2016 Fiscal Year Research-status Report
重力支配域における氷のクレータースケール則の確立と冥王星の進化史の解明
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16K17794
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| Research Institution | Kobe University |
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Principal Investigator |
保井 みなみ 神戸大学, 理学研究科, 助教 (30583843)
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2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 衝突実験 / クレーター / 極低温 / 変形実験 / 脆性破壊 / 塑性変形 / 氷・シリカ混合物 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
冥王星の表面年代を推測するためのモデル構築には，その地殻の基盤を構成する水氷を用いたクレーター形成実験を行う必要がある．28年度は，冥王星表層環境下で衝突実験を行うための装置の開発を開始した．また，冥王星表面では，塑性変形によって形成した流動地形や脆性破壊によって形成した割れ目構造など，様々な表面地形が発見されている．そこで，脆性破壊と塑性変形を分ける境界条件を調べるため，表層を模擬した氷・岩石混合物を用いて変形実験を行った．
冥王星表面は約50Kと極低温である．また，冥王星上で起こる衝突現象を再現するためには，未焼結の氷粒子集合体を標的として用いる必要がある．標的を融解することなく標的作成と衝突実験を同時に行うため，既存の低温装置付きチャンバーに取り付ける弾丸加速装置の開発を始めた．装置上部に取り付ける高圧室と銃身の作製コストを抑えるため，市販の部品（swagelok社製部品）を組みあわせることで，装置の作製を試みた．特に，弾丸の加速方法を，従来のダイヤフラム破裂式ではなくバルブ開閉式を用いることで，低コストだけではなく，毎回の実験での準備負担の軽減も可能となった．
脆性破壊と塑性変形を分ける境界条件で最も重要なのは，脆性―塑性境界歪速度である．そこで，模擬物質である氷・岩石混合物を用いて，等歪速度一軸圧縮実験を行った．試料は直径約1mmの水氷粒子と，直径0.25ミクロンのシリカビーズを混ぜて作成した．シリカビーズの体積含有率は0、0.06、0.18とした．歪速度は0.000001/sから0.6/sまで系統的に変化させた．その結果，シリカ含有率が増加するほど，脆性―塑性境界歪速度が増加することがわかった．これはつまり，岩石濃度が増えるほど，より大きい変形速度（高応力）でも表層では断層を形成することなく，塑性変形を起こして氷河のような流動地形を形成し得ることを意味している．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
4: Progress in research has been delayed.
Reason
当初の28年度の目標は，低温装置付きチャンバーに取り付ける弾丸加速装置を作製すること，そして未焼結の雪標的の作成法を確立することであった．しかし，28年度は本研究課題の採択決定前（本申請課題を申請した後）に所属機関である神戸大学の海外長期派遣が決定し（アメリカに10ヶ月滞在），海外滞在中に本研究課題を中心に研究を進行することはできなかった．そのため，本課題に関する研究は，帰国後（H29年2月）に本格的に開始することとなった．
一方で，衝突実験装置はこれまで何度が作製した実績があるため，現在は本申請課題で使用する弾丸加速装置の実際の作製に入ったところである．また，低温装置付きチャンバーの稼働及び低温下での水氷作成試験は既に終了している．その際に，チャンバー内での水氷試料の作成を行い，実験結果の妨害が予想される霜の発生を防ぐことができ，チャンバー内での氷試料作成が可能であることを確認している．弾丸加速装置が作成完了次第，すぐに水氷のクレーター形成実験は可能である．ただし，より冥王星表層環境を再現するためには，未焼結の氷粒子集合体の作成方法の確立は最重要課題であり，必須である．
以上のことから，海外滞在における遅れがあるため，「遅れている」という判断をした．
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| Strategy for Future Research Activity |
29年度は，28年度末から開始している弾丸加速装置の開発を継続的に行う．現時点では弾丸加速部分（高圧部＋銃身）の作製を行っているが，今後は銃身の先端に取り付ける部品の作製に入る．銃身の内径は4.6mmで変えられないが，実際はそれより直径が小さな弾丸を用いる必要がある（衝突エネルギーを変えるため）．そこで，サボシステムを用いた弾丸分離機構を作製し，銃身の先端（真空チャンバー内）に取り付ける．また，現在の低温装置付き真空チャンバーは観察用の窓が少なく，クレーター生成過程を観察するためには，さらに観察用の窓を増やす必要がある．そのため，真空チャンバーの改良を行う．また，窓の設置に加え，真空チャンバー内を照らすための光源の設置及び稼働試験，標的試料を作成するための土台の作製を行う．
上記で作製した加速装置を用いて，水氷を用いたクレーター形成実験を行う．真空チャンバーは実験後に大気圧下に戻すため，標的を回収して観察や計測を行うことは難しい．そこで，既存の高速度カメラを使用してクレーターから放出される放出物（エジェクタ）の観察と，真空チャンバー上部からクレーター径や深さの測定（レーザー変位計またはデジタルカメラでの撮影）を行う．
さらに，低温装置付き真空チャンバーを用いて未焼結の雪試料作成方法を確立する．液体窒素を用いて水粒子を急冷し，液体窒素ごとチャンバー内の土台内の容器に流し入れる．真空チャンバー内の真空引きを繰り返して窒素を取り除き，焼結していない雪試料を作成する．真空引きの回数やその継続時間，真空引きを停止する時間をコントロールして，未焼結の雪試料を作成するのに最適な条件を見つける．また，熱電対を用いた温度測定を行い，試料作成中の温度履歴をモニタリングする．
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| Causes of Carryover |
28年度は弾丸加速装置の納品（発注は28年度に完了）までに至らなかったため，弾丸加速装置作製分の予定使用額は29年度に持ち越すことになった．
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
29年度は，弾丸加速装置の作製用，真空チャンバーの改良用の鋼材費及び作製費を確保する．弾丸加速にはヘリウムガスを使用するため，ヘリウムガスボンベを購入する予定である．また，弾丸加速装置に取り付けるガス流出用のバルブは高圧ガスで開閉するタイプであるので，高圧ガスを発生するためのコンプレッサーを購入する予定である．最後に，衝突実験で用いる消耗品（弾丸，弾丸設置部分で用いる真空小部品：４～５回の実験で取り換えが必要）と，標的の温度を測定するための熱電対を逐一購入する予定である．
また，９月末に大阪大学で行われる日本惑星科学会で弾丸加速装置開発の途中経過を報告する予定であるため，その旅費に使用する予定である．
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