2019 Fiscal Year Annual Research Report
Internally consistent pressure scales at ultla-high pressure condition
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17H02985
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| Research Institution | Ehime University |
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Principal Investigator |
境 毅 愛媛大学, 地球深部ダイナミクス研究センター, 准教授 (90451616)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 凸型ダイヤモンドアンビルセル / 圧力スケール / 状態方程式 / 超高圧発生 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，高圧科学において広く利用されている様々な圧力標準物質について，その有効適用範囲を500 GPa領域にまで拡張することを目的としている．具体的には，複数の圧力標準物質についてダイヤモンドアンビルセル（DAC）を用いた高圧発生実験を行い，粉末X線回折法により格子体積の収縮を測定することで，各物質の状態方程式（＝圧力スケール）を決定し，圧力標準物質相互の整合性を確認する．
令和元年度は，Cu+Re，Pt+Re，Cu+W，Au+Wの各組み合わせについての同時圧縮実験を行った．高圧実験には我々が開発を進めてきた特殊アンビル（凸型DAC）を用いた．全ての実験で300 GPaを超える実験を行い，圧縮過程での体積データを得ることに成功した．特にCu+Reの実験では，約450~480 GPaまでの圧縮実験に成功した．圧力の絶対値は圧力スケールに依存するものの，400 GPaを有意に超える圧力発生に成功したことは特筆に値する．凸型DACでは，先端culetサイズに限らず，先端部分のでっぱり具合や斜面角度，先端支持平坦部の大きさ等々によって到達圧力が大きく左右される．今回の結果はこれら種々のパラメータについて最適化が着実に進んできたことを意味している．一連の圧縮実験の結果を用いて，それぞれの金属間での体積―体積関係を決定した．この関係式は圧力スケールとは独立したデータであり，それぞれの物質についての状態方程式を相互比較するうえで重要なデータとなる．各種金属間の体積－体積関係式がそれぞれ持つ誤差の伝搬をさらに検討する必要があるが，これまで我々が行ってきたデータと合わせて，400 GPa前後までのAu-Pt-Cu-W-Re-MgO-Fe-NaClといった多くの状態方程式の相互関係をあきらかにすることができるようになった．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
凸型ダイヤモンドアンビルを用いてCu+Re，Pt+Re，Cu+W，Au+Wの試料組み合わせについて同時圧縮実験を行った．CuletサイズはCu+Re，Pt+Re の実験で20 μm，Cu+W，Au+Wの実験では16 μmに加工した．ガスケットにはReを用いた．SPring-8 BL10XU（Cu+Re，Pt+Re）およびBL37XU（Cu+W，Au+W）において各圧力条件下で粉末X線回折パターンを取得し，それぞれの試料の格子定数を決定した．
Cu+Reの実験では，約450 GPaまでの圧縮実験に成功した．最高圧力での具体的な圧力値は，Anzellini et al. (2014)のRe状態方程式（以下，Anz-Re）で447 GPa，Kraus et al. (2016)のCu状態方程式（以下，Kraus-Cu）で446 GPaであった．一方，Yokoo et al. (2009)のPt状態方程式（以下，Yokoo-Pt）で校正されたSakai et al. (2018) のRe状態方程式（以下，Sakai-Re）を用いた場合は圧力値は478 GPaに達する．圧力値は圧力スケールに左右されるものの，本研究課題の目的である500 GPa領域に肉薄したデータが得られたといえる．また，Pt+Reの実験ではYokoo-Ptで418 GPaまでの実験，Cu+Wの実験ではKraus-Cuで373 GPaまでの実験，Au+Wの実験ではYokoo-Auで376 GPaまでの実験を行った．
実験における1点1点のデータにはばらつきがあるため，体積―体積関係の全体的な傾向を考慮する必要がある．例えばCu体積―Re体積関係式を用いて比較すると，Kraus-CuスケールはAnz-ReとSakai-Reのちょうど中間程度の圧力を与えることが分かった．
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| Strategy for Future Research Activity |
我々がまだ実験を行っておらず，かつ圧力スケールの基準として用いられてきた金属としてMoがある．今後はMo+Wの圧縮実験を行う．また地球科学的に重要なFeについても実験を行う．Feについては300 GPa程度までのデータで状態方程式が議論されてきたが，我々が開発してきた技術によりこれを400 GPa以上にまで拡張する．FeについてもFe+Wの組み合わせで実験を行う．Wと組み合わせる理由は，MoやFeに対して高圧下におけるＸ線回折ピークのオーバーラップが少ないと期待されるからである．
これまで各種金属の圧縮実験と同時に進めてきた装置開発により，凸型ダイヤモンドアンビルセルによる400 GPaを有意に超える圧力発生が可能となった．今後は，ダイヤモンド素材，およびアンビル全体のサポート様式の違いによって到達圧力を500 GPa超まで拡張することを試みる．具体的には，非常に低蛍光なType IIasダイヤをコニカルサポート式の台座に埋め込んだセルを用意し，高圧発生試験を行う．これまでの実験で使用してきたダイヤモンドについてもラマン分光・赤外分光による評価をしており，この実験の結果と比較することで，アンビル素材やサポート様式の違いが到達圧力に与える効果について評価することが出来る．
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