2020 Fiscal Year Research-status Report
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19K04051
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| Research Institution | Japan Synchrotron Radiation Research Institute |
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Principal Investigator |
平尾 直久 公益財団法人高輝度光科学研究センター, 回折・散乱推進室, 主幹研究員 (70374915)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 地球核 / 水素 / 高温高圧 / 放射光 / X線回折 / 相平衡関係 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，地球核の温度圧力条件下における金属鉄水素化物の密度と相平衡関係に基づき，地球核の組成構成と温度構造モデルを構築し，地球核中での水素の影響を物質科学的に解明することを目指している．今年度は，水素媒体を用いた高圧実験における圧力決定の評価に注力した．ダイヤモンドアンビルラマン圧力スケールに基づいた圧力算出方法では，圧力を過大評価している可能性があることが判ってきたためである．圧力決定の信頼性は，地球核条件である130万気圧以上の圧力領域で実験が実現できているかを示す上で，重要な課題である．そこで，水素媒体中にルビー圧力マーカーと金を用いた高圧実験を実施し，ダイヤモンドアンビルラマン圧力スケールとの比較を行い，試料室内で発生している圧力を評価することとした．その結果，ルビー圧力スケールや金の状態方程式に基づく圧力値と，ダイヤモンドアンビルラマン圧力スケールから算出される値では，圧力40 GPa程度においても10 GPa程度異なることが判った．時間経過と共に，試料封入用金属ガスケット材の水素化によるガスケット強度の変化で，ダイヤモンドアンビル先端部にかかる応力状態が変わっていっていることが主な原因とと考えられる．金は100 GPa程度まで水素化しないことが，過去の研究により報告されている．本研究においても，ヘリウム圧力媒体中におけるルビー圧力スケールと金の格子定数との関係と良い一致を示していることを確認している．水素の伸縮振動モード（vibron）も観察できるため，その圧力依存性も利用可能ではあると考えられるが，どの圧力スケールを利用しているかに注意すべきである．今後，金属鉄ー水素系を含め，水素媒体を使った高圧実験では，ダイヤモンドアンビルラマン圧力スケールだけでなく，複数の圧力マーカーによる圧力決定が重要であることがわかった．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
水素媒体による実験的高圧研究では，水素特有の技術的困難さにより，金属鉄-水素系の高温高圧実験が限られている．これまでの高圧実験を通して，水素媒体を用いたダイヤモンドアンビルセル高圧実験における圧力の算出は，とりわけ，ダイヤモンドアンビル圧力スケールは，その使用に注意が必要であることが判ってきた．加圧プロセスや経過時間・日数など実験過程によって，ダイヤモンドアンビルラマン圧力スケールが示す値が他圧力スケールと比べて，過大に算出されることがわかってきたためである．地球核の圧力条件である100万気圧領域での実験を実施する上で，発生圧力の信頼性は重要な課題となる．それゆえ今年度は，水素媒体を用いた高圧実験におけるルビー圧力スケール，金の状態方程式とダイヤモンドアンビル圧力スケールを比較し評価することに注力した．ダイヤモンドアンビルラマン圧力スケールは，ダイヤモンドアンビル先端部の応力状態に基づいている．水素媒体を用いた高圧実験では，高圧下において金属ガスケットへの水素の侵入，つまり水素化によるガスケットの強度状態の変化がアンビル先端部の応力状態に著しい影響を及ぼしていることが判りはじめた．今後，水素媒体を用いた金属鉄ー水素系の実験では，ダイヤモンドアンビルラマン圧力スケールではなく，別の圧力スケールにより圧力を算出し，実験を進めていく．
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は，地球核相当の圧力領域で安定的に実験可能な技術開発を行うと共に，水素と反応しない内部圧力マーカーを利用した圧力算出方法に基づいて圧力値の評価を行い，そこでの放射光その場観察に注力する．具体的には，レーザー加熱ダイヤモンドアンビルセルを用いた高温高圧発生技術と放射光微小ビームを組み合わせた手法により，135万気圧を越える圧力領域での高温高圧X線回折実験を実現し，金属鉄－水素二元系における金属鉄水素化物の相平衡関係と密度，状態方程式を決定する．また水素リッチな環境と枯渇環境下での相平衡関係や密度の違いや圧縮特性への影響に関しても，より広い圧力温度領域で明らかにしていく．これら実験結果に基づき，現在の地球の内核，外核の化学構造を明らかにし， 地震学の観測によって得られてきた情報を最もよく説明する地球中心核の物質科学的構成と温度構造モデルを構築し，地球核における水素存在量に制約を与える．
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| Causes of Carryover |
当初計画していた国内外における情報収集の旅費予算が，COVID-19の影響によりオンライン開催となり使用されなかった．実験を遂行する上で，高純度の測定試料の不足と高圧装置の付属加圧装置が必要となったため，その整備に充てる計画である．
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