パルスレーザーとダイヤモンドアンビルセルを用いた高圧高温下の水の熱拡散率計測

2013 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 24740356
• Research Institution: Ehime University
• Principal Investigator: 木村 友亮 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 (50624540)
• Keywords: 酸化マグネシウム / 融解 / 高温高圧実験 / ダイヤモンドアンビルセル

Research Abstract

35 GPaまでの酸化マグネシウム(MgO)の融点を決定した。圧力発生としてダイヤモンドアンビルセル、加熱に開発した炭酸ガスレーザー装置を用いた。レーザー出力と試料温度の関係を取得した。その関係内で加熱効率の不連続な変化が見られた。加熱後の試料を走査型電子顕微鏡で観察したところ、液体から固化を経験して再結晶化したと考えられるファイバー状の結晶が加熱領域に見られた。この観察結果を考慮して加熱効率の不連続な変化が見られた温度を融点とした。この融解判断基準は昨年度の氷の融点計測で開発した手法であり、正確な手法として既に確立している。本研究で決定した融点はZerr and Boehler et al., Nature (1994)の結果と一致している一方、多くの第一原理計算に基づいた予想よりも最大約1500 Kも低かった。本研究の融点データをサイモンの式に則って得られた融解曲線は、約50 GPaでマグネシウムペロフスカイト(MgSiO3)の融解曲線と交差する。これは初期地球のマントル形成過程において、50 GPa以上ではMgSiO3の方がMgOよりも先に固化することを意味する。この研究成果は地球科学の国際学会であるAOGS 11th Annual meetingで口頭発表予定である。
炭酸ガス連続光レーザーのパルス化を試みた。レーザー出射後にAO変調器をセットした。レーザー放射光をAO変調器に通すことで200 ns程度の時間幅をを持ったパルスを成形することができる。AO変調器の前にスイッチミラーをセットして、AO変調器に通さずに連続光レーザーとしても使用できるようにした。以上の行程により、パルスレーザー加熱を行うことができるようになり、超イオン相から氷への相転移メカニズムを調べることが可能となった。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

氷とMgOの融点計測に成功した。さらに、パルスCO2レーザーの開発にも成功した。従って、本研究の目標を達成するために必要な加熱に計測に関する技術開発は完了し、超イオン相から氷への相転移メカニズムを調べる環境は整った。
水の熱拡散率計測は試料室内に金属の熱吸収体を必要とする。しかし、高温高圧下の水は高い反応性を持ち、周囲の物質と深刻な反応を起こすため、水と反応しない金属を見つける必要がある。本研究では、数種類の貴金属(レニウム、プラチナ、金、イリジウム)を水で満たされた試料室内に別々に含ませて、高圧高温状態を生成した。加熱後のラマンスペクトルは、どの金属を用いた場合でも加熱前よりも水の分子振動モードのピーク強度が極端に下がっていることがわかった。従って水は上記の金属全てと反応することが明らかとなり、本研究の手法で熱拡散率計測を行うことが困難であることがわかった。
しかし一方で、CO2レーザーは惑星科学に対して重要なメタン、アンモニアといった軽元素分子の加熱に適している。さらに、これまでの研究で開発した融解判断基準法は、MgOの融点計測でも実証できたように、水以外の物質でも適用できる。従って、これまで開発した技術を使ってメタンやアンモニアの高圧下の融点及び分解挙動を調べることができる。
以上のように、熱拡散率計測を行うための技術開発には成功したが、水の高い反応性の問題により計測を実現することが難しいことがわかった。しかし、開発した技術と手法は水以外の物質にも応用できることを明らかにしたため、研究はやや遅れているが、今後の方針は明確である。

Strategy for Future Research Activity

1. 開発した加熱技術を用いて、超イオン相から氷への相転移メカニズムを解明する。目的の圧力までダイヤモンドアンビルセルで圧縮した氷試料にパルスレーザーによる加熱を行い、加熱後の冷却過程における試料の温度履歴を計測する。超イオン相から氷への転移が一次相転移であれば、潜熱に伴った温度減少の停滞が観察されることが予想される。このように、温度履歴計測により、超イオン相から氷への相転移メカニズムを明らかにする。
2. 高圧力下のメタンとアンモニアの融点を計測する。氷、MgOの融点計測と同様の方法を用いて、融点の決定を試みる。高圧力下での試料のレーザー出力と試料温度の関係を調べる。この関係内に見られる、加熱効率の不連続な変化に相当する温度を融点とする。

Expenditure Plans for the Next FY Research Funding

当初予定していた学会の参加を見送り、代わりに次年度の別の国際学会に参加することにしたため。また、装置開発に必要な実験消耗品と研究成果投稿料の一部を別の予算から支払ったため。
ダイヤモンドアンビルとして20万円。学会出張費として20万円。論文投稿料として4万円。

Research Products

• [Journal Article] Melting temperatures of H2O up to 72 GPa measured in a diamond anvil cell using CO2 laser heating technique (2014)
  • Author(s): T. Kimura, Y. Kuwayama, T. Yagi
  • Journal Title: The Journal of Chemical Physics Volume: 140 Pages: 074501
  • DOI: 10.1063/1.4865252
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Melting experiments on MgO at high pressures using a CO2 laser-heated diamond anvil cell (2014)
  • Author(s): T. Kimura, H. Ohfuji, M. Nishi
  • Organizer: AOGS 11th Annual meeting
  • Place of Presentation: ロイトン札幌ホテル
  • Year and Date: 20140728-20140801
• [Presentation] Melting temperatures of H2O up to 70 GPa measured in a CO2 laser-heated diamond anvil cell (2014)
  • Author(s): T. Kimura, Y. Kuwayama, T. Yagi
  • Organizer: AOGS 11th Annual meeting
  • Place of Presentation: ロイトン札幌ホテル
  • Year and Date: 20140701-20140801
• [Presentation] CO2レーザー両側加熱ダイヤモンドアンビルセルを用いたMgO-MgSiO3系の溶融実験 (2014)
  • Author(s): 大西里佳, 木村友亮, 桑山靖弘
  • Organizer: JpGU Meeting 2014
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜
  • Year and Date: 20140428-20140502
• [Presentation] CO2レーザー加熱ダイヤモンドアンビルセル内で計測された水の70 GPaまでの融解曲線 (2014)
  • Author(s): 木村友亮, 桑山靖弘, 八木健彦
  • Organizer: レーザー研シンポジウム2013
  • Place of Presentation: 大阪大学
  • Year and Date: 20140416-20140417
• [Presentation] H2O-CH4-NH3混合液体のレーザー衝撃圧縮による惑星内部物質探査 (2014)
  • Author(s): 奥地拓生, 尾崎典雅, 喜田美佳, 佐野孝好, 木村友亮, 小川剛史, 宮西宏併, 近藤良彦, Tsung-Han Yang, 池谷正太郎, 佐藤友哉, 佐野智一, 清水克哉, 寺井智之, 坂和洋一, 兒玉了祐
  • Organizer: レーザー研シンポジウム2013
  • Place of Presentation: 大阪大学
  • Year and Date: 20140416-20140417
• [Presentation] H2OとD2Oのパワーレーザー衝撃圧縮による超高圧物性計測 (2014)
  • Author(s): 奥地拓生, 尾崎典雅, 木村友亮, 喜田美佳, 小川剛史, 掛下知行, 宮西宏併, 佐野孝好, 佐野智一, 清水克哉, 寺井智之, 坂和洋一, 兒玉了祐
  • Organizer: 平成25年度衝撃波シンポジウム
  • Place of Presentation: 青山学院大学
  • Year and Date: 20140305-20140307
• [Presentation] 高圧下における水および混合物の物性計測 (2013)
  • Author(s): 喜田美佳, 尾崎典雅, 奥地拓生, 木村友亮, 佐野孝好, 浅海雄人, 池谷正太郎, 浦西宏幸, 小川剛史, 近藤良彦, 佐藤友哉, 中塚和樹, 宮西宏併, 揚宗翰, 横山尚也, 坂和洋一, 兒玉了祐
  • Organizer: 第54回高圧討論会
  • Place of Presentation: 新潟コンベンションセンター
  • Year and Date: 20131114-20131114
• [Presentation] Warm dense water in 100 GPa regime (2013)
  • Author(s): N. Ozaki, T. Kimura, T. Okuchi, T. French, M. Kakeshita, M. Kita, K. Miyanishi, R. Redmer, T. Sano, K. Shimizu, T. Terai, R. Kodama
  • Organizer: APS-SCCM and AIRAPT-24 Joint Conference
  • Place of Presentation: Seattle, USA
  • Year and Date: 20130707-20130712
• [Presentation] Hugoniot temperature measurements of Sapphire using laser induced decaying shocks (2013)
  • Author(s): T. Sano, N. Ozaki, T Kimura, K. Miyanishi, R. Kodama, T. Tsuchiya, T. Sakaiya, K. Shigemori, T. Kadono, Y. Hironaka, M. Ikoma, T. Okuchi, T. Sekine
  • Organizer: APS-SCCM and AIRAPT-24 Joint Conference
  • Place of Presentation: Seattle, USA
  • Year and Date: 20130707-20130712
• [Presentation] Melting temperature measurements of water using a laser-heated diamond anvil cell technique with CO2 laser (2013)
  • Author(s): T. Kimura, Y. Kuwayama
  • Organizer: JpGU Meeting 2013
  • Place of Presentation: 幕張メッセ国際会議場
  • Year and Date: 20130519-20130524
• [Presentation] 地球深部物質の高温高圧実験に向けたCO2レーザー両側加熱装置の開発 (2013)
  • Author(s): 大西里佳, 木村友亮, 桑山靖弘
  • Organizer: JpGU Meeting 2013
  • Place of Presentation: 幕張メッセ国際会議場
  • Year and Date: 20130519-20130524
• [Presentation] イオン性流体-プラズマ遷移領域における水および混合物の物性計測実験 (2013)
  • Author(s): 喜田美佳, 尾崎典雅, 奥地拓生, 木村友亮, 佐野孝好, 坂和洋一, 兒玉了祐
  • Organizer: JpGU Meeting 2013
  • Place of Presentation: 幕張メッセ国際会議場
  • Year and Date: 20130519-20130524
• [Presentation] 高強度レーザーを用いたスーパーアース内部状態の生成と観測 (2013)
  • Author(s): 尾崎典雅, 木村友亮, 奥地拓生, マルティンフレンチ, 掛下知行, 喜田美佳, 宮西宏併, ロナルドレドマー, 佐野孝好, 佐野智一, 清水克哉, 寺井智之, 兒玉了祐
  • Organizer: JpGU Meeting 2013
  • Place of Presentation: 幕張メッセ国際会議場
  • Year and Date: 20130518-20130524
• [Remarks] 愛媛大学 地球深部ダイナミクス研究センター
  • URL: http://www.ehime-u.ac.jp/~grc/