2020 Fiscal Year Annual Research Report
Ultrahigh pressure structural change in silicate magma at pressures near the core-mantle boundary
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20H00201
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| Research Institution | Ehime University |
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Principal Investigator |
河野 義生 愛媛大学, 地球深部ダイナミクス研究センター, 准教授 (20452683)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
尾原 幸治 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 (00625486)
新田 清文 公益財団法人高輝度光科学研究センター, 分光・イメージング推進室, 研究員 (00596009)
近藤 望 愛媛大学, 地球深部ダイナミクス研究センター, 特定研究員 (70824275)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 高圧 / ケイ酸塩 / ガラス / 非晶質構造 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
超高圧下におけるケイ酸塩ガラスの構造転移を実験的に研究するために、2020年度は主に高精度の動径分布関数測定のための装置開発を行った。高圧下におけるケイ酸塩ガラスの動径分布関数測定の困難さの原因として、非晶質物質であるケイ酸塩ガラスからのX線回折強度が非常に弱い問題がある。特に超高圧実験で一般的に用いられる試料の大きさは非常に小さいため、非晶質物質の動径分布関数測定は非常に困難であった。これらの技術的問題を解決するために、2020年度において、高圧下におけるケイ酸塩ガラスの動径分布関数測定のための新しい多連検出器用回折計システムを開発した。この新しい回折計システムにおいて、高圧実験装置内部の小サイズのケイ酸塩ガラス試料のみからの信号に焦点を当てたX線回折測定のための高精度コリメーションスリットシステムを開発した。それにより、2θ=約5°以上の角度において、直径0.5mmの小サイズ試料に焦点を当てた測定が可能になり、高圧実験セル内部に設置したケイ酸塩ガラス試料のみに焦点を当てた高圧下における動径分布関数測定が可能になると考えている。この開発した回折計システムを用い、2021年度において、高圧下におけるケイ酸塩ガラスの動径分布関数測定を試験・開発する予定である。
また、ケイ酸塩マグマのアナログ物質のうち最も単純な化学組成であるSiO2ガラスについて、対向型二段式大容量セルを用いた120 GPaまでの超高圧下における構造測定を行なった。その結果、95 GPa以上の超高圧下において、SiO2ガラス中のSi-O配位数が6以上の超高圧構造へ転移することを発見した。この成果は高インパクトファクター雑誌であるPhysical Review Letters（インパクトファクター：8.4）に出版した(Kono et al., 2020)。
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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
2020年度において、高精度のコリメーションスリットシステムの設計とそれを組み合わせた多連検出器用回折計システムを開発した。この新しく開発した回折計システムとパリーエジンバラ型高圧プレス装置を組み合わせることにより、高圧下においても１気圧下の測定と同等の高精度のケイ酸塩ガラスの動径分布関数測定が可能になると期待される。2020年度において、ケイ酸塩ガラスの動径分布関数測定の開発のための装置導入を完了しており、2021年度より高圧下におけるケイ酸塩ガラスの動径分布関数測定の開発を推進する。2021年度前期におけるSPring-8のBL37XUビームラインのビームタイムがすでに採択されており、6月に予定されているビームタイムにおいて、2020年度に製作した多連検出器用回折計システムとパリーエジンバラ型高圧プレス装置を組み合わせた高圧下におけるケイ酸塩ガラスの動径分布関数測定の開発を行う予定である。さらに、SPring-8のBL05XUビームラインにおいて、100keVの超高エネルギーX線を用いた高圧下動径分布関数測定を試験するためのビームタイムも予定されており、BL37XUビームラインよりも遥かに高いエネルギーのX線を用いた、より高いQ範囲における超高精度のガラスの動径分布関数測定の試験を計画している。
さらにケイ酸塩メルトのアナログ物質のうち最も単純な化学組成であるSiO2ガラスについて、対向型二段式大容量セルを用いた120 GPaまでの超高圧下におけるSiO2ガラスの構造測定に成功し、95GPa以上の超高圧下においてSi-O配位数が6配位以上の超高圧構造へ変化することを発見した。その研究成果は2020年度に高インパクトファクター雑誌であるPhysical Review Letters（インパクトファクター：8.4）に出版した(Kono et al., 2020)。
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| Strategy for Future Research Activity |
2021年度は、2020年度に開発した多連検出器用回折計システムと、パリ-エジンバラ型高圧プレス装置を組み合わせることにより、高圧下におけるケイ酸塩ガラスの動径分布関数測定の開発を行う。実験は主にSPring-8のBL37XUビームラインで行う。BL37XUビームラインのKBミラーシステムを用いたX線集光技術を活用し、研究分担者の新田清文により、高圧下におけるケイ酸塩ガラスの動径分布関数測定に最適な高強度かつ十分小さいX線サイズ条件を検討する。そして、研究代表者の河野義生と研究分担者の尾原幸治、近藤望により、2020年度に開発した回折計システムと高圧プレス装置を組み合わせた高圧下におけるケイ酸塩ガラスの動径分布関数測定の開発を行う。本研究課題により新しく開発した回折計システムを用いることにより、過去の高圧実験研究よりも高いQ範囲における高精度の動径分布関数測定を行うための開発を行う。エネルギー37.5 keVのX線を使用し、2θ角度65°までのX線回折測定により、最高Q範囲20A-1における高精度のケイ酸塩ガラスの動径分布関数測定を高圧下で行うことを試みる。さらに、SPring-8のBL05XUビームラインにおいて、エネルギー100 keVの超高エネルギーX線を用いた実験も計画しており、より高いQ範囲までの測定による超高精度の高圧下動径分布関数測定の開発を目指す。2020年度に発表したKono et al. (2020)において、超高圧下におけるSiO2ガラスのSi-O配位数変化を発見したが、Si-O構造以外のO-O構造、Si-Si構造、中距離構造などを含めた圧力誘起構造転移の詳細については測定精度の限界により未だ理解が不足している。高圧下かつ高精度のケイ酸塩ガラスの動径分布関数測定の開発を2021年度に行い、ケイ酸塩ガラスの圧力誘起構造転移の詳細の理解を目指す。
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