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論文

A Development of super radiation-hardened power electronics using silicon carbide semiconductors; Toward MGy-class radiation resistivity

土方 泰斗*; 三友 啓*; 松田 拓磨*; 村田 航一*; 横関 貴史*; 牧野 高紘; 武山 昭憲; 小野田 忍; 大久保 秀一*; 田中 雄季*; et al.

Proceedings of 11th International Workshop on Radiation Effects on Semiconductor Devices for Space Applications (RASEDA-11) (Internet), p.130 - 133, 2015/11

In order to develop semiconductor devices with MGy radiation resistivity, we are developing power metal-oxide-semiconductor field-effect-transistors (MOSFETs) based on silicon carbide (SiC) semiconductors. The $$gamma$$-ray irradiation responses of power SiC-MOSFETs were studied under various irradiation temperatures and humidity with various gate-bias conditions. Making comparisons between these responses, the optimum device operating condition and a better device structure were derived and MGy resistivity was achieved. Besides, $$gamma$$-ray irradiation tests for a motor-driver circuits consisting of SiC-MOSFETs were carried out, and as a result, their continuous operation up to 2 MGy was confirmed.

論文

Effect of humidity and temperature on the radiation response of SiC MOSFETs

武山 昭憲; 松田 拓磨; 横関 貴史; 三友 啓; 村田 航一; 牧野 高紘; 小野田 忍; 田中 雄季*; 神取 幹郎*; 吉江 徹*; et al.

Proceedings of 11th International Workshop on Radiation Effects on Semiconductor Devices for Space Applications (RASEDA-11) (Internet), p.134 - 137, 2015/11

Influence of $$gamma$$-ray irradiation under high temperature and high humidity circumstance on the electrical characteristics of Silicon Carbide (SiC) Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistors (MOSFETs) was investigated. The drain current (I$$_{D}$$)-gate voltage (V$$_{G}$$) curves shifted to the negative voltage side and no significant further shift was observed with increasing the dose above 10 kGy. Suppression of the negative shift of threshold voltage (V$$_{th}$$) means that positive charges generated by irradiation were thermally annealed by elevated temperature during irradiation. The leakage current slightly increased at 5 and 10 kGy, however, those values recovered to be approximately the initial value above 40 kGy. Humidity circumstance attributed to remarkable suppression of the leakage current in comparison with dry circumstance.

論文

硬X線光電子分光による酸化膜の評価

小畠 雅明; 小林 啓介*

Journal of the Vacuum Society of Japan, 58(2), p.43 - 49, 2015/02

大きな検出深さを持つ硬X線光電子分光装置を利用した界面反応領域の深さ方向分析手法、及びこれを活用した金属電極/絶縁膜/半導体ゲートスタック構造などの多層構造に埋もれた界面の化学結合状態と電子状態について紹介する。

論文

Ti(0001)表面酸化における極薄酸化膜成長と酸化状態

高桑 雄二*; 石塚 眞治*; 吉越 章隆; 寺岡 有殿; 盛谷 浩右; 小川 修一*; 水野 善之*; 頓田 英機*; 本間 禎一*

真空, 47(6), p.457 - 461, 2004/06

Ti(0001)表面の酸化反応を400$$^{circ}$$C, 3.7$$times$$10$$^{-6}$$Paの反応条件のもとで放射光を用いてその場リアルタイム光電子分光観察した。酸素の吸着曲線は45-85Lで一旦台形状になるが、その後増加した。この再増加はTiの酸化状態がTiOからTiO$$_{2}$$に変化することに伴って起こる。結局、酸素の吸着曲線の特異的な変化はTiの酸化状態の変化に対応していることがわかった。

論文

Application of hydrogen analysis by neutron imaging plate method to Zircaloy cladding tubes

安田 良; 仲田 祐仁; 松林 政仁; 原田 克也; 畠山 祐一; 天野 英俊

Journal of Nuclear Materials, 320(3), p.223 - 230, 2003/08

 被引用回数:13 パーセンタイル:30.43

本稿においては、水素濃度が既知な標準試料を用いて、照射済燃料被覆管を模擬した試料の水素分布を定量的に評価した。被覆管断面全体に渡っての水素濃度分布が得られ、その空間分解能は、画像上の画素(0.1$$times$$0.1mm)に一致する。さらに、イメージングプレート像に及ぼす酸化膜の影響を、酸化膜のみ、または酸化膜及び水素化物の両方を形成した被覆管を用いてしらべた。その結果、酸化膜に相当する領域は画像上において確認できなかった。また、画像数値解析によっても酸化膜の有意な影響は確認できなかった。上記の結果から、中性子イメージングプレート法により、水素分析を行う際においても、酸化膜の影響は小さく、考慮する必要がないと考えられる。

論文

The Electrical characteristics of metal-oxide-semiconductor field effect transistors fabricated on cubic silicon carbide

大島 武; Lee, K. K.; 石田 夕起*; 児島 一聡*; 田中 保宣*; 高橋 徹夫*; 吉川 正人; 奥村 元*; 荒井 和雄*; 神谷 富裕

Japanese Journal of Applied Physics, Part 2, 42(6B), p.L625 - L627, 2003/06

 被引用回数:33 パーセンタイル:22.9(Physics, Applied)

炭化ケイ素(SiC)半導体は、大電力・高周波素子への応用が期待されているが、結晶成長や素子作製技術が確立しておらず、実用化への課題となっている。特に、金属-酸化膜-半導体(MOS)電界効果トランジスタ(FET)のチャンネル移動度の向上は実用化に不可欠となっている。これまで、結晶作製技術の問題より六方晶SiCが主な研究対象であったが、近年、立方晶SiC(3C-SiC)の厚膜化が可能となり、その厚膜を基板とすることでホモエピタキシャル成長を行うことが可能となった。本研究では、化学気相法により1650$$^{circ}$$Cでホモエピタキシャル成長させた立方晶SiC上にMOSFETを作製した。MOSFETのソース,ドレイン領域は800$$^{circ}$$Cでのイオン注入及び1650$$^{circ}$$Cで3分間のAr熱処理することで作製し、ゲート酸化膜は1100$$^{circ}$$Cでの水素燃焼酸化により形成した。電気特性よりチャンネル移動度を見積もったところ260 cm$$^{2}$$/Vsという非常に優れた値が得られた。また、酸化膜耐電圧を計測したところ絶縁破壊開始電界が8.5MV/cmというほぼ理想値を得た。

論文

Effect of cladding pre-oxidation on rod coolability during reactivity accident conditions

杉山 智之; 更田 豊志

IAEA-TECDOC-1320, p.102 - 110, 2002/11

燃料棒被覆管表面の酸化が、反応度事故条件下における燃料棒の冷却性に及ぼす影響について論ずる。NSRR実験では照射済燃料実験の方が、未照射燃料実験より低い被覆管表面温度を示してきた。その原因の一つとして、照射済燃料の被覆管外表面に生成されていた酸化膜が伝熱を増大させた可能性が挙げられた。この仮説を実証するため、表面酸化膜なし,酸化膜厚さ1$$mu$$m及び10$$mu$$mの3種類の燃料棒を用いてパルス照射実験を行った。被覆管表面温度の過渡測定より、酸化膜付被覆管では限界熱流束及び最小熱流束がともに増大することを明らかにした。これらの挙動において酸化膜厚さ1$$mu$$mと10$$mu$$mの燃料棒で顕著な違いがなかったことから、酸化膜の効果はその厚さではなく有無に依存すると考えられる。

論文

Ion beam induced charge gate rupture of oxide on 6H-SiC

Lee, K. K.; 西島 俊二*; 大島 武; Jamieson, D. N.*

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 181(1-4), p.324 - 328, 2001/07

 被引用回数:5 パーセンタイル:56.78

6H-SiC上に作製した酸化膜(SiO$$_{2}$$)に発生する固定電荷及びSiC/SiO$$_{2}$$界面の準位をイオンビーム誘起電流(IBIC), エレクトロネッセンス(EL), キャパシタンス測定(C-V)により調べた。C-V測定より、SiC/SiO$$_{2}$$界面に多量の正に帯電したトラップが存在することが分かった。このトラップは酸化膜中にもともと存在する欠陥及びIBIC測定のためのへリウムイオン照射により生成した欠陥と考えられる。ELより1.36, 1.6, 2.3及び2.9eVの発光線が観測された。このうち1.36と2.3eVの発光線はSiC中に生成された欠陥に起因し、SiC素子の耐放射線性に影響を及ぼすと考えられる。ヘリウムイオン照射によるSiC上の酸化膜破壊も観測された。

報告書

中性子ラジオグラフィによる照射済燃料・材料の非破壊試験法の開発,2; 中性子ラジオグラフィによるジルカロイ被覆管における水素化物及び酸化膜の観察評価

安田 良; 仲田 祐仁; 松林 政仁; 原田 克也; 安藤 均*

JAERI-Tech 2000-082, 38 Pages, 2001/02

JAERI-Tech-2000-082.pdf:7.79MB

本報は、照射済燃料に対する中性子ラジオグラフィの開発に関する第二報であり、前報で述べた照射済燃料を模擬したジルカロイ被覆管におけるコールド予備試験の結果について報告する。試験は、被覆管の健全性に影響を及ぼす重要な組織である水素化物及び酸化膜をそれぞれ水素濃度及び膜厚を制御して形成したジルカロイ管を用いて、イメージングプレート及びCT法により撮影を行った。撮影後は、写真観察と画像解析処理により評価を行った。その結果、被覆管中の水素化物については、水素化物の形成領域が確認され、定性的な評価が可能であることがわかった。酸化膜形成管に関しては、酸化膜そのものの観察は困難であったが、形成処理条件による影響が画像上で確認された。

報告書

重金属冷却炉の崩壊熱除去特性解析 - 鉛、鉛-ビスマス、ナトリウム冷却炉の比較評価 -

堺 公明; 岩崎 隆*; 大島 宏之; 山口 彰

JNC-TN9400 2000-033, 94 Pages, 2000/04

JNC-TN9400-2000-033.pdf:4.36MB

サイクル機構では、高速増殖炉の実用化戦略調査研究として、多様な冷却材を対象とした幅広い実用化像に関する設計研究を進めている。その一環として、本研究では、鉛及び鉛-ビスマス合金を冷却材とする重金属冷却炉を対象として、重要な熱流動評価項目である崩壊熱除去特性について、ナトリウム冷却炉と比較し、冷却材の相違に基づく崩壊熱除去特性を比較整理することを目的としている。鉛及び鉛-ビスマスの重金属冷却材は、空気及び水と化学的に不活性であることから、経済性に優れた2次系削除のプラント概念が多く提案されている。本解析では、2次系削除プラントを等価的な比較対象プラントとして設定し、ナトリウム、鉛及び鉛-ビスマス冷却材についてSuper-COPDコードによる崩壊熱除去特性解析を実施し、それらのプラント動特性の相違について比較した。また、鉛冷却大型ループ型炉として最適化された設計概念を対象として、崩壊熱除去特性解析を実施した。その結果、一般的な特性として、重金属冷却材は伝熱面の酸化膜形成及び腐食等による伝熱への影響について今後確認が必要であるものの、崩壊熱除去特性に関しては、重金属冷却材は冷却性に優れたナトリウムと同等な除熱能力を有し、特に、受動的崩壊熱除去特性である自然循環特性に優れた能力を有することが明らかになった。

論文

HTTR水素製造システムにおけるハステロイXRの水素同位体透過係数

武田 哲明; 岩月 仁*; 稲垣 嘉之; 小川 益郎

日本原子力学会誌, 42(3), p.204 - 211, 2000/03

 被引用回数:2 パーセンタイル:78.41(Nuclear Science & Technology)

高温工学試験研究炉(HTTR)に接続する水素製造システムでは、中間熱交換器や水蒸気改質器に使用される高温耐熱合金の水素同位体透過が重要な問題となる。本研究は水素同位体透過現象の律速過程や透過量を低減する効果的な方法を調べることが目的である。本論文ではHTTR水素製造システムにおける透過現象の律速過程と透過試験の概略及びハステロイXRの水素・重水素透過係数について述べた。HTTR水素製造システムにおいては金属内の水素拡散が律速過程であり、ハステロイXRの水素透過に対する活性化エネルギーはハステロイXの値とおおむね一致した。重水素透過係数は水素透過係数の約1/1.42倍の値であった。またヘリウムガス雰囲気で約140時間加熱中に形成された金属表面の酸化膜でも水素同位体透過量の低減効果を有することがわかった。

論文

Radiation-induced trapped charge in metal-nitride-oxide-semiconductor structure

高橋 芳浩*; 大西 一功*; 藤巻 武*; 吉川 正人

IEEE Transactions on Nuclear Science, 46(6), p.1578 - 1585, 1999/12

 被引用回数:20 パーセンタイル:17.15(Engineering, Electrical & Electronic)

金属/窒化膜/酸化膜/半導体(MNOS)構造が有する高い耐放射線性の原因を明らかにするため、照射前後での積層絶縁層中の捕獲電荷量分布を、絶縁層を斜めにエッチングする手法を用いて調べた。その結果、照射前では、窒化膜/酸化膜界面と酸化膜/Si基板界面に多量の電荷が分布していることがわかった。このMNOS構造に極性の異なる電圧を印加しながら$$^{60}$$Co$$gamma$$線を照射した。正電圧を印加して照射した試料では、窒化膜/酸化膜界面に電子が蓄積されるが、負電圧を印加して照射した試料では、窒化膜/酸化膜界面に正孔が蓄積されることがわかった。一方、酸化膜/半導体界面の電荷量の変化はMOS構造の結果と一致した。これらのことから、MNOS構造とMOS構造の照射効果の相違は、おもに窒化物/酸化膜界面の電荷量とその極性によって説明できることがわかった。

論文

Study on tritium/hydrogen permeation in the HTTR hydrogen production system

武田 哲明; 岩月 仁*; 稲垣 嘉之; 小川 益郎

Proceedings of 7th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-7) (CD-ROM), 10 Pages, 1999/00

本研究は高温工学試験研究炉(HTTR)の水蒸気改質水素製造システムにおけるトリチウム・水素透過過程を調べるため、中間熱交換器伝熱管やその熱利用系として接続する水蒸気改質器触媒管として採用されるハステロイXR等の高温耐熱合金の水素及び重水素透過係数を取得するとともに、水素同位体透過量の低減が期待される水素同位体対向拡散による低減効果、酸化膜やコーディング等による低減効果等の定量評価を行うことを目的としている。本論文では、水素透過試験装置の概略と得られたハステロイXRの水素透過係数について報告した。試験の結果、ハステロイXRに対する水素透過係数の活性化エネルギーと頻度因子は、温度600$$^{circ}$$C~850$$^{circ}$$C、水素分圧差100Pa~4$$times$$10$$^{3}$$Paにおいて、活性化エネルギー:E$$_{0}$$=67.20$$pm$$1.2kJ/mol,頻度因子:F$$_{0}$$=(9.97$$pm$$2.15)$$times$$10$$^{-5}$$であった。また800$$^{circ}$$Cで約140時間加熱後の水素透過係数は、活性化エネルギー:E$$_{0}$$=70.20$$pm$$2.0kJ/mol,頻度因子:F$$_{0}$$=(4.74$$pm$$0.4)$$times$$10$$^{-5}$$であり、活性化エネルギーは大きくなるが、水素透過係数は約1/2であった。

報告書

硝酸浸漬後における非鉄金属材料表面の調査

川野辺 一則*; 大橋 和夫*; 竹内 正行; 武田 誠一郎

PNC-TN8410 97-433, 50 Pages, 1997/12

PNC-TN8410-97-433.pdf:1.34MB

(目的)硝酸溶液中に浸漬した非鉄金属材料(Ti,Ti-5Ta,Zr)の表面状態および酸化皮膜を調査する。(方法)3M硝酸およびCr6+添加3M硝酸溶液中にTi,Ti-5TaおよびZrを沸騰96時間浸漬し、SEMによる表面状態の観察およびXPSによる酸化皮膜の調査を行った。(結果)(1)3M硝酸およびCr6+添加3M硝酸溶液中に96時間浸漬したTi,Ti-5TaおよびZrの表面状態は、試験前の研磨痕が確認された。しかし、3M硝酸で行った試験のTi,Ti-5Ta表面は、若干腐食による肌荒れが認められた。(2)いずれの試験条件においても、Tiの酸化皮膜は、TiO2,Ti-5Taの酸化皮膜は、TiO2と若干のTa2O5,Zrの酸化皮膜は、ZrO2であった。また、若干O-H結合の水酸化物が含まれていると考えられる。(3)いずれの試験条件においても、TiおよびTi-5Ta最表面酸化皮膜は、TiO2とTi2O3で構成され、その割合は、TiO2の方が多いことが分かった。(4)3M硝酸で行った試験のTiおよびTi-5Taの腐食速度は、Cr6+添加試験と比べて若干大きく、酸化皮膜の厚さは約800$$AA$$から900$$AA$$と推定される。また、Cr6+添加3M硝酸で行った試験の腐食速度は小さく、酸化皮膜の厚さも薄く約140$$AA$$と推定される。一方、Zrは、ほとんど腐食せず酸化皮膜の厚さは約220$$AA$$と推定される。(結論)3M硝酸で行った試験のTiおよびTi-5Taの表面状態は、腐食により若干肌荒れし、酸化皮膜は厚く成長することが分かった。Cr6+添加3M硝酸で行った試験のTiおよびTi-5Taの腐食速度は小さく、酸化皮膜は薄いことが分かった。Zrの酸化皮膜はいずれの試験においても、ZrO2で優れた耐食性を示した。

報告書

実ハル圧縮試験

小原 浩史*; 五十嵐 登*

PNC-TJ8164 96-009, 261 Pages, 1996/09

PNC-TJ8164-96-009.pdf:13.68MB

沸騰水型原子炉(Boiling Water Reactor,BWR)商用炉で照射した使用済み燃料被覆管せん断片(ハル)を不活性ガス気流中で圧縮・減容し、発生するジルカロイ微粒子(ファイン)及び気中に移行する放射性核種に係わるデータの取得試験を実施し、以下のような結果を得た。(1)酸洗浄後のハルの内面には、ウラン、セシウム等の核分裂生成物が付着している領域が認められた。(2)ハル外表面最大酸化膜厚さは30$$sim$$60$$mu$$mで、文献データと同等の範囲であった。(3)ハルの圧縮時に発生したファイン重量は約0.2$$sim$$0.3gで、圧縮したハルの重量(約32$$sim$$33g)の0.5$$sim$$1.0wt%であり、燃焼度の増加に伴なって多くなる傾向が認められた。(4)32$$sim$$33gのハルを圧縮した時に気中に移行したファインの重量は、1mg以下であった。(5)ハルの圧縮時に発生したファインの粒径は1$$mu$$m以下のものから100$$mu$$m以下のものまで観察された。発生したファインの粒径は1$$mu$$m以下のものから100$$mu$$m以上のものまで観察された。発生したファインの粒径別個数頻度では10$$mu$$m以下のものが大半であった。(6)電子線微小分析装置(Electori Probe Micro Analyzer,EPMA)による観察結果では、ファインは全て酸化物と推定された。(7)ハル中のトリチウムの吸蔵量を、ORIGEN-2コードを用いた計算による燃料中の生成量の60%と仮定した時、ハルの圧縮時に気中に移行するトリチウム量は、圧縮したハルのトリチウムの吸蔵量の10^-3%以下であったが、燃焼度の燃焼度の増加に伴なってわずかに大きくなる傾向が認められた。

論文

Oxide layer-thickness measurement on fuel cladding for high burnup HBWR fuel rods using eddy current method (Non-destructive examination)

仲田 祐仁; 天野 英俊; 関田 憲昭; 西 雅裕; 中村 仁一; 古田 照夫; 助川 友英; 石本 清

HPR-345, 0, 9 Pages, 1995/00

ノルウェーのハルデン炉で照射された高燃焼度燃料棒7本が平成3年1月に原研燃料試験施設に搬入され照射後試験が実施されてきた。その照射後試験の中から非破壊による燃料棒の外面酸化膜厚さ測定について、測定技術及び測定結果を報告する。燃料棒の外面酸化膜厚さ測定は、渦電流法を用いた膜厚測定であり、燃料棒の軸方向及び周方向の酸化膜厚さ分布を把握することが可能である。ハルデン高燃焼度燃料棒の酸化膜厚さは、最大で約22$$mu$$mであり、燃焼度及び照射期間からみると商用LWR燃料棒に比べて低い値であった。また、この酸化膜厚さ測定結果を基にして燃料棒直径測定データの再評価を実施し、燃料被覆管の外形変化を求めた。

論文

MOS構造の$$gamma$$線照射前後での酸化膜中電荷分布評価

岡田 耕平*; 今木 俊昨*; 高橋 芳浩*; 吉川 正人; 大西 一功*

電子情報通信学会技術研究報告, 93(172), p.23 - 27, 1993/07

シリコンMOS構造の放射線照射効果の1つとして、酸化膜中の正の固定電荷の蓄積がある。この固定電荷の捕獲位置は不明瞭であり、電荷捕獲機構についてもわからない点が多い。これらの点を明らかにするためには、酸化膜中の捕獲位置を明らかにする必要がある。今回我々は、フッ酸中に酸化膜を浸析させ酸化膜を傾斜エッチングする技術を開発し、これを用いて同一試料中に酸化膜厚の異なるMOS構造を作製した。各膜厚のミッドギャップ電圧を高周波C-V法を用いて測定し、MOS構造酸化膜中の固定電荷蓄積量と膜厚(膜中の固定電荷の位置)の関連性を追求した。その結果、酸化膜中ではSi/SiO$$_{2}$$界面付近に固定電荷が局在し、その量は酸化膜厚に依存しないことがわかった。また照射時の電荷量はMOS構造作製時の酸化温度に大きく依存することが明らかになった。

論文

最近の軽水炉用燃料被覆管開発

古田 照夫

原子力工業, 39(5), p.44 - 49, 1993/00

軽水炉燃料は経済性向上の観点から燃焼度延伸が行われ、これにともなう被覆管の性能向上が図られている。とりわけ、燃料の高燃焼度化を制約する因子と考えられている被覆水側腐食に対する耐食性改善が精力的に進められている。本報では、国内外におけるジルカロイ被覆に対する耐食性改善状況を概説するとともに、腐食機構に関する研究現状をまじえて開発の動向を解説する。

報告書

Hydrogen absorption by zirconium alloy cladding tube with surface oxide film

内田 正明

JAERI-M 91-132, 32 Pages, 1991/08

JAERI-M-91-132.pdf:1.25MB

酸化膜をつけたジルカロイ(2,4)およびZr-Nb(1%,2.5%)被覆管の水素吸収特性を、あらかじめ水蒸気または酸素または空気中で酸化した後、水素気体中で加熱する方法で調べた。一般に水素吸収速度は酸化量(酸化膜厚さ)に依存した。またZr-Nbでは酸化時の雰囲気にも大きく依存したが、ジルカロイではあまり依存しなかった。いずれの材料も、酸化曲線の遷移点付近まで酸化した場合、水素吸収速度が大きくなる傾向がみられた。遷移点を越えて酸化した場合、ジルカロイの水素吸収速度は酸化量によらずほぼ一定、またはやや減少傾向を示した。Zr-Nb、特にZr-2.5%Nbでは遷移点を越えると、明らかに水素吸収速度が低下する傾向を示した。

報告書

JMTR可燃性毒物燃料の開発

小山田 六郎; 中山 富佐雄

JAERI-M 9434, 67 Pages, 1981/04

JAERI-M-9434.pdf:4.23MB

この論文は、JMTR用可燃性毒物燃料の開発のために行った、燃料板及び天然ほう素入り側板の試作、並びにこれらの照射試験及び照射後試験の結果について報告するものである。燃料芯材のウラン含有率を現在の22w/oから30w/oに増加するために、燃料枚の製作は粉末冶金法によった。また、ほう素入り側板の製作は燃料板とほぼ同様の工程によった。照射試験及び照射後試験は満足すべき結果が得られた。ただし、同じ条件下で照射された4枚の燃料板のうちの1枚に酸化膜の剥離が観察されたが、なぜ1枚の燃料板にのみにかかる現象がみられたかの原因を明確にすることかできなかった。上記試験に加えて、燃料要素の及び全炉心での照射試験が予定されていた。しかし諸般の情勢によりプログラムは中止となった。

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