作成： 1999/10/29 櫻井 宏行
データ番号 ：040185
高純度材料中の炭素の光量子放射化分析
目的 ：光量子放射化による非鉄金属材料中の微量炭素分析法の開発
放射線の種別 ：ガンマ線,電子,陽電子
放射線源 ：電子加速器(30MeV, 100mA)
利用施設名 ：東北大学電子ライナック
照射条件 ：石英管に封入し、水冷式ホルダー中
応用分野 ：分析化学、材料科学
概要 ：
金属材料中の微量炭素の定量法として12C(γ, n)11C(半減期 20.38 分)反応を利用した光量子放射化分析が他方法に比べ特に優れている。放射化分析法では、照射前後の表面汚染は容易に除去可能であり、分析操作中の汚染の心配もない。光量子放射化法に簡便迅速な分離法である燃焼酸化法(酸素気流中で試料を加熱融解し、試料中の炭素を炭酸ガスに酸化して分離する方法)を組み合わせることにより、正確、で精度良い分析法を確立した。
詳細説明 ：
金属材料中に存在する炭素、窒素、酸素のような軽元素は、それぞれの金属材料の性質に大きな影響を及ぼすことは既に広く知られている。それ故、品質管理の面からこれら不純物の分析法を規格化することが必要とされ、日本工業規格(JIS)として逐次それぞれの定量分析法が規定されてきた。これらのうち炭素の分析法に注目してみると、種々の方法が規定されたが、いずれも試料を単独または助燃剤と共に酸素気流中で加熱し、炭素を CO2 に酸化し分離することを基本にしている点は同様である。そのため、感度の良い CO2 定量法による場合でも炭素 0.001% 以上の試料にのみ適用可と定量下限が規定されている。しかし、最近における高純度材料の需要増は、従来にない高度の製品品質管理を要求し、必然的にそれに対処したより微量炭素の分析法の開発とその確立を迫られている。
一般の機器分析法による微量炭素の定量分析が困難である最大の理由としては、試料及び分析中における炭素の汚染問題があげられる。この点に関して、放射化分析は照射前後における表面汚染も容易に除去可能であり、かつ試料中の炭素は放射化されて標識されているので、分析操作中、他から非放射性炭素がいくら汚染しても定量結果に影響を与えないという特徴を有す。
種々の金属材料中の微量炭素の放射化分析法として、荷電粒子放射化法と光量子放射化法が適用されてきた。ガリウムヒ素中の微量炭素定量は既に野崎ら、鹿野らによって前者の放射化法で試みられているが、後者によるそれは試料を均一に放射化できる、妨害核反応が極めて少ない等の利点を有する。既に12C(γ, n)11C(半減期 20.38 分)反応を利用した光量子放射化分析が前者より特に優れていることが、フランスの Revel、あるいは Engelmann らによって指摘され、基礎的にそして精力的に検討されてきた。しかし、複雑な化学分離操作を行い分析所要時間を要する欠点があった。その点、日本工業規格の酸化法は操作が簡単で、分析所要時間も極めて短いという特徴を持っている。日本工業規格酸化法を用いて銅金属中及びガリウムヒ素中の放射化分析に適用可能かどうか検討した。 図1に炭素の化学分離装置を示す。
図1 Apparatus for carbon separation by the combustion method; 1- oxygen, 2- alumina crucible, 3- electric furnace, 4- quartz wool filter, 5- SCHUTZE reagent, 6- bottle, 7- teflon filter, 8- collector bottle, 9- iron chips, 10- tin chips, 11- sample.（原論文1より引用。 Reprinted, with permission, from J. Radioanal. Nucl. Chem., Articles, vol.122, No.1, 175 (1988), A.Yoshioka et al., Figure 1 (Data source 1, pp.177), Copyright (1988) by Akademiai Kiado.）
試料照射から化学分離、放射能測定の手順について説明する。試料を20分間照射後、表面のエッチングを行い、図1に示したように、試料、助燃剤、担体を配し管状電気炉に入れて、酸素気流中で 5 分間溶融燃焼させた。電気炉で分離された CO2あるいは CO は最終的には BaCO3 として捕集し放射能測定用試料とした。 BaCO3 沈殿の放射能は Ge 検出器を用いて陽電子消滅ガンマ線を照射終了約20分後から5分間測定し、各測定値は照射線量補正、回収率補正、半減期補正を行って定量値を算出した。
本方法の正確さ及び精度を検討するため鉄鋼標準試料JSS-159-2を未知試料として定量した結果を表1に示す。
表1 Determination of carbon in the standard iron (JSS-159-2; C content- 0.004 %). （原論文1より引用。 Reprinted, with permission, from J. Radioanalyt. Nucl. Che., Articles, vol.122, No.1, 175 (1988), A.Yoshioka et al., Table 2, (Data source 1, pp.179), Copyright (1988) by Akademiai Kiado. ）
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Run Recovery yield of 11C,% Concentration of C,ppm
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1 88.9 39.8
2 91.0 40.9
3 86.7 41.7
4 83.5 41.2
Average: 40.9±0.8
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JSS-159-2の炭素含有量は 40ppm と示されており、本定量法を用いて正確に精度良く微量炭素の定量が行えることがわかった。
日本工業規格の炭素分析における酸化法と光量子放射化分析を併用することにより各種銅金属及びガリウムヒ素(これ以外にもヒ素・ガリウム・スズ・高純度銅表面に応用した例がある)中の微量炭素を正確に精度良く定量する方法を開発した。
コメント ：
光量子放射化分析は使用可能な設備も限定され、ルーチン的には行うことが難しい分析ではあるが、微量炭素の分析方法では荷電粒子放射化法を含めた他の分析法と比べ、非常に優れた方法といえる。様々な分析装置の校正を行うような標準物質の検定や他の分析方法とのクロスチェックに極めて有効で威力を発揮すると考えられる。
原論文１ Data source 1：
Determination of Carbon in Copper by Photon Activation Analysis
A.Yoshioka, K.Nomura, M.Takeya, K.Shimura, K.Masumoto*), M.Yagi2*)
Central Reserch Institute, Mitsubishi Metal Co., 1-297 Kitabukurocho, Omiya, Saitama 330 (Japan); *)Laboratory of Nuclear Science, Tohoku University, Mikamine, Sendai 982 (Japan); 2*)Institute of Materials Research, Tohoku University, Katahira, Sendai 980 (Japan)
Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry, Vol. 122, No.1 (1988) p. 175-182
原論文２ Data source 2：
Determination of Carbon Impurity in Gallium Arsenide Crystals by Photon Activation Analysis
A.Yoshioka, K.Nomura, O.Kawakami, K.Shimura, K.Masumoto*), M.Yagi2*)
Central Reserch Institute, Mitsubishi Metal Co., 1-297 Kitabukurocho, Omiya, Saitama 330 (Japan); *)Laboratory of Nuclear Science, Tohoku University, Mikamine, Sendai 982 (Japan); 2*)Institute of Materials Research, Tohoku University, Katahira, Sendai 980 (Japan)
Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry, Vol. 148, No.2 (1991) p. 201-209
キーワード：光量子、制動放射、放射化分析、炭素、燃焼
photon, bremsstrahlung, activation-analysis, carbon, combustion
分類コード：040404, 040301, 040102