Ｘ線自由電子レーザーを用いた衝撃圧縮下における物質挙動の超高速時分割その場観察

2018 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 17K05714
• Research Institution: Japan Synchrotron Radiation Research Institute
• Principal Investigator: 丹下 慶範 公益財団法人高輝度光科学研究センター, 利用研究促進部門, 主幹研究員 (70543164)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2020-03-31
• Keywords: 衝撃圧縮 / X線回折 / X線自由電子レーザー / 岩石鉱物

Outline of Annual Research Achievements

X線自由電子レーザーの登場により、第三世代放射光と同等の高品質なX線回折データを数フェムト秒という極めて短い時間で取得することが可能になった。その結果これまで観察が困難だった、衝撃圧縮された物質内部で極短時間に生じる圧縮から破壊へといたるまでの現象を、時間を追って詳細に観察することが可能になりつつあり、研究代表者はこれまでX線自由電子レーザー施設SACLAにおいて、高強度レーザーを用いたポンププローブ測定の実験基盤整備に携わりつつ、利用研究を進めている。平成30年度は、理化学研究所放射光科学研究センターならびに高輝度光科学研究センターが主体となって行ったポンププローブ実験用真空ターゲットチャンバーの新造にコミッショニングメンバーとして参画し、大阪大学レーザー科学研究所によって高エネルギー化、ロングパルス化が行われた高強度レーザーを試用しながら、立ち上げ実験を行った。立ち上げ実験としては、これまで実施実績のある多結晶コランダムを用い、高エネルギー化されたポンプレーザーの利点を生かし、これまでの実験で発生させられなかった高圧力までの衝撃圧縮実験を行い、高圧相転移の探索を行った。その結果ピーク圧力が400万気圧程度と考えられる強圧縮下で、多結晶コランダムの回折X線パターンに高圧相転移を示唆する顕著な変化が観察され、さらに衝撃波の通過後減圧過程では、出発物質である低圧相のものへと再び変化する様子も観察された。また多結晶コランダムに加え、酸化マグネシウムを出発物質とした実験にも着手し、より高い圧力領域で起こることが理論計算および超高強度レーザーを用いた先行研究で知られている、極超高圧下での構造変化観察を試みた。その結果、基本ユゴニオ上で600万気圧程度の高圧力下で起こることが知られる、酸化マグネシウムの融解を示唆する散乱データの取得に成功した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

平成29年度中までに、当初目標にしたってコランダム多結晶体を用いた標準データの収集を終えていたが、平成30年度ではポンプレーザーが高強度化、ロングパルス化されたのみでなく、二次元X線検出器を含むポンププローブ実験用真空ターゲットチャンバーが新造されるなど実験基盤の高度化が行われた。そのため再びコランダム多結晶体を用いた標準データを取得し高度化後の実験システムのコミッショニングを行い、これまでと同等以上の実験データが得られることを確認した。ポンプ用レーザーが高エネルギー化された恩恵を受け、これまでよりはるかに高圧力での実験を行うことが可能となり、当初予定していた温度・圧力範囲を大きく上回る極限環境データを取得することが可能になった。多結晶コランダムに加え多結晶および単結晶の酸化マグネシウムを出発物質とした超高圧実験に着手し、最高600万気圧、13000 K程度までの幅広い温度圧力条件で超高速時分割X線回折測定を行い、融解および高圧相転移の探査を行った。

Strategy for Future Research Activity

多結晶コランダムに加え酸化マグネシウム試料の測定を開始し、600万気圧程度までの圧力範囲で予察的なデータを取得でき、さらに高強度化されたレーザーを用いた衝撃圧縮系および、二次元集光されたXFEL光、大面積二次元X線検出器からなる測定システムの有用性が確認出来た。しかしながらこれまでになく強圧縮された条件で有意義なデータを取得するには、多結晶出発物質の結晶粒調整が必要であることが明らかになった。今後は試料を多結晶のコランダムと酸化マグネシウムの二種に絞り、衝撃圧縮下での高圧相転移の明瞭な観察を目指す。一方、多結晶コランダムで取得済みの標準データの解析を進め衝撃圧縮された物質内部での圧縮過程、応力状態およびその緩和過程を明らかにする。

Causes of Carryover

2017年度に作成した実験試料用の残数があったため新規作成を行わなかった分があり、次年度使用額が生じた。今年度前半には昨年度使用し尽くした試料分の作成が必要になるため、それに使用する。

Research Products

• [Journal Article] High pressure generation in Kawai-type multianvil apparatus using nano-polycrystalline diamond anvils (2019)
  • Author(s): T. Irifune, T. Kunimoto, T. Shinmei, Y. Tange
  • Journal Title: Comptes Rendus Geoscience Volume: 351 Pages: 260
  • DOI: https://doi.org/10.1016/j.crte.2018.07.005
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] High-pressure generation in the Kawai-type multianvil apparatus equipped with tungsten-carbide anvils and sintered-diamond anvils, and X-ray observation on CaSnO3 and (Mg,Fe)SiO3 (2019)
  • Author(s): D. Yamazaki, E. Ito, T. Yoshino, N. Tsujino, A. Yoneda, H. Gomi, J. Vazhakuttiyakam, M. Sakurai, Y. Zhang, Y. Higo, Y. Tange
  • Journal Title: Comptes Rendus Geoscience Volume: 351 Pages: 253
  • DOI: https://doi.org/10.1016/j.crte.2018.07.004
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Sound velocity of CaSiO3 perovskite suggests the presence of basaltic crust in the Earth’s lower mantle (2019)
  • Author(s): S. Greaux, T. Irifune, Y. Higo, Y. Tange, T. Arimoto, Z. Liu, A. Yamada
  • Journal Title: Nature Volume: 565 Pages: 218
  • DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-018-0816-5
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Thermal expansion of natural mantle spinel using in situ synchrotron X-ray powder diffraction (2019)
  • Author(s): J. Yamamoto, T. Yoshino, D. Yamazaki, Y. Higo, Y. Tange, J. Torimoto
  • Journal Title: Journal of materials science Volume: 54 Pages: 139
  • DOI: https://doi.org/10.1007/s10853-018-2848-5
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Development of new diagnostics based on LiF detector for pump-probe experiments (2018)
  • Author(s): T. Pikuz, A. Faenov, N. Ozaki, T. Matsuoka, B. Albertazzi, N.J. Hartley, K. Miyanishi, K. Katagiri, S. Matsuyama, K. Yamauchi, H. Habara, Y. Inubushi, T. Togashi, H. Yumoto, H. Ohashi, Y. Tange, 他12名
  • Journal Title: Matter and Radiation at Extremes Volume: 3 Pages: 197
  • DOI: https://doi.org/10.1016/j.mre.2018.01.006
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] ドライな還元地球の誕生と大気海洋成分の二次的付加で説明されるABELモデルと, 生命惑星誕生におけるABEL爆撃の重要性 (2018)
  • Author(s): 丸山茂徳, 戎崎俊一, 丹下慶範
  • Journal Title: 地学雑誌 Volume: 127 Pages: 647
  • DOI: doi:10.5026/jgeography.127.647
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Semi-brittle behavior of wet olivine aggregates: the role of aqueous fluid in faulting at upper mantle pressures (2018)
  • Author(s): T. Ohuchi, X. Lei, Y. Higo, Y. Tange, T. Sakai, K. Fujino
  • Journal Title: Contributions to Mineralogy and Petrology Volume: 173 Pages: 88
  • DOI: https://doi.org/10.1007/s00410-018-1515-9
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Deformation-induced crystallographic-preferred orientation of hcp-iron: An experimental study using a deformation-DIA apparatus (2018)
  • Author(s): Y. Nishihara, T. Ohuchi, T. Kawazoe, Y. Seto, G. Maruyama, Y. Higo, K. Funakoshi, Y. Tange, T. Irifune
  • Journal Title: Earth and Planetary Science Letters Volume: 490 Pages: 151
  • DOI: https://doi.org/10.1016/j.epsl.2018.03.029
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Complete agreement of the post-spinel transition with the 660-km seismic discontinuity (2018)
  • Author(s): T. Ishii, R. Huang, H. Fei, I. Koemets, Z. Liu, F. Maeda, L. Yuan, L. Wang, D. Druzhbin, T. Yamamoto, S. Bhat, R. Farla, T. Kawazoe, N. Tsujino, E. Kulik, Y. Higo, Y. Tange, T. Katsura
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 8 Pages: 6358
  • DOI: 10.1038/s41598-018-24832-y
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] In situ measurement of silicate melt viscosities up to ~30 GPa: Implications for the evolution of Magma Ocean (2018)
  • Author(s): 謝龍剣, 米田明, 肥後祐司, 丹下慶範
  • Organizer: 第59回高圧討論会
• [Presentation] R型熱電対の起電力への圧力効果 (2018)
  • Author(s): 西原遊, 土居峻太, 肥後祐司, 丹下慶範
  • Organizer: 第59回高圧討論会
• [Presentation] レーザー衝撃圧縮された物質内部の応力状態 (2018)
  • Author(s): 丹下慶範, 西原遊, 瀬戸雄介, 松岡健之, 尾崎典雅
  • Organizer: 第59回高圧討論会
• [Presentation] 上部マントル条件下における斜方輝石の変形実験 (2018)
  • Author(s): 坪川祐美子, 大内智博, 肥後祐司, 丹下慶範, 入舩徹男
  • Organizer: 第59回高圧討論会
• [Presentation] レーザー衝撃圧縮によるフォルステライト単結晶の超高速圧縮と構造変化、破壊過程 (2018)
  • Author(s): 奥地拓生, PUREVJAV N., 尾崎典雅, 松岡健之, 瀬戸雄介, 丹下慶範, 犬伏雄一, 薮内俊毅, 矢橋牧名, 富岡尚敬, 関根利守, 兒玉了祐
  • Organizer: 第59回高圧討論会
• [Presentation] アンチゴライト-オリビン二相系の高圧せん断変形場における変形の局所化とせん断不安定性 (2018)
  • Author(s): 池原舞, 久保友明, 岩里拓弥, 肥後祐司, 今村公裕, 丹下慶範
  • Organizer: 第59回高圧討論会
• [Presentation] 物質の超高速変形と破壊: XFELを用いた観測のアプローチから (2018)
  • Author(s): 尾崎典雅, 松岡健之, ALBERTAZZI B., 宮西宏併, 片桐健登, 梅田悠平, HARTLEY N., PIKUZ T., 山内和人, 兒玉了祐, 松岡岳洋, 奥地拓生, 瀬戸雄介, 丹下 慶範, 佐藤友子, 関根利守, 坂田修身, 犬伏雄一, 富樫格, 籔内俊穀, 矢橋牧名, VINCI T., KOENIG M.
  • Organizer: 第59回高圧討論会
• [Presentation] 地球惑星深部における水酸化物の高圧相転移 (2018)
  • Author(s): 西真之, 桑山靖弘, 土屋旬, 丹下慶範, 入舩徹男
  • Organizer: 第59回高圧討論会
• [Presentation] ハルツバーガイトの半脆性流動と破壊における水の効果 (2018)
  • Author(s): 大内智博, 雷興林, 肥後祐司, 丹下慶範, 境毅
  • Organizer: 第59回高圧討論会
• [Presentation] チタンの力学特性に及ぼす同素変態の影響 (2018)
  • Author(s): 松尾圭祐, 丸野大輔, 池田幸将, 有田誠, 肥後祐司, 丹下慶範, 大石泰生, 堀田善治
  • Organizer: 軽金属学会 第135回秋期大会
• [Presentation] 高圧巨大ひずみ加工に伴うチタン同素変態の高輝度単色X線によるその場解析 (2018)
  • Author(s): 丸野大輔, 池田幸将, 肥後裕司, 丹下慶範, 大石泰生, 有田誠, 堀田善治
  • Organizer: 軽金属学会 第135回秋期大会
• [Presentation] Time‐resolved XFEL observation of shock‐wave propagating material (2018)
  • Author(s): Y. Tange, N. Ozaki, Y. Seto, T. Okuchi, T. Sato, T. Matsuoka, K. Miyanishi, Y. Umeda, T. Yabuuchi, Y. Inubushi, M. Yabashi, R. Kodama
  • Organizer: Workshop of the IUCr Commission on High Pressure
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Creep behavior and high-pressure faulting during the olivine-spinel transformation in fayalite (2018)
  • Author(s): T. Kubo, N. Doi, M. Imamura, T. Kato, Y. Higo, Y. Tange
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合 2018年大会
• [Presentation] Sound velocity of Al-bearing hydrous and anhydrous bridgmanites under high pressure (2018)
  • Author(s): T. Inoue, S. Greaux, M. Noda, S. Kakizawa, Y. Higo, Y. Tange
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合 2018年大会
• [Presentation] Phase relations of MgSiO3-FeSiO3 system up to about 60 GPa and 2300K using multianvil apparatus with sintered diamond anvils (2018)
  • Author(s): T. Arimoto, T. Irifune, M. Nishi, Y. Tange, T. Kunimoto
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合 2018年大会
• [Presentation] P-V-T equation of state of Al-bearing hydrous bridgmanite (2018)
  • Author(s): S. Kakizawa, T. Inoue, M. Nishi, T. Arimoto, H. Kadobayashi, Y. Tange, Y. Higo, S. Nakano, H. Hirai
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合 2018年大会
• [Presentation] Effect of pressure on temperature measurements using WRe thermocouple and its (2018)
  • Author(s): Y. Nishihara, S. Doi, S. Kakizawa, Y. Higo, Y. Tange, T. Irifune
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合 2018年大会
• [Presentation] Shear localization in peridotites and the occurrence of intermediate-depth earthquakes (2018)
  • Author(s): T. Ohuchi, X. Lei, H. Ohfuji, Y. Higo, Y. Tange, T. Sakai, K. Fujino, T. Irifune
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合 2018年大会
• [Remarks] Y. TANGE's site
  • URL: https://sites.google.com/view/yoshinoritange/home
• [Remarks] 丹下慶範, 利用研究促進部門, 高輝度光科学研究センター
  • URL: http://rud.spring8.or.jp/member/0008306.html