ニュートリノ実験装置のビーム窓材料の脆化（ぜいか）の原因解明―大強度陽子ビーム照射実験で欠陥成長や結晶構造変化観測：RaDIATE国際コラボレーション/J-PARCセンター/高エネルギー加速器研究機構ほか
(2020年11月6日発表)
この宇宙に物質が反物質より多く存在する原因と考えられている、いわゆる物理法則における「対称性の破れ」を確認するための大強度の次世代ニュートリノ実験を計画・推進している日本のJ-PARCセンターをはじめとした国際連携チームは11月6日、この実験で大強度陽子ビームにさらされるチタン合金製のビーム窓がもろくなる原因を解明したと発表した。劣化を起こしにくい材料の作製につながる成果で、次世代ニュートリノ実験の推進が期待されるという。
高エネルギー加速器研究機構（KEK）と（国）日本原子力研究開発機構（JAEA）が共同で運営する大強度陽子加速器実験施設J-PARCや、米フェルミ国立加速器研究所（FNAL）などが運営する大型加速器施設では、加速器と、ビーム照射対象となる標的の収納容器との仕切り部の「ビーム窓」の材料に、64チタン合金を用いている。
64チタン合金はチタンにアルミニウム6％、バナジウム4％を混ぜた合金で、チタン合金の中でも特に強度が大きいのが特徴。ところが、陽子ビームの照射を受けると硬くなり、ビーム窓材料にとって重要な「均一伸び」が失われることが分かった。
「均一伸び」は引張試験で加えた応力に応じて材料が均一に伸びる現象で、最高荷重点までの伸びを「均一伸び」という。「均一伸び」が大きければ材料の亀裂の進展は抑制されるが、ビーム照射による「均一伸び」の消失は材料がもろくなることを意味しており、実験推進の足かせになりかねない。このため、原因究明が急がれていた。
今回、「RaDIATE国際コラボレーション」と名付けられた国際連携チームは、ビーム窓用材料を用いて大強度陽子ビーム照射実験を実施し、得られた結果を解析した。
その結果、64チタン合金には、結晶構造が六方稠密（ちゅうみつ）のα（アルファ）相中に、陽子ビームの照射によってナノメートルサイズの欠陥クラスターが高密度で生成すること、それとともに、体心立方のβ（ベータ）相の中に微細なω（オメガ）相が高密度で成長すること、それによって著しくかたくて脆くなる可能性が明らかになった。
陽子ビーム照射がチタン合金中に高密度のω相の生成と成長を誘起する現象を観測したのはこれが初めてという。
今回の成果は、大強度の陽子ビーム運転に耐えるビーム窓用チタン合金材料の選定とその熱処理方法を決定する指針となるだけではなく、今後核融合炉などで必要となる照射損傷の影響を受けない新材料の開発に役立つとしている。
