| 研究課題/領域番号 |
16K13902
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| 研究機関 | 東北大学 |
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研究代表者 |
鎌田 誠司 東北大学, 学際科学フロンティア研究所, 助教 (30611793)
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| 研究期間 (年度) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| キーワード | 地球核 / 高圧 / ダイヤモンドアンビルセル / 金属ガラス / 非晶質物質 / 構造 / 密度 |
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| 研究実績の概要 |
地球核は，液体である外核と固体である内核からなる．核は主に鉄からなり，それに加えて軽元素が含まれる．本研究では液体である外核の物理的性質を明らかにするために，当初高温下での鉄系液体の構造測定を行なうことを計画していたが，鉄を主成分とする金属ガラスの構造測定と密度測定を行ない，まず測定・解析法の確立を行なう．そして，手法を確立できた暁には高温下での液体の構造と密度測定へと応用していく．
本年度に行なった実験は，FeSを高圧下において加熱し，融解判定と緩慢散乱パターン取得を試みた．本実験では，加熱時に試料を保持することが難しく，加熱試料からの緩慢散乱パターン測定を行なえなかった．そこで，まずは非晶質物質である鉄系金属ガラスを用いて緩慢散乱取得を試みた．常圧下での鉄系金属ガラスの緩慢散乱パターンを取得し，ダイヤモンドアンビルセルに封入した試料からの緩慢散乱パターンの取得を試みた．緩慢散乱を得るために用いたX線のエネルギーは30 keVであった．試料と検出器の距離を通常測定よりも近づけ，また試料を回転し回折角度を広くとるなどの工夫をした結果，90 nm-1までの領域で測定が可能であることが分かった．一方で精度の良い解析には120～130 nm-1程度までの領域での測定が必要とされている．したがって，X線のエネルギーを50 keVへ変更し測定を試みた．その結果，150 nm-1程度まで測定領域を広げることができた．常圧下での測定と高圧発生装置ダイヤモンドアンビルセル（DAC）内に入れた測定を10 GPaまで行なった．高圧になるほど試料からの散乱強度が弱くなったため，試料の量を増やす必要がある．今後は，まずは圧力媒体なしでの測定を行ない，100 GPaを超える条件までデータ取得を試みる．また，データ解析の際に，密度情報も必要であるため，吸収法による密度測定を行なう．
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| 現在までの達成度 (区分) |
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
本研究では，DAC中にある試料に対してレーザー加熱を行ない，融けた状態での緩慢散乱を取得することで液体の構造を推定することが目的である．しかしながら高温下での液体を高温状態で保持することがむずかしく，データ取得することが困難であることが多い．本研究においてもレーザー加熱中の試料からの緩慢散乱取得に成功しなかった．したがって，前述したように液体のアナログ物質である金属ガラスを用いて測定を行なった．
これまでに常圧下における測定から高圧下における測定まで鉄系金属ガラスを用いて行なった．十分なデータを得られるかを確認するために回折パターンを30 keVのＸ線によって取得した．得られたデータ範囲としては90 nm-1と若干不十分であることが分かったため，50 keVへと変更し測定を行なった．その結果測定範囲として120～130 nm-1と十分なデータが得られた．測定範囲としては十分なデータを取れることが分かった．一方で，DACに加圧の際は圧力媒体を入れた状態で加圧したところ，10 GPaを超える圧力では試料からのシグナルが弱くなるという問題があった．そのため，今後は試料の量を多くして対応する．
以上のように，非晶質物質である金属ガラスからの緩慢散乱パターンを取得することに成功した．また，10 GPa程度までの圧力範囲においてデータ取得に成功した．以上のことから，おおむね順調に進行していると判断した．
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| 今後の研究の推進方策 |
これまでに，室温下において常圧から10 GPa程度までの高圧下において鉄系金属ガラスからの緩慢散乱パターンを取得することに成功した．一方で高圧ほど試料からのシグナル強度が弱くなった．この問題を解決するために，まず試料の量を多くすることで対応する．また，圧媒体についても可能な限り軽い元素からなる圧媒体を選定することで試料からのシグナル強度を得ることを試みる．
得られたデータの解析を行なうためには高圧下での密度情報が必要である．したがって，非晶質物質の密度測定に用いられている吸収法を用いた密度測定に着手する．放射光施設においてテスト測定を常圧で行ない，DACを用いた高圧下での測定を行なえるようにする．まず，密度を測定可能な結晶を用いて，吸収法による密度測定とＸ線回折パターンから得た密度がよい一致を示すかを確認する．吸収法による密度測定が十分な精度があることを確認した後非晶質物質について測定を行なう．このようにして高圧下での密度情報を得たのち，非晶質物質の構造解析を進めていく．
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