特殊環境材料iwate.riast.osakafu-u.ac.jp/~kiso1/2019...国際宇宙ステーションiss osaka...

Osaka Prefecture University

特殊環境材料

マテリアル工学課程

堀史説

2019年マテリアル工学科マテリアルとものづくり

11月4日


自己紹介

名前：堀史説（理学修士、工学博士）

所属：学域マテリアル工学課程

先端素軽材ものつくり研究グループ

大学院量子放射線系専攻

量子線材料学研究グループ

専門：格子欠陥、ナノ材料科学、陽電子科学、量子線照射効果機能性材料、半導体工学


アウトライン•材料の使用環境

環境劣化と放射線材料と放射線

•材料と放射線原子力材料宇宙用太陽電池

•放射線を用いた材料研究見る（調べる）変える創る


構造物建造物

強度の問題は材料だけでなく構造と密接な関係にある


材料の寿命は事故に繋がる疲労と強度

ダムの決壊板木ダム2008年6月

笹子トンネル崩落2012年12月

ディスコ-シャンデリア落下事故1988年

新幹線台座亀裂2017年12月

2013年京都風力発電事故


環境劣化

• 応力負荷–振動、加重

• 環境負荷–熱、腐食（酸化）、光（紫外線）


材料環境

機械構造材料•耐震高圧強度•大型構造物

機能材料•デバイス•反応性材

ビルなど建造物飛行機、車

磁気ヘッド超伝導

触媒、電池電極

• 材料が使われる（置かれる）環境

環境中の負荷などにより消耗（劣化）していく

寿命


特殊環境での材料

特殊環境下では一般の環境に比べて従来と異なる劣化要因を考えなければならない


材料環境

機械構造材料•耐震高圧強度•大型構造物

特殊材料•放射線環境•高腐食環境

機能材料•デバイス•反応性材

ビルなど建造物飛行機、車

原子炉ロケット海洋建造物

磁気ヘッド超伝導

触媒、電池電極

• 材料が使われる（置かれる）環境

環境負荷

力

変形、強度

ラジカル、放射線、力

錆びる、強度、機能劣化

摩擦、化学反応

機能劣化、体積変化

放射線環境


宇宙用材料

19862003

望まれる材料特性・軽量・高強度・耐熱高温強度・耐疲労特性

アルミニウム合金（〜200度）

シリカガラス繊維（耐熱ブロック2万５千個）

NASAスペースシャトル計画：米1981-2011

事故


寿命を迎えた地球上空の人工衛星

人工衛星の寿命

太陽電池の発電劣化

放射線による損傷燃料の完了

軌道制御不能

人工物によるスペースデブリの分布１９５４年〜

材料研究者の観点で重要な問題


宇宙用電力

太陽電池、電子機器

宇宙環境の特殊性高線量放射線：陽子、電子、中性子、イオン、X線、、、温度差：-150℃〜120℃

国際宇宙ステーションISS


（　　）17J. IEIE Jpn. Vol. 31 No. 5 337

で衛星本体のホールドダウンに固定される。軌道上で衛星がロケットから分離されたのちに爆管によりボルトを開放して展開する。太陽電池パドルは，太陽電池パドル駆動機構に取り付けられ，太陽指向するよう回転駆動される。「だいち」（図-2）の太陽電池パドルは，発生電力要求7kW以上，約3.1m× 2.3mのパネル9枚（パネル面積約64m2）で，全長約22.2mの 1翼構成である。「きく8号」（図-3）の太陽電池パドルは，発生電力要求7.5kW以上，約2.5m× 3.3mのパネル4枚で，全長約19mのパドルの2翼（パネル面積約66m2）構成である。2.4　バッテリー衛星搭載用バッテリーは，寿命性・質量効率の観点からニッケル・カドミニウム電池（Ni-Cd），ニッケル・水素電池（Ni-H2），ニッケルメタハイ電池（Ni-MH）などが使われてきた。宇宙用としては，打上げ時の振動・衝撃，真空中での使用に耐える気密性等の機械的耐性が要求される。「だいち」は，50AhのNiCdバッテリー（16セル直列/台#2台直列）5式を搭載した。ミッション期間は3年で充放電サイクルが15 000回を超える。電池の劣化を考慮して，通常時の放電深度は最大21%としている。「きく8号」は，100AhのNi-H2バッテリー（18セル

直列/台#2台直列）2式を搭載した。「きく8号」は衛星バスの設計寿命は10年で「だいち」に比べると長いものの，静止衛星なので充放電サイクルは900回程度で充電レートも小さいためバッテリーのサイクル負荷は軽い。バッテリー放電深度は80%まで許容している。2.5　電力制御器日照時の太陽電池発生電力の制御方式には，並列方式と直列方式がある（図-4）。並列方式は，図-5のA点を太陽電池の動作点として，余剰電力（同図のABに対応）を分流（シャント）制御して，太陽電池の出力電圧を規定のバス電圧に等しくなるように制御する方式である。シャント制御方式とも呼ばれる。シャント制御方式は，太陽電池から直接負荷電力が供給されるため，損失が少なく，回路構成も簡単で信頼性が高いので大型・実用衛星に広く用いられている。一方，直列方式は太陽電池の動作点を図-5のＤ点に取る方式である。D点においては余剰電力はないが，出力電圧がバス電圧と一致しないため，降圧コンバータで電圧変換する。この方式では電力制御器が負荷と直列に入り，発生電力制御とバス電圧への変換を行う。この直列方式では，太陽電池の最大発生電力を利用できるため，発生電力マージンを大きく取れない小型の衛星や太陽光強度が大きく変化する惑星探査ミッションなどに適した

図-2　だいちのパドル展開前後のイメージ

27.8m

9m

（打上げ時）

（展開後）太陽電池パドル

図-3　きく 8号の軌道上イメージ

図-4　電力制御方式：並列方式と直列方式

太陽電池

P1 制御要素

P2 ユーザ機器

ユーザ機器

P3

並列方式

太陽電池

P1 P2

直列方式

制御要素

P1＝P2＋P3余剰電力P2を制御

P1＝P2発生電力P1を制御

図-5　太陽電池の発生電力制御

太陽電池の発生電流カーブ電流

A：発生電力＝負荷電力＋余剰電力Pmax：最大電力発生点

B

C

D：発生電力＝負荷電力

負荷電流カーブ

電圧バス電圧（Vbus）

余剰電力

負荷電力

宇宙用電力

材料問題：太陽電池損傷（発電能力）、パネル駆動（高分子接着剤）


原子力発電

金属材料：圧力容器、燃料棒、冷却水輸送管

高エネルギー粒子線

中性子、電子、イオン

経年劣化以上の損傷により機能性（強度）が低下


照射効果

それぞれの粒子種、エネルギー、環境などによって起こる効果が異なる。電子

イオン

中性子

ガンマ線

原子配置の乱れ

様々な特性が変化

特に強度は事故に繋がる


照射で変わる性質の数々

• 強度• 体積• 電気的性質（電気抵抗、発電能力）• 色• 磁性• などなど


量子線

主な放射線の分類

放射線

非電離放射線

電離放射線

マイクロ波

赤外線

可視光線、レーザ

X線γ線

電子線

陽電子

陽子線

イオン線

アルファ線

熱中性子線

速中性子線

粒子線

荷電粒子線

非荷電粒子線

電磁波（光）


エネルギーと波長の関係式：E = hv (1nm≒1.24eV)h：プランク定数、 v：波長

波長エネルギー電荷質量備考

(m) (eV) (C) (kg)

マイクロ波 10cm 0.01– 10-6 ーー

赤外線 1µm 1.6– 10-3 ーー

可視光線（レーザ） 300〜800nm 3 - 1.6 ーー

X線〜10nm 105 - 100 ーー電子遷移

Γ線〜pm >105 ーー核内反応

電子線＊0.1nm ＊12.4 -1.6x 10-19 9.1x 10-31 ベータ線

陽電子 ↑ ↑ 1.6x 10-19 9.1x 10-31 ベータ線

陽子線 1.6x 10-19 1.6x 10-27

イオン線価数 x 1.6x 10-19 元素に依存加速器によって加速

中性子線ー 1.6x 10-27 宇宙、原子炉

α線 3.2x 10-19 6.4x 10-27 ヘリウム原子核

各量子線の比較

＊参考値

物質中を透過しにくい

透過しにくい

透過しにくい

透過しにくい


放射線（電磁波）科学では電磁波は総称して光という

波長〜nm 400nm 800nm µm 100µm mm cm m km

X線紫外線赤外線遠赤外線超短波短波中波(γ線) 可視光線マイクロ波電波

テレビリモコンレーダーラジオ

テレビ

蛍光灯レントゲン電子レンジ

エネルギー

粒子ではなく質量も持たない波

高い低い

物質に直接悪影響を与える可能性は低い


線量率が減少（エネルギーは変わらず）

物質での放射線の透過と減衰

粒子線物質

1MeV 〜0.1MeV

γ線（電磁波）物質

1MeV 1MeV同じエネルギーのγ 線

エネルギーが減衰（粒子数は変わらず）

〜cm

エネルギーが減衰

Dose

Depth

放射線の特性

Energy

Depth

飛程


粒子としての振舞い

粒子線

弾き出し

原子、電子との直接的相互作用（弾性相互作用）

あまりにもエネルギーの高い粒子が原子核に当たると

元素A 元素B（同位体）

Nuclearreaction

粒子α

量子線を固体に照射すると

•欠陥の生成（弾き出し）•放射化（核反応）

核反応

放射粒子b

透過

原子核


原子力材料


原子力発電（原子炉）

沸騰水型原子炉（BWR）加圧水型原子炉（PWR）

圧力容器金属合金


中性子の発生（原子力発電）原子炉（核反応：核融合、核分裂）

核分裂：Fission

€

235U + n→95Y+139I + 2n

（3.2x10-11 J/個）

２３５U

n n

n

95Y

139I

発熱

核分裂

+ 200MeV


放射線照射による反応

原子力発電（核分裂中性子）では欠陥生成、放射化、ガスの発生が起こる


粒子

バナジウム合金のボイドスエリング

照射損傷による材料劣化

主な問題点

・強度劣化・スエーリング・放射化


中性子の発生（原子力発電）

€

D+D→23He + n + 3.26MeV

€

D+T →α + n +17.6MeV

核融合：Fusion

Fission

€

235U + n→95Y+139I + 2n

２３５U

n n

n

95Y

139I

発熱

核分裂

+ 200MeV


核融合炉

• スエーリング（体積の膨張）• 脆化（硬く、もろくなる）• 放射化（放射線を出す物質に核変換）

• プラズマの閉じ込め–耐高温強度– プラズマからの水素侵入とプラズマの汚染

加えて

など

未来の発電


核融合プラズマ核融合材料プラズマを閉じ込める

プラズマ閉じ込めの様子（名古屋大）

Wendelstein 7-X(マックスプランク研究所)


次世代熱核融合炉ITERの設計モデル

高温、強磁場水素腐食放射化照射効果

核融合炉

トカマク型


核融合炉

高温、照射環境（過酷な環境）に曝される


プラズマ閉じ込め容器で何が起こるか

スエーリングブリスタリング脆化熱伝導低下・・・

閉じ込め可能な材料、、、


新しい構造物への挑戦

核融合材料

開発の観点

・温度・放射線損傷・放射化・熱伝導

高融点合金化低放射化材

プラズマを閉じ込める

新しい材料の必要性


宇宙空間は理想的な容器

巨大なプラズマを閉じ込める材料を作るのは極めて大変

𝑝 + 𝑝 → 𝐻 +𝑒' + 𝜈)*

eg.太陽の核反応

プラズマの温度


物質の融点


核融合材開発の現状

1，000℃となります。現在，さらにこの設計許容範囲を広げるために合金元素の添加や，不純物元素の低減化さらに熱処理の工夫などが行われ続けています。さらにこの設計許容範囲を確定するために，データをより精度よくとるための照射研究などが続けられています。特にHeとはじき出しの同時効果については強力中性子源（核融合中性子照射による材料中での核反応とはじき出し生成を模擬するために，加速器を使って大電流（125mA）の40MeV の重水素ビーム作り，これをリチウムに当てて出てくる高密度の高エネルギー中性子（エネルギーは40MeV以下）が得られます。この中性子を材料に照射し，材料試験を行うための実験施設を IFMIF（International Fusion Material Irradiation testFacility：国際核融合材料照射試験施設）といいます）を使った高い粒子束による検証が必要であると考えられています。このような材料ごとの使用温度範囲から，いくつ

かのブランケットの概念が提唱されています。それは使用可能な温度範囲によって冷却材の選択条件が変わってくるからです。現在進められている核融合炉の設計活動をまとめると第 1表のようになります。それぞれの材料の使用温度範囲や冷却材との共存性に応じてブランケットのシステムの設計例が提案され，その安全性や信頼性などの観点から材料に関してさまざまな検討が加えられています。

Ⅱ．現在の構造材料の開発状況はどうなっていますか？

現在のところ前述の３つの低放射化構造材料が提案されていますが，それぞれの材料でこれまで材料の開発のための工業的な蓄積が全く異なります。例

えば，核融合炉用機器を作製できるような大型素材の製造や，実物大の機器システムを製造し，加工や溶接などの検討などの工学的な実証段階にある低放射化フェライト鋼と，核融合炉構造材料として最適な組成や熱処理を決めるための，いわゆる素材開発段階にあるバナジウム合金と SiC SiC複合材料のように大別できます。フェライト鋼は現在の鉄鋼業の工業基盤の延長部分が多く，現時点では核融合炉材料としての実現性が一番高いのですが，先に述べたように使用温度領域が比較的低いので，将来の発電炉として考えた場合，プラントの効率があまり高くできません。一方，バナジウム合金や SiC SiC複合材料は，現状では工業材料としての基盤は十分ではありませんが，より高温で使用できることから，今後の材料開発の結果次第では50％近い効率を実現できる可能性があることから，先進ブランケット用材料として位置づけられています。これまでの研究結果を元に，現在の各構造材料の

主要開発課題をまとめると以下のようになります。（ 1）低放射化フェライト鋼・熱疲労などによる欠陥の生成・成長および破壊の発生に対する耐照射性の評価

・環境の照射下での化学的効果を含む挙動の評価と改良

・強磁性体であるフェライト鋼構造体の高性能プラズマ制御への影響

（ 2）バナジウム合金・液体金属冷却材におけるMHD圧力損失低減のための絶縁性被膜の開発MHD（Magneto Hydro Dynamic）圧力損失。電磁流体圧力損失ともいいます。磁場中を液体金属のような導体が流れるときに，電磁誘

第 1表磁気閉じ込め型核融合炉の設計例とブランケットにおける材料の組合せ３，４）

設計例 SSTR FFHR ARIES RS DREAM ARIES AT

構造材料フェライト鋼フェライト鋼バナジウム合金 SiC SiC複合材料 SiC SiC複合材料増殖材料固体増殖材溶融塩 Flibe 液体金属 Li 固体増殖材液体金属 Pb 17% Li冷却材加圧水溶融塩 Flibe 液体金属 Li Heガス液体金属 Pb 17% Li冷却材温度入口出口（℃） 285 325 450 550 330 610 600 900 650 1，100SSTR：定常型トカマク炉（日本原子力研究所での設計例）， FFHR：ヘリカル炉（核融合科学研究所での設計例）ARIES RS,ARIES AT：トカマク炉（米国カリフォルニア大学での設計例）DREAM：トカマク炉（日本原子力研究所での設計例）Flibe：フッ化リチウム（LiF）とフッ化ベリリウム（BeF）からなる溶融塩

539（７）核融合炉を成立させる最適な材料

日本原子力学会誌, Vol. 47, No. 8（2005）（ 23 ）


宇宙用半導体


宇宙線の発見Hess（オーストラリア）１９１１年

宇宙

中間圏

成層圏

対流圏

高度(km)

地上

20

50

90

静止衛星~36000km

~10000km軌道周回衛星

電離層

D層

E層

140km

90km

50km

F1層

300km

F2層

大気圏

オゾン層

120km

10000

10

一次宇宙線:10MeV〜1021eV

原子核

中性子陽子中間子

二次宇宙線

ガンマ線電子、陽電子μ粒子ニュートリノ

陽子（90%)α線重粒子電子

気球に電離箱をのせ、地上からの高さに対する放射線の強度を5350mの高さまで測定した。それにより地上800m付近から電離放射線の量が増加し、4000mでは地上の６倍、5000mでは９倍にまで増加することから、放射性ガスではなく、宇宙から降り注ぐ放射線の存在を示し、大気により減衰することを見いだした。


太陽電池の粒子線照射効果（劣化）

地軸

地球磁場

ヴァンアレン帯

陽子、電子を太陽電池に照射した際の発電効率の劣化

銀河宇宙線：重粒子イオン、X線太陽宇宙線：陽子、電子、紫外線地磁気捕捉放射線：電子、陽子

主な宇宙放射線

AfterHisamatsuetal.

宇宙には非常に高いエネルギーの様々な放射線が飛んでおり、宇宙に行くにはこれらを避けるか、遮らなければならない。

（〜500km、〜2500km）

放射線によって半導体内の原子がすこしづつ弾きだされて、結晶が乱れることで特性が低下して行く

静止軌道：109〜1010e/cm2dayVA帯：1011e/cm2day 以上

1010p/cm2 day 以上

＊1Mev電子、10MeV陽子の平均値


太陽電池半導体

地球の地表面には約8.5×1016Wもの太陽エネルギーが到達します。これは1年間で約7.4×1017kWhのエネルギーです。一方、2007年における世界のエネルギー消費量（一次エネルギー）は約1.3×1014kWhです

エネルギー変換効率14.3%、単結晶化合物（GaAs系統）系で17%～18%

地上、宇宙で用いられている太陽電池のほとんどがシリコン。しかし、放射線に弱い。宇宙用に化合物半導体が用いられる。GaAs,InGaAsなど：直接遷移型、少数キャリア拡散長が短い

Osaka Prefecture University 金属、半導体と電子

半導体（シリコン）

Si Si Si

SiSi

Si Si Si

SiSi

Si Si Si

金属原子は自由電子によって原子同士が結びつき、原子は相対的に正に帯電

Fe

Fe

Fe

Fe

Fe

Fe

Fe

Fe

Fe

Fe

Fe

Fe

Fe

Fe

Fe

Fe

-

-

-

-

-

-

-

自由電子-

金属（鉄）

金属結合

半導体材料は実は絶縁体

混ぜ物をして電気を流せるよう制御したものが半導体

物質中に自由に動ける電子がいない


P（リン）を添加 B（ホウ素）を添加

シリコン結晶絶縁体

エネルギー

結合に電子が足らずできた電子の穴（正孔）

結合で余った電子

照射によるシリコン結晶の半導体化機構

半導体シリコンの製造工程

実はシリコンは完全結晶では絶縁体

イオン添加後

SiSi

Si PSi B

電子の移動が可能になる[半導体：環境によってこれらが動く]


・P-n接合材料を禁止帯の大きい材料で挟む・半導体層を薄くするなど

太陽電池の課題には高効率化、軽量化、高強度、高安定性など多くの問題も併せ持つ

耐放射線半導体材料開発の現状

化合物半導体

地上、宇宙で用いられている太陽電池のほとんどがシリコン。しかし、放射線に弱い。宇宙用に化合物半導体が用いられる。GaAs,InGaPなど：直接遷移型、少数キャリア拡散長が短い


耐放射線半導体材料開発の現状

ペロブスカイト型半導体

NEDO新エネルギー産業技術総合開発機構


放射線照射って悪いことばかり？

実は半導体は照射して作っている


半導体シリコンの製造工程

カット、研磨

溶融 Si

単結晶シリコン

イオン照射（ドーピング）

回路エッチング

半導体チップ

半導体の作成

ホウ素、リンなど

シリコンは照射による元素添加で半導体となる

〜10cm

引き上げ

チョクラルスキ−法


照射を使った材料開発

どんな応用ができる？

放射線の有効活用


放射線では物質を

見る創る変える

ことができる


どのように研究する？

• 欠陥の基本構造を知る• 欠陥による性質の変化を知る• 欠陥の挙動（動き）を知る• 欠陥の発生を抑制する。

問題点・時間がかかる・放射化する

模擬実験加速試験

照射装置を使う加速器


照射装置

高エネルギー加速器研究所の線形電子加速器（つくば市）

原子力研究開発機構東海研究所の静電型加速器（タンデム加速器）

透過型電子顕微鏡（日本電子社製）

イオン加速器

電子線加速器


照射装置大型放射光施設SPring8

兵庫県赤穂市播磨

８GeV

自由電子レーザー

光（X線）

荷電粒子（電子）

数100keV（制動放射）

明るい光実験室装置の〜1億倍57箇所からX線を取出

Osaka Prefecture University J-PARC:JapanProtonAcceleratorResearchComplex

50GeV SR

茨城県那珂郡東海村

大強度陽子加速器施設


量子応用研究開発機構群馬県高崎高エネルギー加速器研究

機構KEK

Spring-8NewSUBARU

若狭湾エネルギー研究センター

京都大学原子炉実験所

原子力研究開発機構J-PARK (KEK)茨城県理化学研究所

大型加速器・放射光施設

代表的な共同利用施設

東北放射光SLIT-J


量子線で物質を調べる


物を見る行為

可視光

？

どれくらいの大きさの物を認識するかによって見る手段は変わる

何かを当てないと（照射）物は見えない

音波


1900年代

放射線と物質科学の関係

評価手法：電子顕微鏡、X線構造解析が2大主流

照射効果：原子力材料、耐放射線半導体（宇宙）

2000年以降評価手法：電子顕微鏡、X線解析の手法と装置の高度化、

その他の放射線利用（中性子、イオン、陽電子）

1896年ヴィルヘルム・コンラート・レントゲン

世界初の電子顕微鏡1931年ドイツ製

WW2以降

材料研究の要

分析、評価装置


一般的な観測手法に用いられる放射線

大きさ

cm

mm

μm

nm

m

10-9

10-6

10-310-2

原子

X線

可視光

電子

陽電子

電磁波粒子線

ウィルス

ノミ、ダニ

物質観察には波動性を利用する場合と粒子性を利用する場合があり、波動性では回折、干渉を利用する

電子顕微鏡


酸化セリウムのＣｅ分布像

Ｃｅ

ＬｉＣｏＯ2のＡＤＦ-ＳＴＥＭ像とＣｏ分布像

Ｃｏ

秋田知樹, 田口昇, 香山正憲、表面科学、Vol. 34 (2013) No. 5 p. 259-264

「次世代燃料電池開発の最前線」、シーエムシー出版、 2013、p.138

電子顕微鏡による物質内の構造観察

〜1990年代0.1nm

2000年代後半0.01nm台達成

FEI社製TITAN

鉄の高分解能電子顕微鏡写真堀史説学位論文

1994年2013年

10nm


原子分解能ＥＤＳ-マッピング

ＳｒＴｉＯ3のＴｉ，Ｓｒ分布像とカラーミックス像

ＴｉＳｒＴｉ+Ｓｒ

個々の原子を分析しつつ原子を観察できる原子の動きも場合によっては観察できる

ＳｒＴｉＯ3

株式会社SHINKOSYA HPよりhttp://www.shinkosha.com/index.html

産業技術総合研究所池田研究所秋田知樹博士提供

現在


量子線でわかる物質の様子

•原子の並び方•原子の種類•厚さ•原子結合•原子間隔•電子分布

電子分布結晶構造と結合


陽電子を使ったガン検査

資料：国立国際医療研究センターNCGM

陽電子放出断層撮影装置：PET

無数の検出器

癌

陽電子消滅γ線

2本の光の検出から場所を特定

陽電子放出体18F-FDG

医療にも利用

人間


超巨大顕微鏡？

Kamioka Liquid-scintillator Neutrino DetectorKamLAND

ニュートリノ

地球内部の透視像。。。

ニュートリノ

[カミオカンデ]

神岡宇宙素粒子研究施設

地球（星）の内部も？


物質の性質を変える


100105110115120125130135140145150155160165170175180185190195200

5mm

照射によって硬さ制御

マスク鉄-銅合金

照射

��

��

��

��

��

��

��

� ��

��

��

��

特許公開2011−006750 アルミニウム軽合金のイオンビームによる硬度制御法

硬い

硬くない

不純物を照射によって集めることができる

異種原子が集まった部分だけ硬い

硬さ

ジュラルミンより強度の強い合金を簡単に作成

Osaka Prefecture University 実用例：人工関節の長寿命化

人工関節（Ti合金）

金属と窒化物の混合物

窒素（N)イオンビーム

イオン注入により、10年だった人工関節寿命が数10倍延びる

手術は一生に一度で済む

表面への薄膜形成はがれやすい

熱処理熱変形が伴う

従来の方法

人工関節


プロトンマイクロビームを用いてＦｅＲｈ合金表面に作成した微細磁気パターン（ＰＥＥＭ像）

照射で描いた線太さ1μmの磁気文字

B2構造

Fe

Rh

照射された領域だけ磁性が発現

磁性制御

照射効果によって鉄の磁性スピンの配列が変わる？

磁気デバイスへの応用磁気変化の原因解明中未解明！


物質の色物質の色は、中の電子状態により当てた光のうち吸収された残りの光が反射して見える。

サファイアやトパーズに不純物や欠陥が混ざると色が着く

実用例：照射による色制御

宝石の着色

照射

Topaz Al2SiO4(F,OH)2

（色中心）

欠陥と不純物を極微量添加


放射線照射で強くしたタイヤ水泳用ビート板

金属ではないが

プラスティックなど高分子材への照射で強くなる（架橋反応）

実用例：分子の反応による強度制御


物質を制御して創る

放射線をつかって


ナノ微粒子と特異な性質

同じ物質でも小さくなると、、、

金（Au）Lycuurgus Cupphotoby大英博物館

Auナノ粒子を練り込んだガラス

地球 3476km野球ボール 10cm

1000000000分の1


ナノ微粒子の応用

ＰｄＡｕAgCu

Cuイオン水溶液

•特異な光吸収 → 色が特徴的•表面反応や磁性発現（例：金）

ドラックデリバリーシステム(DDS)、高機能触媒、導電性ペースト、特殊塗料、燃料電池電極、ナノ磁性体、殺菌材など

Cuナノ粒子 Agナノ粒子

Osaka Prefecture University ナノ構造体の作成

Brakedown

細分化法・・・粉砕（MA）粒径、構造制御に問題

Bottomup

・ガスデポジション・レーザープロセス（液相、気相）

・還元反応

水溶液

H2O→eaq ,・H,・OH-

Mn+ M0

M

還元

酸化

(M)m：ナノ粒子

（金属イオン）

複数の還元原子が集合

放射線


ガンマ線照射によるナノ粒子合成

60Co線源

・水中で合成できる・照射するだけの簡易な方法

大阪府立大学放射線研究センター

照射試料r1.17,1.33MeV


Auナノ粒子の形制御

a

b

高い低いアスペクト比 : a/b

Ａｕ球状

棒状

50 nm 50 nm

長さが変わると色が大きく変わる

50nm


AuPd

照射で合成したコアシェルナノ粒子

球状コアシェル

棒状コアシェル

6.70

26.62

0.09

48.02

42.56

0.0 12.5 25.0 37.5 50.0

Pd Black

Pd nanoparticles

Au nanoparticles

Au-Pd SDS

Au-Pd PEG-MS

H2 uptake /mmol (min・g)-1

Au-Pdナノ粒子の触媒活性

50 nm


レポート

・放射線を用いた材料研究の応用例を１つあげて詳しく解説しなさい。（原理、特異性、効果の各点に着目して説明すること）

・また放射線と物質の関わりについて感じたこと、思ったこと（感想）を書きなさい。

２ページ以内（手書き：図は印刷貼り付けOK）

提出締切：１２月６日提出先：C14棟３階312室入口レポート受け）

特殊環境材料iwate.riast.osakafu-u.ac.jp/~kiso1/2019...国際宇宙ステーションiss osaka...

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