核-マントル物質の精密高圧実験技術の開発

2015 年度 実績報告書

• 研究領域: 核－マントルの相互作用と共進化～統合的地球深部科学の創成～
• 研究課題/領域番号: 15H05829
• 研究機関: 愛媛大学
• 研究代表者: 入舩 徹男 愛媛大学, 地球深部ダイナミクス研究センター, 教授 (80193704)
• 研究分担者: 山崎 大輔 岡山大学, 地球物質科学研究センター, 准教授 (90346693) ; 小松 一生 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 准教授 (50541942) ; 西 真之 愛媛大学, 地球深部ダイナミクス研究センター, 助教 (10584120) ; 境 毅 愛媛大学, 地球深部ダイナミクス研究センター, 助教 (90451616) ; 石松 直樹 広島大学, 理学研究科, 助教 (70343291)
• 研究期間 (年度): 2015-06-29 – 2020-03-31
• キーワード: 実験技術開発 / 焼結ダイヤモンド / ヒメダイヤ / 中性子 / 放射光X線吸収実験

研究実績の概要

平成27年度は立ち上げ期と考え、下記のような技術開発を中心とした研究に着手し一定の成果があげられた。
１．ナノ多結晶ダイヤモンド（NPD）合成技術の改良による、安定した大型・高品質NPD合成法の最適化を目指し、地球深部ダイナミクス研究センター（GRC）の超大型マルチアンビル高圧合成装置BOTCHAN-6000の調整と、合成プロセスの見直しを行った。この結果5割以上の確率で高品質NPDの合成が可能になった。
２．ダイヤモンドアンビル装置の１対のアンビルとして平板状NPDを用いた超高圧発生試験を行うとともに、ボロンをドープしたCVDダイヤモンド電極を用い、電気伝導度測定を可能にする新たなシステムを開発し、30GPa領域でのルーチン的測定が可能になった。また同様の加圧装置を用いて、加熱システムのテストを開始した。一方で、SPring-8におけるNPD-DACを用いた高温高圧下での放射光Ｘ線吸収実験を本格的に開始した。また、この分野で先行しているESRFとGRC間の学術交流協定を締結することにより連携を強め、共同研究を推進するための体制を整備した。更に大型NPDを用いた中性子実験用高圧装置のデザイン改良を行い、10GPa領域での圧力発生試験を試みた。
３．焼結ダイヤモンド（SD）アンビルを用いたマルチアンビル装置（SD-MA）による、100GPa領域で1300K程度の高温発生試験、また60GPa領域で2300K領域の高温高圧発生技術を開発した。また、新しく開発されたバインダレス超硬合金アンビルを導入し、これを用いたマルチアンビル装置により、放射光その場観察実験に基づく圧力発生試験を行い、常温下で50GPa程度の超硬合金アンビルを用いた最高発生圧力を確認した。
以上のような技術開発に基づき下部マントル物質の相関係や密度変化、Feの電子構造変化などについての実験を開始した。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

平成27年度は計画研究実施期間が半年余りと短かったが、上記のような取組がなされ順調に研究が開始された。上記のうち１．のNPD合成に関してはもう少し安定した合成技術の確立が必要であるが、超大型マルチアンビル高圧合成装置BOTCHAN-6000の変形によるものと思われるブローアウトが一定発生しており、プレス自体のオーバーホールが必要な可能性がある。一方２．のボロンをドープしたCVDダイヤモンドを電極として用いた電気伝導度測定に関しては、新たな技術としてプレスリリースを行うとともに論文投稿中である。また３．の超硬合金による50GPa領域の発生は国際的にも注目を集めており、国際誌に投稿論文がそのまま掲載された。このように、本計画研究は当初の予定どおり順調に研究がすすめられた。

今後の研究の推進方策

今後も計画通り１．高品質大型NPDの大量合成とそのアンビルへの加工に基づく新しい超高圧実験への供与、２．NPDを用いた様々なダイヤモンドアンビル装置技術の開発とそれを用いた多様な超高圧実験技術の開発、３．超硬合金、SD、NPDを用いたマルチアンビル実験技術の開発を主要な研究課題とし、その成果を他の計画研究（とりわけ高圧実験及び化学分析関連の計画研究）に開示するとともに実験指導を行い、マントル～核領域の精密実験に貢献するとともに、自らもこれらに関連した研究テーマの推進を図る予定である。

研究成果

• [雑誌論文] Xenon oxides under pressure (2016)
  • 著者名/発表者名: Dewaele, A., Worth, N., Pickard, C. J., Needs, R. J., Pascarelli, S., Mathon, O., Mezouar, M., and Irifune, T.
  • 雑誌名: Nature Chem 巻: 印刷中 ページ: 印刷中
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Pressure generation to 50 GPa in Kawai-type multianvil apparatus using newly developed tungsten carbide anvils (2016)
  • 著者名/発表者名: Kunimoto, T., Irifune, T., Tange, Y., and Wada, K.
  • 雑誌名: High Pres. Res. 巻: 印刷中 ページ: 印刷中
  • DOI: 10.1080/08957959.2016.1148149
  • 査読あり
• [雑誌論文] Chromium solubility in anhydrous phase B (2016)
  • 著者名/発表者名: Bindi, L., Sirotkina, E. A., Bobrov, A. V., Nestola, F. and Irifune, T.
  • 雑誌名: Phys. Chem. Miner. 巻: 43 ページ: 103-110
  • DOI: 10.1007/s00269-015-0777-2
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Two-Step Suppression of Charge Disproportionation in CaCu3Fe4O12 under High Pressure (2016)
  • 著者名/発表者名: Kawakami, T., Sekiya, Y., Mimura, A., Kobayashi, K., Tokumichi, K., Yamada, I., Mizumaki, M., Kawamura, N., Shimakawa, Y., Ohishi, Y., Hirao, N., Ishimatsu, N., Hayashi, N., and Takano, M.
  • 雑誌名: J. Phys. Soc. Jpn. 巻: 85 ページ: 034716/1-6
  • DOI: 10.7566/JPSJ.85.034716
  • 査読あり
• [雑誌論文] X線磁気円二色性によるラーベス相RFe2 (R=Y, Gd) 水素化物の高圧下の磁気状態の研究 (2016)
  • 著者名/発表者名: 石松 直樹, 圓山 裕, 河村 直己, 水牧 仁一朗, 中野 智志, 三井 隆也, 中村 優美子, 榊 浩司, 榎 浩利
  • 雑誌名: The SPring-8/SACLA Research Report 巻: 4-1 ページ: 2012A1385
  • 査読あり
• [雑誌論文] 2段式加圧ダイヤモンドアンビルセルによるマルチメガバールの発生 (2016)
  • 著者名/発表者名: 境毅，八木健彦，入舩徹男
  • 雑誌名: NEW DIAMOND 巻: 120 ページ: 28-29
• [雑誌論文] New constraints on upper mantle creep mechanism inferred from silicon grain-boundary diffusion rates (2015)
  • 著者名/発表者名: Fei, H., Koizumi, S., Sakamoto, N., Hashiguchi, M., Yurimoto, H., Marquardt, K., Miyajima,N., Yamazaki, D. and Katsura, T.
  • 雑誌名: Earth Planet. Sci. Lett. 巻: 433 ページ: 350-359
  • DOI: 10.1016/j.epsl.2015.11.014
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] High-pressure, high-temperature plastic deformation of sintered diamonds (2015)
  • 著者名/発表者名: Gasc, J., Wang, Y., Yu, T., Benea, I. C., Rosczyk, B. R., Shinmei, T. and Irifune, T.
  • 雑誌名: 10.1016/j.diamond.2015.09.001 巻: 59 ページ: 95-103
  • DOI: 10.1016/j.diamond.2015.09.001
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Pressure-induced dissociation of water molecules in ice VII (2015)
  • 著者名/発表者名: Iitaka, T., Fukui, H., Li, Z., Hiraoka, N. and Irifune, T.
  • 雑誌名: Sci. Rep. 巻: 5 ページ: 12551
  • DOI: 10.1038/srep12551
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Structural and chemical characterization of Mg[(Cr, Mg)(Si, Mg)]O4, a new post-spinel phase with six-fold coordinated silicon (2015)
  • 著者名/発表者名: Bindi, L., Sirotkina, E. A., Bobrov, A. V. and Irifune, T.
  • 雑誌名: Am. Mineral. 巻: 100 ページ: 1633-1636
  • DOI: http://dx.doi.org/10.2138/am-2015-5322
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Partition of al between phase D and phase H at high pressure: Results from a simultaneous structure refinement of the two phases coexisting in an unique grain (2015)
  • 著者名/発表者名: Bindi, L., Nishi, M. and Irifune, T.
  • 雑誌名: Am. Mineral. 巻: 100 ページ: 1637-1640
  • DOI: http://dx.doi.org/10.2138/am-2015-5327
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Bromine speciation in hydrous silicate melts at high pressure (2015)
  • 著者名/発表者名: Cochain, B., Sanloup, C., De Grouchy, C., Crepisson, C., Bureau, H., Leroy, C., Drewitt, J., Kantor, I. and Irifune, T.
  • 雑誌名: Chem. Geol. 巻: 404 ページ: 18-26
  • DOI: 10.1016/j.chemgeo.2015.03.015
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Strong tolerance of blue-green alga Microcystis flos-aquae to very high pressure (2015)
  • 著者名/発表者名: Ono, F., Nishihira, N., Hada, Y., Mori, Y., Takarabe, K., Saigusa, M., Matsushima, Y., Yamazaki, D. and Ito, E.
  • 雑誌名: J. Phys. Chem. Solids 巻: 84 ページ: 57-62
  • DOI: 10.1016/j.jpcs.2014.08.008
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Pressure-induced oligomerization of alanine at 25 ℃ (2015)
  • 著者名/発表者名: Fujimoto, C., Shinozaki, A., Mimura, K., Nishida, T., Gotou, H., Komatsu, K. and Kagi, H.
  • 雑誌名: Chem. Communications 巻: 51 ページ: 13358-13361
  • DOI: 10.1039/C5CC03665H
  • 査読あり
• [雑誌論文] Design and performance of high-pressure PLANET beamline at pulsed neutron source at J-PARC (2015)
  • 著者名/発表者名: Hattori, T., Sano-Furukawa, A., Arima, H., Komatsu, K., Yamada, A., Inamura, Y., Nakatani, T., Seto, Y., Nagai, T., Utsumi, W., Iitaka, T., Kagi, H., Katayama, Y., Inoue, T., Otomo, T., Suzuya, K., Kamiyama, T., Arai, M. and Yagi, T.
  • 雑誌名: Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A 巻: 780 ページ: 55-67
  • DOI: doi:10.1016/j.nima.2015.01.059
  • 査読あり
• [雑誌論文] Zr-based bulk metallic glass as a cylinder material for high pressure apparatuses (2015)
  • 著者名/発表者名: Komatsu, K., Munakata, K., Matsubayashi, K., Uwatoko, Y., Yokoyama, Y., Sugiyama, K. and Matsuda, M.
  • 雑誌名: High Press. Res. 巻: 35 ページ: 254-262
  • DOI: 10.1080/08957959.2015.1041939
  • 査読あり
• [雑誌論文] Crystal structure of magnesium dichloride decahydrate determined by X-ray and neutron diffraction under high pressure (2015)
  • 著者名/発表者名: Komatsu, K., Shinozaki, A., Machida, S., Matsubayashi, T., Watanabe, M., Kagi, H., Sano-Furukawa, A. and Hattori, T.
  • 雑誌名: Acta Crystallogr. B 巻: 71 ページ: 74-80
  • DOI: 10.1107/S205252061500027X
  • 査読あり
• [雑誌論文] Differences in local structure around Co and Fe of the BiCo1-xFexO3 system determined by x-ray absorption fine structure (2015)
  • 著者名/発表者名: Ishimatsu, N., Watanabe, T., Oka, K., Azuma, M., Mizumaki, M., Nitta, K., Ina, T., and Kawamura, N.
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 92 ページ: 054108/1-9
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.92.054108
  • 査読あり
• [雑誌論文] X-ray absorption study of the local dipole moment in SrTiO3 under uniaxial pressure (2015)
  • 著者名/発表者名: Temba, C., Kawakami, S., Nakajima, N., Ishimatsu, N., and Maruyama, H.
  • 雑誌名: J. Korean Phys. Soc. 巻: 66 ページ: 1386-1388
  • DOI: 10.3938/jkps.66.1386
  • 査読あり
• [学会発表] 純鉄の圧力誘起α-ε相転移のX線吸収分光法による構造解析 (2016)
  • 著者名/発表者名: 石松直樹
  • 学会等名: 第171回日本鉄鋼協会春季講演大会
  • 発表場所: 東京理科大学 葛飾キャンパス(東京都港区)
  • 年月日: 2016-03-23 – 2016-03-25
• [学会発表] XMCD とXAFS でみるFe とCo の圧力誘起の構造相転移と磁気相転移 (2016)
  • 著者名/発表者名: 石松直樹
  • 学会等名: 第1 回SPring-8 先端利用技術ワークショップ
  • 発表場所: グランパークプラザ(東京都港区)
  • 年月日: 2016-03-11 – 2016-03-11
  • 招待講演
• [学会発表] 放射光を利用した高圧地球惑星科学の発展と課題 (2016)
  • 著者名/発表者名: 入舩徹男
  • 学会等名: 日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム2015
  • 発表場所: 柏の葉カンファレンスセンター（千葉県柏市）
  • 年月日: 2016-01-09 – 2016-01-11
  • 招待講演
• [学会発表] Inner core dynamics inferred from grain growth of ε-iron (2015)
  • 著者名/発表者名: Yamazaki, D., Tsujino, N., Yoshino, T., Ito, E., Higo, Y. and Tange, Y.
  • 学会等名: AGU fall meeting 2015
  • 発表場所: The Moscone center(San Francisco, USA)
  • 年月日: 2015-12-14 – 2015-12-18
  • 国際学会
• [学会発表] The stability of Al,Fe-bearing phase H and a new pyrite-type hydroxide at high pressures (2015)
  • 著者名/発表者名: Nishi, M., Kuwayama, Y., J. Tsuchiya, and Irifune, T.
  • 学会等名: AGU fall meeting 2015
  • 発表場所: The Moscone center(San Francisco, USA)
  • 年月日: 2015-12-14 – 2015-12-18
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 焼結ダイヤモンドアンビルを用いた高温発生技術開発 (2015)
  • 著者名/発表者名: 有本岳史，入舩徹男，西真之，丹下慶範，國本健広
  • 学会等名: 第56回高圧討論会
  • 発表場所: JMSアステールプラザ（広島県広島市）
  • 年月日: 2015-11-10 – 2015-11-12
• [学会発表] 新開発超硬アンビルを用いた川井式マルチアンビル装置による50GPa領域の超高圧発生 (2015)
  • 著者名/発表者名: 國本健広，丹下慶範，入舩徹男，和田光平
  • 学会等名: 第56回高圧討論会
  • 発表場所: JMSアステールプラザ（広島県広島市）
  • 年月日: 2015-11-10 – 2015-11-12
• [学会発表] マルチメガバール領域での状態方程式 (2015)
  • 著者名/発表者名: 境毅
  • 学会等名: 第56回高圧討論会
  • 発表場所: JMSアステールプラザ（広島県広島市）
  • 年月日: 2015-11-10 – 2015-11-12
• [学会発表] ペロフスカイトからポストペロフスカイトへの相転移における結晶方位関係 (2015)
  • 著者名/発表者名: 山崎大輔、村上元彦、下宿彰、シューファン、瀬戸雄介、平尾直久
  • 学会等名: 第56回高圧討論会
  • 発表場所: JMSアステールプラザ（広島県広島市）
  • 年月日: 2015-11-10 – 2015-11-12
• [学会発表] 氷XV相の構造と安定性の再評価 (2015)
  • 著者名/発表者名: 小松一生，町田真一，則竹史哉，山根崚，佐野亜沙美，服部高典，鍵 裕之
  • 学会等名: 第56回高圧討論会
  • 発表場所: JMSアステールプラザ（広島県広島市）
  • 年月日: 2015-11-10 – 2015-11-12
  • 招待講演
• [学会発表] 高温高圧条件下におけるAlOOHのパイライト構造への相転移 (2015)
  • 著者名/発表者名: 西真之，桑山靖弘，土屋旬
  • 学会等名: 第56回高圧討論会
  • 発表場所: JMSアステールプラザ（広島県広島市）
  • 年月日: 2015-11-10 – 2015-11-12
• [学会発表] Feε相にみられる特異な X 線円二色性 (2015)
  • 著者名/発表者名: 内藤 卓郎，石松 直樹，圓山 裕，田中 新，河村 直 己，水牧 仁一朗
  • 学会等名: 第56回高圧討論会
  • 発表場所: JMSアステールプラザ（広島県広島市）
  • 年月日: 2015-11-10 – 2015-11-12
• [学会発表] 一軸加圧下 XRD 測定による Fe の α-ε 相転移機構の研究 (2015)
  • 著者名/発表者名: 中村 勇作，内藤 卓郎，石松 直樹，圓山 裕
  • 学会等名: 第56回高圧討論会
  • 発表場所: JMSアステールプラザ（広島県広島市）
  • 年月日: 2015-11-10 – 2015-11-12
• [学会発表] Novel multianvil technologies for deep mantle mineralogy and materials sythesis (2015)
  • 著者名/発表者名: Irifune, T.
  • 学会等名: International Seminar "High-Pressure Mineralogy: Theory and Experiment"
  • 発表場所: Moscow State University（Moscow Russia)
  • 年月日: 2015-10-22 – 2015-10-22
• [学会発表] Synthesis of nano-polycrystalline diamond and related materials (2015)
  • 著者名/発表者名: Irifune, T.
  • 学会等名: Museum, Fersman Mineralogical, Speical lecture
  • 発表場所: Museum, Fersman Mineralogical,（Moscow, Russia)
  • 年月日: 2015-10-21 – 2015-10-21
  • 招待講演
• [学会発表] ε-Fe高圧相における特異なX線円二色性 (2015)
  • 著者名/発表者名: 内藤卓郎, 石松直樹, 圓山裕, 田中新, 河村直己, 水牧仁一朗
  • 学会等名: 日本物理学会 2015年秋季大会
  • 発表場所: 関西大学，千里山キャンパス(大阪府吹田市)
  • 年月日: 2015-09-16 – 2015-09-19
• [学会発表] 大容量高圧装置を活用した地球および関連物質の高温高圧物性研究の推進 (2015)
  • 著者名/発表者名: 入舩徹男，西原遊
  • 学会等名: SPring-8シンポジウム2015
  • 発表場所: 九州大学（福岡県福岡市）
  • 年月日: 2015-09-13 – 2015-09-14
• [学会発表] SPring-8の利用による地球深部科学の発展 (2015)
  • 著者名/発表者名: 入舩徹男
  • 学会等名: SPring-8の利用による地球深部科学の発展
  • 発表場所: 九州大学（福岡県福岡市）
  • 年月日: 2015-09-13 – 2015-09-14
  • 招待講演
• [学会発表] High-pressure generation using double stage micro-paired diamond anvils (2015)
  • 著者名/発表者名: Yagi, T., Sakai, T., Ohfuji, H., Irifune, T., Ohishi, Y. and Hirao, N.
  • 学会等名: Joint AIRAPT-25 & EHPRG-53
  • 発表場所: Universidad Complutense (Madrid, Spain.)
  • 年月日: 2015-08-30 – 2015-09-04
  • 国際学会
• [学会発表] Combined in situ X-ray and electrical resistance observations of the pressure-induced phase transitions in ZnTe, ZnS, GaAs, and GaP up to 25 Gpa (2015)
  • 著者名/発表者名: Kunimoto, T., and Irifune
  • 学会等名: Joint AIRAPT-25 & EHPRG-53
  • 発表場所: Universidad Complutense (Madrid, Spain.)
  • 年月日: 2015-08-30 – 2015-09-04
  • 国際学会
• [学会発表] α-ɛ transition pathway of iron determined by x-ray absorption spectroscopy (2015)
  • 著者名/発表者名: Ishimatsu, N., Sata, Y., Naito, T., Maruyama, H., Watanuki, T., Kawamura, N., Mizumaki, M., Irifune, T. and Sumiya, H.
  • 学会等名: Joint AIRAPT-25 & EHPRG-53
  • 発表場所: Universidad Complutense (Madrid, Spain.)
  • 年月日: 2015-08-30 – 2015-09-04
  • 国際学会
• [学会発表] Double-sided CO2-laser heating technique coupled with a diamond anvil cell apperatus (2015)
  • 著者名/発表者名: Kimura, T., Kuwayama, Y., Ohnishi, S., Ohfuji, H., Shinozaki, A., Machida, S., Hirai, H. and Irifune, T.
  • 学会等名: Joint AIRAPT-25 & EHPRG-53
  • 発表場所: Universidad Complutense (Madrid, Spain.)
  • 年月日: 2015-08-30 – 2015-09-04
  • 国際学会
• [学会発表] X-ray absorption spectroscopy under extremes (2015)
  • 著者名/発表者名: Pascarelli, S., Mathon, O., Kantor, T., Torchio, R. and Irifune, T.
  • 学会等名: Joint AIRAPT-25 & EHPRG-53
  • 発表場所: Universidad Complutense (Madrid, Spain.)
  • 年月日: 2015-08-30 – 2015-09-04
  • 国際学会
• [学会発表] Structural properties of carbonate-silicate melts: an EXAFS study on Y and Sr (2015)
  • 著者名/発表者名: Pohlenz, J., Pascarelli, S., Mathon, O., Belin, S., Shiryaev, A., Safonov, O., Veligzhanin, A., Murzin, V., Irifune, T. and Wilke, M.
  • 学会等名: Goldschmidt2015
  • 発表場所: Prague Congress Centre (Prague, CZ）
  • 年月日: 2015-08-16 – 2015-08-21
  • 国際学会
• [学会発表] In-situ neutron diffraction study for ice XV – a revisit to its stability region (2015)
  • 著者名/発表者名: Komatsu, K., Machida, S., Hattori, T., Sano-Furukawa, A., and Kagi H.
  • 学会等名: 2nd Asia-Oceania Conference on Neutron Scattering (AOCNS 2015)
  • 発表場所: Novotel Sydney Manly Pacific（Sydney, Austraria)
  • 年月日: 2015-07-19 – 2015-07-23
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考] http://www.grc.ehime-u.ac.jp/