Oct 22, 2014

E-Cat長期試験報告 018

Appendix 3

付録3

Investigation of a fuel and its reaction product using SEM/EDS and ToF-SIMS

調査、燃料およびその反応の生成物について、SEM/ EDSとTOF-SIMSを用いて

Ulf Bexell and Josefin Hall

ウルフBexellとJosefinホール

Materialvetenskap, Högskolan Dalarna

Materialvetenskap、Högskolanダーラナ

Background

背景

Powder samples were investigated before and after an experiment performed in Lugano, Switzerland.

粉末サンプルは、スイスにあるルガノで行われた実験の前と後に調査した。

The purpose of the present investigation is to study which elements that mainly occur in the samples.

本調査の目的は、主に試料中に発生する要素を研究することである。



Experimental

実験的な

Material

材料

Two types of powder samples were investigated.

粉末試料の二種類を調べた。

The first sample, called fuel, is declared to mainly contain Ni and probably some additions of H and Li.

最初のサンプル、燃料と呼ばれる、は、主にNiを含み、さらに、HとLiのおそらくいくつかの追加があると宣言されています。

The second sample, called ash, is the reaction product of the fuel powder from an experiment performed in Lugano.

第二の試料、灰と呼ばれる、は、ルガノにて行った実験からの燃料粉末の反応生成物である。

The powder samples were mounted on a carbon adhesive sticker before analysis.

粉末試料は、分析の前にカーボン接着ステッカー上に載せた。

The samples analyzed with SEM/EDS and ToF- SIMS were received mounted and analyzed as-received.

SEM / EDSとTOF-SIMSで分析されたサンプルは、、受け取られ、搭載され、受け取られたまま分析された。

Surface characterization techniques

表面特性評価技術


SEM/EDS

Scanning electron microscopy (SEM) was used to study the surface morphology of the samples.

走査電子顕微鏡(SEM)は、試料の表面形態を研究するために使用された。

The SEM analyses were performed with a Zeiss Ultra 55 field emission gun scanning electron microscope (FEG-SEM) equipped with an Oxford Instruments Inca energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS).

SEM分析は、ツァイスウルトラ55電界放出電子銃の走査型電子顕微鏡 (FEG-SEM) を用いて行った、それは、オックスフォード・インスツルメンツ・インカ・エネルギー分散型X線分光法 (EDS).を装備している。

Imaging was performed by using the secondary electron detector (SEI-mode).

撮像は二次電子検出器を用いて行った (SEI-mode)。

All EDS analyses where performed by using an accelerating voltage of 20 kV of the primary electrons.

すべてのEDS分析は、一次電子の20kVの加速電圧を用いて行われた。(訳注 "where performed" ではなく "were performed" と思われる。)


ToF-SIMS

All time-of-flight secondary ion mass spectrometry (ToF-SIMS) analyses were performed with a PHI TRIFT II instrument using a 15 keV pulsed liquid metal ion source isotopically enriched in 69Ga.

すべての飛行時間型二次イオン質量分光法 (ToF-SIMS) 分析は、PHI TRIFT II 装置で行われ、それは、69Gaにより同位体として富んでいる液体金属イオン源を15 keVでパルス化して使用している。

In this system, the secondary ions are accelerated up to ∼3 keV before being deflected by 270° by three electrostatic hemispherical analyzers.

このシステムでは、二次イオンは、約3keVのまで加速される、3個の静電半球型アナライザーによって270°で偏向される前にだ。

Both positive and negative spectra were obtained using a 600 pA d.c. primary ion beam pulsed with a frequency of 8 kHz (m/z=0.5–1850 amu),

正と負の両方のスペクトルは、600 pA のDC成分の一次イオンビームを用いて得られた、ビームは、8 kHzの周波数でパルス化されている(m / z = 0.5 から 1850 原子質量単位)、


a pulse width of 18 ns (∼1 ns bunched) and rastered over a surface area of 100×100 μm2.

18ナノ秒(〜1ナノ秒 束)のパルス幅、さらに、100×100μm2の表面積にわたってラスタ走査。

The mass resolution at mass +28 amu (Si+) was around m/Δm=1900.

質量28 原子質量単位 (Si+) での質量分解能は、約 m/Δm=1900。

All spectra were carefully calibrated using the exact masses of peaks of known composition such as 7Li+ (7.0160 amu), Na+ (22.9898 amu), Al+ (26.9815 amu), 58Ni+ (57.9353 amu) etc.

全てのスペクトルを慎重に既知の組成物のピークから正確な質量を使用して較正した、例えば、 7Li+ (7.0160 amu), Na+ (22.9898 amu), Al+ (26.9815 amu), 58Ni+ (57.9353 amu) など。

Peak identification was done on the basis of the exact mass of the secondary ions.

ピーク同定は、二次イオンの正確な質量に基づいて行われた。

(訳注 40ページの終わり)

Appendix 3

付録3


Results and discussion

結果と考察

SEM/EDS

Figures 1 and 2 show that there exist different types of particles in the fuel and ash powders.

図1および2は、燃料と灰粉末中の粒子の異なるタイプが存在することを示している。

The SEM images show that all particle types have different surface morphology and the EDS spectra, Figs 3 and 4, show that the chemistry also differs between the particles.

SEM画像が示すことは次である、すべての粒子タイプは、異なる表面形態とEDSスペクトルを有する、図3及び図4に示すように、化学的性質は、粒子間で異なる。

Thus, it can be expected that the results from the ToF-SIMS measurements can vary depending on which type of particle that is analyzed.

したがって、次のことが予想される、TOF-SIMS測定からの結果は、分析される粒子のタイプに依存して変化し得る。

Note that Li cannot be detected using EDS.

Liは、EDSを用いて検出することができないことに注意してください。

ToF-SIMS

The positive ToF-SIMS spectrum in Fig. 5 shows the mass spectrum from the surface of the carbon adhesive sticker that the powder is mounted on.

図5の中の正のTOF-SIMSスペクトルは、粉末がマウントされている炭素粘着ステッカーの表面からの質量スペクトルを示す。

The most abundant peaks are characteristic of a dimethyl siloxane type of polymer.

最も豊富なピークは、ポリマーのジメチル・シロキサン型の特徴である。

Some of the characteristic peaks are due to a linear or cyclic structure:

特徴的ピークのいくつかは、直鎖状または環状構造によるものである。


(訳注 クリックすると拡大します)


In Fig. 6 is the positive mass spectrum from a fuel powder particle shown.

図6で、燃料粉末粒子からの正の質量スペクトルを示す。

Except from peaks from elements such as Li (m/z = 7) and Ni (m/z = 58) it can be seen that the characteristic peaks from a siloxane is present in the mass spectra.

例えば、Li (m/z = 7) およびNi (m/z = 58)  などの元からのピークを除いて、見られることは、シロキサンからの特徴的なピークが、質量スペクトル中に存在すること。

To remove the siloxane that has diffused over the particle surface the area being analyzed is sputtered.

粒子の表面の上に拡散したシロキサンを削除するために、分析される領域は、スパッタされます。

Figure 7 show the positive mass spectrum from a particle surface sputter cleaned for 180 seconds.

図7は、正の質量スペクトルを示す、180秒間スパッタによる洗浄をされた粒子表面からのだ。

As can be seen, the characteristic peaks from the siloxane are more or less removed.

図から分かるように、シロキサンから特徴的なピークは多かれ少なかれ除去される。

The presence of a small Si peak, not seen in the figure, is the only remains of the siloxane.

小さなSiのピークの存在は、図に見られないが、シロキサンの唯一の遺構である。

It should be noted that it cannot be excluded that the Si signal is due to an element coming from the fuel material itself.

留意すべきことは次である、以下の可能性を除外することはできないのだ、Siの信号は、燃料物質自体からの要素によるものであるかもしれないということをだ。

To prove that the siloxane is coming from the siloxane in the carbon adhesive sticker

シロキサンが炭素接着剤ステッカーシロキサンから来ていることを証明するために、

the sample were left for 16 hours in the vacuum chamber and analyzed at the same position that previously were sputter cleaned.

サンプルは、真空チャンバ内で16時間放置し、同じ位置で分析した、そこでは、以前にスパッタ洗浄したのだ。

The positive mass spectrum from this experiment is shown in Fig. 8 and the presence of the characteristic peaks from a siloxane is obvious, i.e. surface diffusion of the siloxane has occurred.

この実験からの正の質量スペクトルを図8に示す、そして、シロキサンからの特徴的なピークの存在は、明白である、すなわち、シロキサンの表面拡散が発生しました。

Thus, all spectrum presented henceforth is acquired from sputter cleaned areas.

このように、今後提示されるすべてのスペクトルは、スパッタクリーンなエリアから取得する。



In Fig. 9 is the positive mass spectrum from the fuel and the ash presented.

図9では、 提出された燃料と灰からの正の質量スペクトルを示す。

The main ion peaks are Li+ (m/z = 6 and 7), Na+ (m/z = 23), Ni+ (m/z = 58 and 60 in the fuel and m/z = 62 in the ash) and 69+ (m/z = 69).

主イオンピークは、以下である、Li+ (m/z = 6 and 7)、 Na+ (m/z = 23)、 Ni+ (燃料中では、m/z = 58 と 60 、 さらに、 灰中では、 m/z = 62 ) さらに 69+ (m/z = 69). (訳注 69+ の質量を持つ原子は、Gaであり、計測用のイオン源である液体金属 Ga と思われる)

The Na+ ion signal comes from the primary ions.

Na +イオン信号は、一次イオンから来ている。

The origin of Na+ is either from some contamination, the carbon adhesive sticker or the material itself.

Na +の起源は、次のいずれかである、つまり、いくつかの汚染、カーボン接着剤ステッカーや材料自体。

Anyway, the probability for generating Na+ as secondary ions is extremely high and the importance of the signal can be overestimated.

いずれにせよ、二次イオンとしてのNa+を生成する確率が非常に高く、信号の重要性は過大評価することができる。

The most interesting features is seen in the spectra from the ash where there seem to be a change in abundance of the isotopes for Li and Ni.

最も興味深い機能は、灰からのスペクトルに見られる、そこでは、LiとNiのための同位体の存在量の変化があるように思われる。

In the fuel the abundance is close to what is naturally expected, see Table 1.

燃料では存在量は、天然に予想されているものに近い、表1を参照してください。

In the ash the abundance of Li and Ni is altered, see table 1.

灰では、LiとNiの存在量が変更されます、表1を参照してください。

(訳注 41ページの終わり)


Appendix 3

付録3

Table 1. Measured and natural occurring abundances for Li and Ni ions in fuel and ash, respectively.

表1。 それぞれ、燃料と灰の中のLiとNiイオンについて、測定値と天然の存在量。

(訳注 クリックすると拡大します)


Figure 10 and 11 shows the positive mass spectra from different types of fuel and ash powder grains, respectively.

図10及び図11は、それぞれ、燃料と灰粉末粒子の異なったタイプの正の質量スペクトルを示す。

Thus, as expected from the EDS analysis the appearance of the ToF-SIMS spectra will differ depending on particle analyzed.

このように、EDS分析から予想されるように、TOF-SIMSスペクトルの外観は、分析された粒子によって異なります。


Conclusions

結論

The main conclusion that can be drawn from this SEM/EDS and ToF-SIMS study of powder samples from a fuel and a reaction product of the fuel, called ash, are:

このSEM / EDSとToF-SIMSの研究から引き出すことができる主な結論は、燃料と燃料の反応生成物、灰と呼ばれる、からの粉末試料の研究であるが、

- there are different types of powder particles in both samples.

両方のサンプル中の粉末粒子の異なるタイプがある。

- in the fuel sample, the detected ions has a natural abundance.

燃料サンプルにおいて、検出されたイオンは、天然の存在量を持っています。

- In the ash sample, some ions, i.e. Li and Ni have an abundance deviating from the natural abundance.

灰のサンプルでは、一部のイオン、すなわちLiとNiは天然存在から逸脱した存在量を持っている。

(訳注 42ページの終わり)

Appendix 3

付録3

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Figure 1. Three different types of particles from the fuel material.

図1。 燃料物質からの粒子の3つの異なるタイプ。


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Figure 2. SEI of two different types of particles from the ash material.

図2。灰物質からの粒子の二つの異なるタイプのSEI。

(訳注 43ページの終わり)

Appendix 3

付録3

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Figure 3. SEI showing the areas where EDS analysis where performed on the different fuel particles (a),

図3。SEIは、領域を示す、そこでは、EDS分析が、異なる燃料粒子(a)の上で実行された、

EDS spectrum from the three different type of particles found in the fuel material;

燃料物質に見られる粒子の三つの異なる型からのEDSスペクトル;

particle 1 (b), particle 2 (c) and particle 3 (d).

粒子 1 (b)、粒子 2 (c)と粒子 3 (d)。

(訳注 44ページの終わり)

Appendix 3

付録3


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Figure 4. SEI showing the areas where EDS analysis where performed on the different ash particles (a), 

図4。SEIは、領域を示す、そこでは、EDS分析は、異なる灰粒子(a)の上で実行されている、

EDS spectrum from the two different type of particles found in the ash material; 

灰材料で見られる粒子の二つの異なる型からのEDSスペクトル;

particle 1 (b) and particle 2 (c).

粒子 1 (b) と 粒子 2 (c)。

(訳注 45ページの終わり)

Appendix 3


付録3


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Figure 5. Positive ToF-SIMS spectrum of a carbon adhesive sticker surface: a) 0-100 amu b) 100-300 amu.

図5。 カーボン接着剤ステッカー表面の正TOF-SIMSスペクトル:  a) 0-100 原子質量単位 b) 100-300 原子質量単位。

(訳注 46ページの終わり)

Appendix 3


付録3


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Figure 6. Positive ToF-SIMS spectrum of the surface of a fuel powder grain before sputter cleaning: a) 0-100 amu and b) 100-300 amu.

図6。  スパッタクリーニング前の燃料粉末粒子表面の正のToF-SIMSスペクトル: a) 0-100 原子質量単位 and b) 100-300 原子質量単位。

(訳注 47ページの終わり)

Appendix 3


付録3

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Figure 7. Positive ToF-SIMS spectrum of the surface of a fuel powder grain after sputter cleaning for 180 s: a) 0-100 amu and b) 100-300 amu.

図7。 180秒間スパッタクリーニング後の燃料の粉末粒子の表面の正のToF-SIMSスペクトル: a) 0-100 原子質量単位 and b) 100-300 原子質量単位。

(訳注 48ページの終わり)

Appendix 3


付録3

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Figure 8. Positive ToF-SIMS spectrum of the surface of a fuel powder grain after sputter cleaning for 180 s followed by storing 16 h in the vacuum chamber: a) 0-100 amu and b) 100-300 amu.

図8。 180秒間スパッタクリーニング後、続いて真空チャンバ内に16時間保存することにより、燃料の粉末粒子の表面の正のToF-SIMSスペクトル: a) 0-100 原子質量単位 and b) 100-300 原子質量単位。

(訳注 49ページの終わり)

Appendix 3


付録3

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Figure 9. Positive ToF-SIMS spectrum of the surface of a fuel (above) and ash (below) powder grain after sputter cleaning for 180 s.

図9。 燃料さらに灰(下)の表面の正のToF-SIMSスペクトル(上)、180秒間スパッタクリーニング後の粉末粒。

(訳注 50ページの終わり)

Appendix 3


付録3

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Figure 10. Positive ToF-SIMS spectrum of the surface of different types of fuel powder grains; one with low Ni content (above) and one rich in Fe (below) after sputter cleaning for 180 s.

図10。 燃料の粉粒体の異なるタイプの表面の正のToF-SIMSスペクトル; 低Ni含有量のひとつ(上)と 鉄が豊富のひとつ(下)、180秒間スパッタクリーニング後。

(訳注 51ページの終わり)

Appendix 3


付録3

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Figure 11. Positive ToF-SIMS spectrum of the surface of different types of ash powder grains; one with Li (above) and one without Li (below) after sputter cleaning for 180 s.

図11。 灰粉末粒子の異なったタイプの表面の正のToF-SIMSスペクトル; Li有りのひとつ(上)と Li無しkひとつ(下)、180秒間スパッタクリーニング後。

(訳注 52ページの終わり)