レーザー動的圧縮とX線自由電子レーザーの組み合わせによる超高密度ケイ酸塩相の探索

• Project/Area Number: 23K20063
• Project/Area Number (Other): 19H04396 (2019-2023)
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2024); Single-year Grants (2019-2023)
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 80040:Quantum beam science-related
• Research Institution: High Energy Accelerator Research Organization (2024); Hiroshima University (2019-2023)
• Principal Investigator: 佐藤 友子 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 物質構造科学研究所, 特別准教授 (80553106)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥17,160,000 (Direct Cost: ¥13,200,000、Indirect Cost: ¥3,960,000); Fiscal Year 2025: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2024: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000); Fiscal Year 2022: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2021: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000); Fiscal Year 2020: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000); Fiscal Year 2019: ¥5,720,000 (Direct Cost: ¥4,400,000、Indirect Cost: ¥1,320,000)
• Keywords: 衝撃圧縮 / レーザー誘起動的圧縮実験 / レーザー衝撃圧縮 / レーザー誘起衝撃圧縮 / 衝撃ユゴニオ温度 / X線回折 / X線自由電子レーザー / 高圧試料合成 / High pressure / Shock compression / XFEL / Silicate

Outline of Research at the Start

巨大氷惑星の核や系外・巨大岩石型惑星のマントル部はTPa（～一千万気圧）・数千K領域の温度圧力にあると推測されるが、その条件の再現には大きな技術的困難がある。本研究は、TPa（一千万気圧）領域におけるケイ酸塩の超高密度相の探索を、パワーレーザーによる動的圧縮とX線自由電子レーザーのパルスX線の組み合わせにより実現し、天体衝突過程の物質科学的側面から明らかにすることを目指す。

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、TPa（一千万気圧）領域におけるケイ酸塩の超高密度相の探索を、パワーレーザーによる動的圧縮とX線自由電子レーザーのパルスX線の組み合わせにより実現することにある。高圧実験技術の進展により、360GPa・数千Kという地球中心の温度圧力条件は（容易ではないが）再現できるようになったが、海王星・天王星といった巨大氷惑星、さらには木星・土星のような巨大ガス惑星の中心核の温度圧力条件の実現は未だ困難が多い。また、最近の系外惑星探査の進展により、多くの恒星が惑星系を持ち、スーパーアース（巨大岩石型惑星）やホットジュピター（小型ガス型惑星）と呼ばれる、太陽系には見られないような“異常な”惑星が、むしろ普遍的に存在することが明らかになりつつある。このような系外・巨大岩石型惑星のマントル部や、天王星などの巨大氷惑星の核はTPa・数千K領域の温度圧力にあると推測されるが、その条件の再現は技術的困難から容易ではないために、これら巨大惑星内部を構成する物質の物理・化学的性質について既に明らかになっていることは極めて少ない。本研究は、特にケイ酸塩の巨大惑星内部における物性を明らかにすることを目指すものである。昨年度に引き続き、高密度相ケイ酸塩多結晶体を大型プレスにより合成して出発物質として用いて、大阪大学レーザー研究所の激光XII号およびにX線自由電子レーザーSACLAにおいてレーザー衝撃圧縮実験を実施した。激光XII号においては減衰衝撃圧縮下における輻射強度の時間分解測定から、衝撃ユゴニオ温度を決定し、MgSiO3組成のサブTPaにおける融解温度を推定した。また、X線自由電子レーザーSACLAの高輝度パルスX線を用いた衝撃圧縮下その場X線回折測定によるケイ酸塩の相転移の探索を試みた。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

愛媛大学地球深部ダイナミクス研究センターの共同利用制度を利用して大型プレスを用いた高圧試料合成を行い、高密度相多結晶焼結体（ブリッジマナイト）を合成して加工し、レーザー衝撃圧縮実験のための試料を準備した。レーザー衝撃圧縮下光学測定によって、衝撃ユゴニオ温度を決定し、MgSiO3組成のサブTPaにおける融解温度を推定することができた。

Strategy for Future Research Activity

今年度は、輻射強度測定からユゴニオ温度の決定を行った。温度決定に必要な放射率はVISARのフリンジ強度より得られる反射率より推定しているが、反射率の正確な決定は実際にはかなり難しい。輻射スペクトルを用いた、参照物質を必要としない温度決定法により、今後、より正確な温度測定を試みる。また、X線自由電子レーザー施設SACLAに設置されている衝撃波励起用レーザーの集光径を可能な限り小さくし、より高圧領域での実験を試みる。

Research Products

• [Int'l Joint Research] University of Southern California(米国)
• [Int'l Joint Research] 北京高圧科学研究中心(中国)
• [Int'l Joint Research] University of Southern California(米国)
• [Journal Article] Fast deformation of shocked quartz and implications for planar deformation features observed in shocked quartz (2020)
  • Author(s): Sekine Toshimori、Sato Tomoko、Ozaki Norimasa、Miyanishi Kohei、Kodama Ryosuke、Seto Yusuke、Tange Yoshinori、Tiwari Subodh C.、Nakano Aiichiro、Vashishta Priya
  • Journal Title: AIP Conference Proceedings Volume: 2272 Pages: 080002-080002
  • DOI: 10.1063/12.0000930
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] X-ray and Neutron Study on the Structure of Hydrous SiO2 Glass up to 10 GPa (2020)
  • Author(s): Urakawa Satoru、Inoue Toru、Hattori Takanori、Sano-Furukawa Asami、Kohara Shinji、Wakabayashi Daisuke、Sato Tomoko、Funamori Nobumasa、Funakoshi Ken-ichi
  • Journal Title: Minerals Volume: 10 Issue: 1 Pages: 84-84
  • DOI: 10.3390/min10010084
  • NAID: 120006839438
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] ブリッジマナイトの衝撃圧縮挙動 (2021)
  • Author(s): 佐藤友子
  • Organizer: 第7回PRIUSシンポジウム
  • Invited
• [Presentation] 時分割X線回折による SiO2ガラスの高密度化観察 (2020)
  • Author(s): 佐藤友子，船守展正，柴崎裕樹
  • Organizer: 第61回高圧討論会
• [Presentation] 地球内部における水ケイ酸塩流体の構造に関する研究2 (2020)
  • Author(s): 山本あかね，佐藤友子, 船守展正, 若林大佑, 浦川啓, 服部高典
  • Organizer: 第61回高圧討論会
• [Presentation] ハイパワーレーザーとXFELを用いた惑星構成物質圧縮挙動の探索 (2019)
  • Author(s): 佐藤友子
  • Organizer: 第26回FELとHigh-Power Radiation研究会
  • Invited
• [Presentation] "Shock-compressed behavior of quartz by XFEL " (2019)
  • Author(s): "Tomoko Sato,Yoshinori Tange,Yusuke Seto,Toshimori Sekine,Norimasa Ozaki,Toyohito Nishikawa,Kohei Miyanishi,Kensuke Matsuoka,Ryosuke Kodama, Tadashi Togashi,Yuichi Inubushi,Toshinori Yabuuchi,Makina Yabashi "
  • Organizer: Japan Geoscience Union Meeting 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 地球内部における水ケイ酸塩流体の構造に関する研究 (2019)
  • Author(s): 山本あかね，佐藤友子,船守展正,若林大佑，浦川啓
  • Organizer: 第60回高圧討論会
• [Presentation] 衝撃圧縮された多結晶アルミナ中の差応力時間発展 (2019)
  • Author(s): 丹下 慶範,西原 遊,瀬戸 雄介,尾崎 典雅,宮西 宏併,佐藤友子,奥地拓生,関根利守,西内俊毅,犬伏雄一
  • Organizer: 第60回高圧討論会
• [Presentation] 衝撃圧縮下における XFEL 回折パ夕ーン解析手法の開発 (2019)
  • Author(s): 瀬戸雄介,佐藤 友子,奥地 拓生,丹下 慶範,尾崎 典雅
  • Organizer: 第60回高圧討論会
• [Presentation] XFELを用いた衝撃誘起ナノ多結晶化プロセスの直接観察 (2019)
  • Author(s): 尾崎 典雅,丹下 慶範,中島 彰吾,ALBERTAZZ Bruno,FAENOV Anatloy,HARTLEY Nicholas,犬伏雄一,片桐 健登,KOENIG Michel,松岡 健之,松山 智至,宮西 宏併,奥地 拓生,PIKUZ Tatiana,坂田 修身,佐藤 友子,関根 利守,瀬戸 雄介,田中和夫,冨樫格,矢橋牧名,藪内俊毅,山内和人,兒玉了祐
  • Organizer: 第60回高圧討論会
• [Presentation] ショックユゴニオとリリース計測による珪酸塩鉱物の液体金属状態に関する研究 (2019)
  • Author(s): 尾崎 典雅,梅田 悠平,佐藤友子,ALBERTAZZ Bruno,BENUZZI MOUNAIX Alessandra,BOLIS Riccardo,GUARGUAGINI Marco,片桐 健登,兒玉了祐,KOENIG Michel,宮西 宏併,森岡 慎太郎,西川 豊人,大井 修吾,RAVASIO Alessandra,坂和 洋一,佐野 孝好,関根 利守
  • Organizer: 第60回高圧討論会
• [Presentation] AgInS2ナノ粒子の高圧下発光特性と構造 (2019)
  • Author(s): 大野 圭太,仲条 一輝,林 純一,葛谷 俊博,関根ちひろ,武田 圭生,濱中泰,若林大佑,佐藤友子,船守展正
  • Organizer: 第60回高圧討論会
• [Presentation] CuInS2ナノ粒子の高圧下光学特性と構造 (2019)
  • Author(s): 仲条 一輝,大野 圭太,林 純一,葛谷 俊博,関根ちひろ,武田 圭生,濱中泰,若林大佑,佐藤友子,船守展正
  • Organizer: 第60回高圧討論会