a Green's function; Efficient numerical approach in a nano-structured superconductor

永井 佑紀; 篠原 康*; 二村 保徳*; 櫻井 鉄也*

Journal of the Physical Society of Japan, 86(1), p.014708_1 - 014708_9, 2017/01

 被引用回数:7 パーセンタイル:59.82(Physics, Multidisciplinary)

銅酸化物高温超伝導体や鉄系高温超伝導体に代表される非従来型超伝導体は、様々な産業への応用が期待され世界中で盛んに研究されている。これらの非従来型超伝導体などをデバイスとして応用するためには、第一原理計算などを駆使した物質の特徴を捉えたシミュレーション手法の開発が急務である。本稿では、上記課題に対し、ナノサイズの超伝導体のシミュレーション手法の開発に成功したことを報告する。なお、上記課題の解決にあたり、Reducedシフト共役勾配法(RSCG)法という大規模並列計算が可能な手法を超伝導シミュレーションに応用し、実際に機構の所有するスーパーコンピューターSGI ICE X上で大規模並列計算を行い、そのパフォーマンスを調べた。そして、従来の手法と比べて非常に高速で応用範囲が広いことを報告した。これらの結果は、超伝導体の基礎物性を明らかにする手法であるのみならず、第一原理計算と組み合わせることで物質の特徴を取り入れることができるため様々な異なる物質のナノ超伝導デバイスに適用可能であり、広く原子力分野の材料開発のためのシミュレーション基盤開発にも資する成果である。

論文

SENJU; A New time-of-flight single-crystal neutron diffractometer at J-PARC

大原 高志; 鬼柳 亮嗣; 及川 健一; 金子 耕士; 川崎 卓郎; 田村 格良; 中尾 朗子*; 花島 隆泰*; 宗像 孝司*; 茂吉 武人*; et al.

Journal of Applied Crystallography, 49(1), p.120 - 127, 2016/02

 被引用回数:33 パーセンタイル:94.36(Chemistry, Multidisciplinary)

SENJU, a time-of-flight Laue-type single-crystal neutron diffractometer, was developed at the Materials and Life Science Experimental Facility (MLF) of the Japan Accelerator Research Complex (J-PARC). Molecular structure analysis of a sub-millimeter taurine crystal and magnetic structure analysis of a MnF$$_{2}$$ crystal were performed to evaluate its performance.

論文

Stochastic estimation of nuclear level density in the nuclear shell model; An Application to parity-dependent level density in $$^{58}$$Ni

清水 則孝*; 宇都野 穣; 二村 保徳*; 櫻井 鉄也*; 水崎 高浩*; 大塚 孝治*

Physics Letters B, 753, p.13 - 17, 2016/02

AA2015-0661.pdf:0.39MB

 被引用回数:16 パーセンタイル:81.37(Astronomy & Astrophysics)

原子核の準位密度は中性子捕獲反応断面積を支配し、そのため原子力や天体核物理への応用に重要な役割を担っている。この論文では、準位密度を殻模型を用いて現実的かつ精度よく計算する新しい手法を提唱し、その有用性を示した。この手法は、準位密度を複素平面の周回積分に置き換え、その各積分点で現れるオペレータのトレースを確率的に効率良く求めるという発想に基づいている。厳密に固有値分布が得られる系でこの手法の有用性を確かめた後、従来直接的には計算不可能だった$$^{58}$$Niのパリティ依存準位密度を計算した。その結果、$$^{58}$$Niの$$2^+$$$$2^-$$状態の準位密度が低い励起エネルギーでほぼ等しくなるという、これまでの手法では再現できなかった性質を微視的に得ることに初めて成功した。

論文

Ion-track grafting of vinylbenzyl chloride into poly(ethylene-$$co$$-tetrafluoroethylene) films using different media

Nuryanthi, N.*; 八巻 徹也; 喜多村 茜; 越川 博; 吉村 公男; 澤田 真一; 長谷川 伸; 浅野 雅春; 前川 康成; 鈴木 晶大*; et al.

Transactions of the Materials Research Society of Japan, 40(4), p.359 - 362, 2015/12

ナノ構造制御したアニオン交換膜を作製するため、エチレン-テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)膜に塩化ビニルベンジルモノマーのイオン飛跡グラフト重合を行った。低フルエンスの照射の下でグラフト率をできる限り高めるため、グラフト重合における反応媒質の影響を検討した。反応媒質として純水(H$$_{2}$$O)とイソプロピルアルコール($$i$$PrOH)の混合液を用いた場合、560MeV $$^{129}$$Xeビームによるグラフト率は、H$$_{2}$$O/$$i$$PrOH比の増大とともに高くなり、H$$_{2}$$Oのみのとき最大となった。この結果は、いわゆるゲル効果に類似した現象を考えれば理解できる。すなわち、グラフト鎖は貧溶媒の存在下で反応媒質に不溶となって凝集し、他の鎖との再結合(言い換えれば停止反応)が抑制されることに起因すると考えられる。

論文

Unique Fermi surface and emergence of charge density wave in EuGa$$_4$$ and EuAl$$_4$$

仲村 愛*; 平仲 裕一*; 辺土 正人*; 仲間 隆男*; 三浦 泰直*; 堤 泰樹*; 森 晶宣*; 石田 一裕*; 三田村 勝哉*; 広瀬 雄介*; et al.

JPS Conference Proceedings (Internet), 3, p.011012_1 - 011012_6, 2014/06

Two europium compounds with the same structure EuGa$$_4$$ and EuAl$$_4$$ have been investigated. The Fermi surfaces revealed experimentally show a peculiar feature: flat Fermi surface sheets appear parallel to the tetragonal [110] planes. Reflecting this, a charge density wave transition due to the nesting of Fermi surface sheets has been observed in EuAl$$_4$$.

論文

Fermi surface and magnetic properties of antiferromagnet EuBi$$_3$$

仲村 愛*; 平仲 裕一*; 辺土 正人*; 仲間 隆男*; 立津 慶幸*; 眞榮平 孝裕*; 三浦 泰直*; 森 晶宣*; 堤 泰樹*; 広瀬 雄介*; et al.

Journal of the Physical Society of Japan, 82(12), p.124708_1 - 124708_6, 2013/12

 被引用回数:18 パーセンタイル:72.91(Physics, Multidisciplinary)

Fermi surfaces and magnetic properties of an antiferromagnet EuBi$$_3$$ were investigated on a flux-grown single crystal. A critical magnetic field of 225 kOe where the magnetic moments are forced to align ferromagnetically was well explained by the magnetic exchange interaction based on a two-sublattice model. The Fermi surface characteristics are in agreement with the theoretical prediction indicating a fully magnetic divalent state in Eu atoms.

論文

Microscopic evaluation of the absolute fluence distribution of a large-area uniform ion beam using the track-etching technique

喜多村 茜; 八巻 徹也; 百合 庸介; 澤田 真一; 湯山 貴裕

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 314, p.47 - 50, 2013/11

 被引用回数:1 パーセンタイル:12.7(Instruments & Instrumentation)

The uniform-beam formation/irradiation system has been developed at TIARA. For the evaluation of the beam uniformity, the relative intensity distribution is obtained from the optical density change of a radiochromic film. However, the absolute fluence distribution cannot be estimated easily and precisely by the radiochromic film based on radiation-induced coloration. In this study, we microscopically evaluated the particle fluence distribution using the track-etching technique, which involves irradiation of a polymer with energetic heavy ions and chemical-etching of the resultant tracks. Relative standard deviation (RSD) value for the microscopic fluence distribution of the uniform beam on the PET film was agreed well with that determined by the radiochromic film. The uniform intensity distribution was realized in our uniform-beam formation system microscopically.

論文

Magnetic and Fermi surface properties of EuGa$$_4$$

仲村 愛*; 平仲 裕一*; 辺土 正人*; 仲間 隆男*; 三浦 泰直*; 堤 泰樹*; 森 晶宣*; 石田 一裕*; 三田村 勝哉*; 広瀬 雄介*; et al.

Journal of the Physical Society of Japan, 82(10), p.104703_1 - 104703_10, 2013/10

 被引用回数:29 パーセンタイル:82(Physics, Multidisciplinary)

High quality single crystals of EuGa$$_4$$ have been grown from Ga flux. Electrical resistivity, magnetic susceptibility, high-field magnetization, specific heat, thermoelectric power and de Haas-van Alphen effect were investigated. Antiferromagnetic transition due to divalent Eu atoms were observed at 16.5 K. A charge density wave transition was also found under high pressure accompanied by a Fermi surface reconstruction. These observations were fully accounted for by the Fermi surface topology and corresponding band calculations.

論文

Numerical construction of a low-energy effective Hamiltonian in a self-consistent Bogoliubov-de Gennes approach of superconductivity

永井 佑紀; 篠原 康*; 二村 保徳*; 太田 幸宏*; 櫻井 鉄也*

Journal of the Physical Society of Japan, 82(9), p.094701_1 - 094701_10, 2013/09

 被引用回数:17 パーセンタイル:71.77(Physics, Multidisciplinary)

銅酸化物高温超伝導体に代表される非従来型超伝導体は、原子力分野をはじめとして、さまざまな産業への応用も期待され世界中で盛んに研究されているが、これらの超伝導体を利用したマイクロデバイスを設計するためには量子力学的挙動も含めて正確に取り扱うことが必要である。本研究では、上記課題に対し、スペクトル直交多項式展開と杉浦櫻井法を併用した並列性の極めて高い数値計算手法を開発したことを報告する。なお、上記課題の解決にあたっては、その並列計算性能を示すために、スーパーコンピュータBX900に最適化した超大規模並列計算コードを開発することに成功した。これらの結果は、超伝導体のシミュレーションのみならず、実空間第一原理計算等の巨大な系を扱える手法の一つとしても有用であり、さまざまな系に適用可能であり、広く原子力分野の材料開発のためのシミュレーション基盤開発にも資する成果である。

論文

Full-coherent free electron laser seeded by 13th- and 15th-order harmonics of near-infrared femtosecond laser pulses

佐藤 尭洋*; 岩崎 純史*; 大和田 成起*; 山内 薫*; 高橋 栄治*; 緑川 克美*; 青山 誠; 山川 考一; 富樫 格*; 深見 健司*; et al.

Journal of Physics B; Atomic, Molecular and Optical Physics, 46(16), p.164006_1 - 164006_6, 2013/08

 被引用回数:3 パーセンタイル:21.46(Optics)

自由電子レーザー(FEL)は、自己増幅自発放射方式を用いているため、発振したレーザー光のスペクトルや時間波形がスパイク状構造になる欠点がある。この問題点を解決するために、短波長光源である高次高調波をFELにインジェクションし、スペクトルや時間波形にスパイク構造のない極端紫外領域のシード型FELの研究開発を進めている。高次高調波を発生させるドライブレーザーである高出力フェムト秒・チタンサファイアCPAレーザーシステムは、これまで原子力機構で培ったレーザー技術を設計に活かし、レーザーシステムの構築を行った。そして、このドライブレーザーをXeガス中に集光して得られる13次高調波(波長61.7nm)、15次高調波(波長53.4nm)をシード光としてFELへインジェクションし、極端紫外領域でシード型FEL(波長61.2nm)の発振に世界で初めて成功した。また、シードFEL光のコントラスト比についても検討した。この結果について発表する。

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