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報告書

3GeVシンクロトロンビーム入射部における放射線遮蔽体の検討及び設置作業報告

仲野谷 孝充; 神谷 潤一郎; 吉本 政弘; 高柳 智弘; 谷 教夫; 古徳 博文*; 堀野 光喜*; 柳橋 享*; 竹田 修*; 山本 風海

JAEA-Technology 2021-019, 105 Pages, 2021/11

JAEA-Technology-2021-019.pdf:10.25MB

J-PARC 3GeVシンクロトロン加速器ではビーム出力の増強に伴い、ビーム入射部付近では放射化による機器の表面線量と空間線量率が年々増加している。一方でビーム入射部には人の手によるメンテナンスが欠かせない機器が多数存在しており、作業者の被ばく低減が重要な課題であった。そのため、本加速器施設を管理するJ-PARCセンター加速器ディビジョン加速器第二セクションにおいて、作業者の被ばく低減のための遮蔽体設置を目的としたワーキンググループ「入射部タスクフォース」を設立し、遮蔽体の構造や設置方法等について検討を重ねてきた。結果、ビーム入射部の構造を一部更新し、必要な際に容易に取付けが可能な非常設型の遮蔽体を設置することとした。そして、2020年夏期メンテナンス期間に遮蔽体の設置に必要な更新作業を実施し、遮蔽体の設置を行った。更新作業は高線量下で長期間に渡るため、作業員の被ばく量を抑えることが重要な課題であった。このため、事前に入念に作業計画と作業手順を作成し、作業期間中も様々な被ばく低減対策と個々の被ばく管理を行った。これにより、作業者の被ばく線量を管理目標値以下に抑えることができた。本作業の実施により、ビーム入射部に取付け取外し可能な遮蔽体を設置できるようになった。この遮蔽体により入射部近傍での作業時の被ばく線量の低減に寄与できることが確認できた。夏期メンテナンス期間中のほぼすべてで入射部を占有する大規模な作業となったが、今後の保守作業における被ばく抑制のためには非常に有意義な作業であったと考えられる。

論文

3GeVシンクロトロンビーム入射部への遮蔽体設置作業

仲野谷 孝充; 神谷 潤一郎; 吉本 政弘; 高柳 智弘; 谷 教夫; 古徳 博文*; 堀野 光喜*; 柳橋 享*; 竹田 修*; 山本 風海

Proceedings of 18th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.238 - 242, 2021/10

J-PARC 3GeVシンクロトロン加速器ではビーム出力の増強に伴い、ビーム入射部付近では放射化による機器の表面線量と空間線量率が年々増加している。一方でビーム入射部には人の手によるメンテナンスが欠かせない機器が多数存在しており、作業者の被ばく低減が重要な課題であった。特に今後、本加速器の設計値である1MWで定常的な運転をしていくとさらなる機器の放射化が予想されるため、作業者の被ばくを低減するには遮蔽体の設置が必須である。遮蔽体の形状、設置方法等について検討を重ねた結果、ビームライン架台に対して取り外し可能な遮蔽体を設置することとした。そして、2020年夏季メンテナンス期間に遮蔽体の設置作業を実施した。遮蔽体の設置作業は高線量下で行われるため、作業員の被ばく量を抑えることが重要な課題であった。被ばく低減を図るため、入念に作業計画と作業手順を作成し、また、作業期間中も様々な被ばく低減対策と個々の被ばく管理を行った。これにより、作業者の最大の被ばく線量を管理目標値以下に抑えて作業を完遂することができた。遮蔽体設置後に遮蔽効果を検証した結果、この遮蔽体によって入射部近傍での被ばく線量が大幅に低減することが確認できた。本発表では設置した遮蔽体の概要、設置作業に係る作業管理・放射線管理及び遮蔽効果について報告する。

論文

高エネルギーX線を利用した異種材料レーザー溶接部内部ひずみ評価

菖蒲 敬久; 城 鮎美*; 村松 壽晴*

SPring-8/SACLA利用研究成果集(インターネット), 9(5), p.318 - 323, 2021/08

レーザー溶接は、照射領域が非常に小さく、制御も簡便であることから様々な金属材料に対してすでに実用化されている。本研究では実用化が期待されている異種材料レーザー溶接の課題の1つである、加工影響部付近のひずみ・応力・変形等について高エネルギー放射光X線回折法により評価した。銅と鉄の異材接合に関して内部変形測定を行った結果、線膨張係数が高い銅側はほとんど変形しておらず、鉄側に強い引張ひずみと熱影響部に塑性変形領域が確認された。加えて、鉄の塑性変形領域には銅が混ざったことが原因と思われる残留オーステナイト相が観測され、混在する金属材料中の材料強度評価にさらなる課題が明らかなとなった。

論文

Improving fatigue performance of laser-welded 2024-T3 aluminum alloy using dry laser peening

佐野 智一*; 詠村 嵩之*; 廣瀬 明夫*; 川人 洋介*; 片山 聖二*; 荒河 一渡*; 政木 清孝*; 城 鮎美*; 菖蒲 敬久; 佐野 雄二*

Metals, 9(11), p.1192_1 - 1192_13, 2019/11

 被引用回数:6 パーセンタイル:60.45(Materials Science, Multidisciplinary)

本研究の目的は、ドライレーザーピーニング(DryLP)の有効性を検証することである。DryLPは、大気条件下でフェムト秒レーザーパルスを使用して、加工合金中の硬度,残留応力,疲労性能などの機械的特性を改善するピーニング技術である。レーザー溶接された2024アルミニウム合金にDryLP処理を施すと軟化した溶接金属は母材の元の硬度に回復し、溶接金属と熱影響部の残留引張応力は圧縮応力に変わった。疲労寿命は180MPaの引張圧縮試験でほぼ2倍になり、120MPaでは50倍以上増加した。以上から、DryLPは低応力振幅での溶接欠陥のあるレーザー溶接アルミニウム試験片の疲労性能を改善するのにより効果的であることを明らかにした。

論文

Observation of simulated fuel debris using synchrotron radiation

米田 安宏; 原田 誠; 高野 公秀

Transactions of the Materials Research Society of Japan, 44(2), p.61 - 64, 2019/04

Computed Tomography(CT)を用いて、模擬燃料デブリの3次元観察を行った。CTを使用して得られた模擬燃料デブリの内部は、ジルコニアリッチ部分およびコンクリートリッチ部分における明確なコントラストを示した。溶融状態からまず融点の高いジルコニアが析出する。コンクリートより重いジルコニアは結晶が析出すると下部へ移動し底面付近に凝集するため相分離が生じる。相分離はジルコニアの組成比の違いによって生じているが、組成比による結晶モードの違いも観察することができた。

論文

Intergranular strains of plastically deformed austenitic stainless steel

鈴木 賢治*; 菖蒲 敬久

E-Journal of Advanced Maintenance (Internet), 10(4), p.9 - 17, 2019/02

弾性異方性をもつ材料中では、塑性変形が発生した際に結晶間に応力差が生じており、これが材料破壊に深くかかわっていることが知られている。本研究では、高エネルギー放射光回折法を用いて、塑性変形させた材料中の荷重方向の残留応力を結晶方位ごとに調べた。その結果、残留応力はX線的弾性定数(回折面ごとに求められるヤング率)が高い指数では引張残留応力、低い指数では圧縮残留応力が発生していることがわかった。この結果は、材料強度を向上させる際、集合組織のように結晶方位を制御する技術に役立つと考えている。

論文

Preheat effect on titanium plate fabricated by sputter-free selective laser melting in vacuum

佐藤 雄二*; 塚本 雅裕*; 菖蒲 敬久; 山下 順広*; 山縣 秀人*; 西 貴哉*; 東野 律子*; 大久保 友政*; 中野 人志*; 阿部 信行*

Applied Physics A, 124(4), p.288_1 - 288_6, 2018/04

 被引用回数:10 パーセンタイル:59.67(Materials Science, Multidisciplinary)

レーザーコーティングによる高品質な金属膜生成をめざし、本研究ではシンクロトロン放射光実験により、レーザー照射により溶融したチタンの動態を調べた。濡れ性の指標として、レーザ照射中を30keVのシンクロトロンX線により、Ti64ベースプレートとTi球との接触角を測定した。その結果、ベースプレートの温度が上昇すると接触角は低下し、ベースプレートの温度が500$$^{circ}$$Cのときに接触角度は28度まで減少することを確認した。そして予熱をした状態でレーザーコーティングを行うとスパッタリングが少なく、表面粗さも少ない高品質な金属膜の生成に成功したが、この要因として濡れ性の改善が大きく関与していることを明らかにした。

論文

Development of CdTe pixel detectors combined with an aluminum Schottky diode sensor and photon-counting ASICs

豊川 秀訓*; 佐治 超爾*; 川瀬 守弘*; Wu, S.*; 古川 行人*; 梶原 堅太郎*; 佐藤 真直*; 広野 等子*; 城 鮎美*; 菖蒲 敬久; et al.

Journal of Instrumentation (Internet), 12(1), p.C01044_1 - C01044_7, 2017/01

 被引用回数:2 パーセンタイル:15.8(Instruments & Instrumentation)

アルミニウムショットキーダイオードセンサとフォトンカウンティングASICsを組み合わせたCdTeピクセル検出器の開発を行っている。このハイブリッドピクセル検出器は、200マイクロメートル$$times$$200マイクロメートルのピクセルサイズで、19ミリメートル$$times$$20ミリメートルまたは38.2ミリメートル$$times$$40.2ミリメートルの面積で設計された。フォトンカウンティングASIC SP8-04F10Kは、プリアンプ,シェーパ, 3レベルのウィンドウタイプのディスクリミネータ、および各ピクセルが24ビットカウンタを備えている。そしてウィンドウコンパレータを用いてX線エネルギーを選択するフォトンカウンティングモードで精密に動作し、100$$times$$95ピクセルのシングルチップ検出器が20$$^{circ}$$Cで実現している。本研究では、本検出器の性能を評価するため、白色X線マイクロビーム実験のフィージビリティスタディを行った。珪素鋼試料に白色X線を照射し、照射位置を走査しながらラウエ回折を測定した。その結果、各位置で隣接する画像間の差を用いることで試料内の粒界の観察に成功した。

論文

Dislocation density of GlidCop with compressive strain applied at high temperature

佐野 睦*; 高橋 直*; 渡辺 篤雄*; 城 鮎美*; 菖蒲 敬久

Materials Research Proceedings, Vol.2, p.609 - 614, 2017/00

高温下で圧縮ひずみが与えられたGlidCopの転位密度を、放射光を用いたX線プロファイル解析により調べた。転位密度を評価するために、修正ウィリアムソンホールと修正ウォーレン-アベルバッハ法を適用した。その結果、0.011-0.04の圧縮ひずみを有するGlid Copの転位密度は、5.7-8.0$$times$$10$$^{14}$$m$$^{-2}$$であった。

論文

透過X線法による短繊維強化樹脂材料の内部応力の評価

清水 憲一*; 小池 裕基*; 山田 大貴*; 小原田 和也*; 田中 啓介*; 菖蒲 敬久

材料, 65(9), p.657 - 664, 2016/09

結晶性熱可塑性樹脂PPSを炭素短繊維で強化したCFRPの射出成型平板からスキン層のみの試験片を作成し、引張負荷状態で、エネルギー12.3keVの単色放射光により透過法・並傾法で試験片内部の母相の応力測定を行った。その結果、PPSの母相応力がX線応力測定標準で決定できること、繊維が一方向に完全に配向したCFRPの応力分配計数をマイクロメカニックスにより予測した結果と実験結果がほぼ一致することなどを明らかにした。

論文

Hydrostatic compression behavior and high-pressure stabilized $$beta$$-phase in $$gamma$$-based titanium aluminide intermetallics

Liss, K.-D.*; 舟越 賢一*; Dippenaar, R. J.*; 肥後 祐司*; 城 鮎美*; Reid, M.*; 鈴木 裕士; 菖蒲 敬久; 秋田 貢一

Metals, 6(7), p.165_1 - 165_22, 2016/07

 被引用回数:16 パーセンタイル:72.33(Materials Science, Multidisciplinary)

Ti-Al合金は、航空機エンジン材料として、軽量・耐熱タービンへの応用が期待されているが、塑性加工性の悪さを克服する必要がある。高圧鍛造プレスにおいては、10GPaの範囲で材料加工を可能にするが、それゆえに、極限環境における候補材料の状態図を評価する必要がある。本研究では、($$alpha$$$$_{2}$$+$$gamma$$)二相合金の一つであるTi-45Al-7.5Nb-0.25Cに対し、9.6GPaまでの圧力範囲、また1686Kまでの温度範囲で放射光X線回折によるその場実験を行った。室温では、圧力に対する体積変化は、両相に観察される明らかに高い体積弾性係数から、体積ひずみというよりはむしろ、$$gamma$$$$rightarrow$$$$alpha$$$$_{2}$$相変態の影響と考えられる。結晶学的には、特に格子ひずみと原子配列について詳しく検討した。原子体積の増加にもかかわらず、この相変態を生じるのは興味深い。これは、$$gamma$$の高い規則化エネルギーによるものである。高圧下において加熱すると、共析と$$gamma$$ソルバス遷移温度が上昇し、第三相の立方晶$$beta$$相が1350K以上で安定する。過去の研究において、$$beta$$相は塑性変形において高い延性があり、従来の鍛造過程において重要なものであることが明らかにされている。本研究では、作動環境下において有害とされる$$beta$$相の存在は確認されなかったが、従来の鍛造過程における理想的な加工条件幅を明らかにした。これらの結果より、新しい加工処理方法を提案することができた。

論文

Non-destructive damage assessment in CFRP/Ti laminates by synchrotron radiation laminography

中谷 隼人*; 梶原 堅太郎*; 秋田 貢一; 荻原 慎二*

Proceedings of 14th Japan International SAMPE Symposium & Exhibition (JISSE-14) (USB Flash Drive), 6 Pages, 2015/12

Synchrotron radiation laminography at SPring-8 is employed to assess low velocity impact damage in CFRP/Ti laminates as one of the most interested Fibre-Metal Laminates (FMLs). During computed laminography bright X-ray is irradiated to an object with the axis of rotation inclined at an angle and thus it is suitable for the laterally extended geometry of composite laminate plates. It is confirmed how each damage mode in the CFRP/Ti laminates can be imaged by synchrotron radiation laminography by using model specimens that contain artificially induced damage. Then 3-dimensional imaging of impact-induced damage where each damage mode shows complex distribution is demonstrated and that is to our knowledge a novel result.

論文

Hydrogenation of $$L$$1$$_{2}$$-type AlNi$$_{3}$$ alloy at high pressure and temperature

遠藤 成輝*; 齋藤 寛之; 町田 晃彦; 片山 芳則

Journal of Alloys and Compounds, 645(Suppl.1), p.S61 - S63, 2015/10

 被引用回数:0 パーセンタイル:0.01(Chemistry, Physical)

We investigated the hydrogenation of the $$L$$1$$_{2}$$-type AlNi$$_{3}$$ alloy at 3 GPa and 500$$^{circ}$$C using in situ synchrotron radiation X-ray diffraction measurements. An isotropic lattice expansion was observed to have occurred owing to the hydrogenation, and a novel hydride (AlNi$$_{3}$$H$$_{x}$$) was formed. Because of such isotropic lattice expansion, the hydrogen-occupied sites were the body-center sites of the $$L$$1$$_{2}$$ structure (P$$m$$-3$$m$$). In this case, the hydrogen content was calculated to be $$x$$ = 1.0, which is consistent with the experimental results. The AlNi$$_{3}$$H$$_{x}$$ hydride was stable under ambient conditions.

論文

Nitrogen K-edge X-ray absorption near edge structure of pyrimidine-containing nucleotides in aqueous solution

島田 紘行*; 南 寛威*; 奥泉 直人*; 佐久間 一郎*; 鵜飼 正敏*; 藤井 健太郎; 横谷 明徳; 福田 義博*; 斎藤 祐児

Journal of Chemical Physics, 142(17), p.175102_1 - 175102_9, 2015/05

AA2015-0073.pdf:1.15MB

 被引用回数:10 パーセンタイル:46.84(Chemistry, Physical)

X-ray absorption near edge structure (XANES) was measured at energies around the N K-edge of the pyrimidine-containing nucleotides cytidine 5'-monophosphate (CMP), 2'-deoxythymidine 5'-monophosphate (dTMP), and uridine 5'-monophosphate (UMP) in aqueous solutions and in dried films under various pH conditions. The features of resonant excitations below the N K-edge in the XANES spectra for CMP, dTMP, and UMP changed depending on the pH of the solutions. The spectral change thus observed is systematically explained by the chemical shift of the core-levels of N atoms in the nucleobase moieties caused by structural changes due to protonation or deprotonation at different proton concentrations. This interpretation is supported by the results of theoretical calculations using density functional theory for the corresponding nucleobases in the neutral and protonated or deprotonated forms.

論文

Nitrogen K-edge X-ray absorption near edge structure (XANES) spectra of purine-containing nucleotides in aqueous solution

島田 紘行*; 深尾 太志*; 南 寛威*; 鵜飼 正敏*; 藤井 健太郎; 横谷 明徳; 福田 義博*; 斎藤 祐児

Journal of Chemical Physics, 141(5), p.055102_1 - 055102_8, 2014/08

 被引用回数:14 パーセンタイル:55.9(Chemistry, Physical)

The N K-edge X-ray absorption near edge structure (XANES) spectra of the purine-containing nucleotide, guanosine 5'-monophosphate (GMP), in aqueous solution are measured under various pH conditions. The spectra show characteristic peaks, which originate from resonant excitations of N 1s electrons to $$pi$$$$^{*}$$ orbitals inside the guanine moiety of GMP. The relative intensities of these peaks depend on the pH values of the solution. The pH dependence is explained by the core-level shift of N atoms at specific sites caused by protonation and deprotonation. The experimental spectra are compared with theoretical spectra calculated by using density functional theory for GMP and the other purine-containing nucleotides, adenosine 5'-monophosphate, and adenosine 5'-triphosphate. The N K-edge XANES spectra for all of these nucleotides are classified by the numbers of N atoms with particular chemical bonding characteristics in the purine moiety.

論文

Li$$_{4}$$FeH$$_{6}$$; Iron-containing complex hydride with high gravimetric hydrogen density

齋藤 寛之; 高木 成幸*; 松尾 元彰*; 飯島 祐樹*; 遠藤 成輝*; 青木 勝敏*; 折茂 慎一*

APL Materials (Internet), 2(7), p.076103_1 - 076103_7, 2014/07

 被引用回数:19 パーセンタイル:68.34(Nanoscience & Nanotechnology)

Li$$_{4}$$FeH$$_{6}$$, which has the highest gravimetric hydrogen density of iron-containing complex hydrides reported so far, is synthesized by hydrogenation of a powder mixture of iron and LiH above 6.1 GPa at 900 $$^{circ}$$C. ${it In situ}$ synchrotron radiation X-ray diffraction measurements reveal that while kinetics require high temperature and thus high pressure for the synthesis, Li$$_{4}$$FeH$$_{6}$$ is expected to be thermodynamically stable slightly below room temperature at ambient pressure; further synthetic studies to suppress the kinetic effects may enable us to synthesize Li$$_{4}$$FeH$$_{6}$$ at moderate pressures. Li$$_{4}$$FeH$$_{6}$$ can be recovered at ambient conditions where Li$$_{4}$$FeH$$_{6}$$ is metastable.

論文

Comparative study of oxidation on Cu and Cu$$_{3}$$Au surfaces with a hyperthermal O$$_{2}$$ molecular beam

岡田 美智雄*; 盛谷 浩右; 福山 哲也*; 水谷 啓慶*; 吉越 章隆; 寺岡 有殿; 笠井 俊夫*

Surface Science, 600(18), p.4228 - 4232, 2006/09

 被引用回数:18 パーセンタイル:63.36(Chemistry, Physical)

Cu$$_{3}$$Au(100)表面での超熱酸素分子ビームの解離吸着を放射光光電子分光で調べた。Cu$$_{3}$$Au表面での酸素吸着曲線をCuのそれと比較すると酸素分子の解離吸着がより活性障壁を持つ、すなわち、低反応性であることがわかった。低エネルギー電子線回折像(LEED)は清浄表面でC(2$$times$$2)であるが、超熱酸素分子ビームによる酸化によって1$$times$$1パターンに変化した。これは酸素の吸着で表面にCuが析出したためと解釈されている。

論文

Structure of GaAs(001)-c(4$$times$$4); Comparison of X-ray diffraction and first-principles calculation

高橋 正光; Kratzer, P.*; Penev, E.*; 水木 純一郎

Surface Science, 600(18), p.4099 - 4102, 2006/09

 被引用回数:1 パーセンタイル:7.01(Chemistry, Physical)

GaAs(001)-c(4$$times$$4)表面構造をシンクロトロンを用いたX線回折で調べた。原子座標と温度因子を表面第6層目まで決定した。その結果は、Ga-As非対称ダイマーの形成を示すものであった。求められた原子座標を、第一原理計算の結果と比較した。理論的には単位胞あたり1つのGa-Asダイマーを含む構造が安定であることが示されているにもかかわらず、実験結果は3つのGa-Asダイマーを含む構造ともっともよく一致した。3つのGa-Asダイマーからなる構造が形成される理由を、2$$times$$4からc(4$$times$$4)への構造変化と関係付けて議論する。

論文

Characterization of F$$^{+}$$-irradiated graphite surfaces using photon-stimulated desorption spectroscopy

関口 哲弘; 馬場 祐治; 下山 巖; Nath, K. G.

Surface and Interface Analysis, 38(4), p.352 - 356, 2006/04

 被引用回数:3 パーセンタイル:8.09(Chemistry, Physical)

部分電子収量(PEY)法と光刺激イオン脱離(PSID)法とを組合せた新しいX線吸収端微細構造(NEXAFS)分光法の開発を行った。その開発された検出器を用いてF$$^{+}$$イオン照射により表面修飾を施したグラファイト最表面における結合配向を調べた。PEY法により測定されたフッ素1s内殻励起準位の角度依存NEXAFSスペクトルには大きな偏光角度依存は認められなかった。それに対し、飛行時間質量分析法によりF$$^{+}$$イオンを検出し、その収量を縦軸とするNEXAFSスペクトルを得た。F$$^{+}$$イオン収量スペクトルは吸収スペクトルと異なり=C-Fサイトに由来する$$sigma$$*(C-F)励起において強度増強された。またそのピークのみピーク面積が顕著に偏光角度に依存した。イオン脱離と二次電子放出のそれぞれの観測深さを見積もり考察を行った。イオン収量XAFSは表面敏感であり、電子収量XAFSはバルク敏感であると結論した。またH$$^{+}$$イオンやF$$^{+}$$イオンの収量XAFSスペクトルも表面構造や解離・脱離過程に関して有用な知見を与えることもわかった。

論文

X線及び中性子回折法による残留応力測定技術

鈴木 裕士

熱処理, 46(1), p.11 - 18, 2006/02

X線回折法による非破壊応力測定技術は、ひずみゲージなどの機械的計測法に代わる測定技術として、工業分野から研究開発分野に至るまで、さまざまな分野に応用されている。最近では、放射光から得られる高エネルギーX線や中性子線を用いた新しい応力測定技術が開発され、材料表面直下や材料深部など、実験室系では測定が困難であった領域・条件における残留応力評価が可能になっている。本解説では、これら特性X線,高エネルギーX線,中性子線による残留応力測定技術について、その基本原理と幾つかの応用例について解説した。

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