2019 Fiscal Year Annual Research Report
集束イオンビームを用いたルミネッセンスイメージングの開発と鉱物組織の三次元観察
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18H01298
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
鹿山 雅裕 東京大学, 大学院総合文化研究科, 助教 (30634068)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
三宅 亮 京都大学, 理学研究科, 准教授 (10324609)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | カソードルミネッセンス / 鉱物 / 集束イオンビーム / 三次元ナノイメージング / シリアルセクショニング / 地質温度計・圧力計 / 年代測定法 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
鉱物の三次元ナノイメージングシステムの開発を実現し、シリアルセクショニングによる鉱物の微細組織をルミネッセンスや電子線などの信号から三次元的に解析することにより革新的な新しい地球惑星科学への応用を実施することが本研究の目的である。
本イメージングシステムを構築するために、京都大学に設備されている収束イオンビーム加工装置に高空間分解能カソードルミネッセンス検出器や後方散乱電子検出器などの各種アタッチメントを装着し、イオンビームで鉱物粒子の表面を削剥しながら各種信号を検出するシリアルセクショニングによりサブミクロンオーダーの鉱物の微細組織の三次元的情報を得ることが可能となる。鉱物には火山活動におけるマグマの温度変遷を反映した累帯構造を持つ石英や長石、放射性元素の核分裂によりフィッショントラックが多数生じたジルコン、地球への天体衝突時に生じたラメラ状の衝撃変成組織を有する石英を選定した。
従来の二次元的観察では、微細組織に関する情報はあくまで定性的なものであり、また様々な分析手法と組み合わせることで火成活動や変成作用との関連を見出していたにすぎない。一方で、各々の組織をルミネッセンス及び後方散乱電子像のシリアルセクショニングにより三次元的に解析することにより、二次元情報で生えられなかった鉱物組織の立体的形状や高空間分解能密度分布、さらには結晶学的方位との関係性の定量化などの実現が期待される。得られた微細組織の立体的形状や密度、結晶学的方位からマグマ活動における熱史や年代測定、天体衝突時に発生した圧力を推定することが可能となる。
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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
三次元ナノイメージングシステムの開発については既に前年度までの研究活動により開発が完了しており、半導体や発行体物質などの発光体を使用した二次元及び三次元画像撮影を実現することができた。具体的には、光物性や材料科学で頻繁に用いられるLEDであるガリウムヒ素は非常に強い発光を有し、その発光特性の詳細も明らかにされていることから、この発光体試料に対してシリアルセクショニングによるカソードルミネッセンス画像撮影を実施しており、サブミクロンオーダーでの円状組織や結晶形態などの微細組織に対する三次元的な像観察を実現するに至った。また、地球上で生じた天体衝突により約6500万年前に形成したチクシュルーブ・クレーターに産する石英についても三次元イメージング解析を実施しており、天体衝突時に発生した衝撃波により石英粒子内に生成したマイクロメートルオーダーのラメラ状の衝撃変成組織をカソードルミネッセンス及び後方散乱電子像を用いて三次元画像を取得するに至った。これにより得られた情報は、光学顕微鏡やEBSD分析の結果と調和的であり、ルミネッセンスによる三次元画像解析では従来の方法では得られなかった組織の立体的形状と結晶方位との関係に関する情報を取得できることが期待される。また、カソードルミネッセンス及び後方散乱電子像により得られた三次元情報と各粒子の結晶方位に関する特性とを比較検討することで、衝撃波により発生した圧力の推定や岩石・粒子内での圧力分布解析が期待される。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の研究計画として、シリアルセクショニングによる三次元画像解析に適した鉱物試料の選定と革新的な地球惑星科学への新たな応用の実現を検討している
試料の選定については、本研究プロジェクトで実施する実験・分析に適切な鉱物試料を光学・電子顕微鏡を用いて既にいくつか検討している。従って、選定した鉱物を対象としたカソードルミネッセンスや後方散乱電子像による三次元画像解析を試み、鉱物組織に関する三次元的情報を取得する。
鉱物試料には、火山活動におけるマグマの温度変遷を反映した累帯構造を有する石英と長石を光学・電子顕微鏡さらには二次元ルミネッセンス画像により確認する。ジルコンについてはフッ酸処理によるエッチングでフィッショントラックと呼ばれる核分裂の痕跡が卓越した試料を選定する。さらには天体衝突による衝撃波で粒子内にμmオーダーでのラメラ状のガラス質な衝撃変成組織が発達した石英については前述したチクシュルーブ・クレーターの石英のほかにフレデフォートやリース・クレーターなどの地球上の天体衝突史において重要な試料についても分析に供する。特に衝撃変成組織を有する石英については、一段式火薬銃による衝撃実験で衝突現象を模擬した試料と地球上の各クレーター試料を比較することでシリアルセクショニングによる三次元画像解析から衝撃変成組織と結晶学的方位の関係性を見出し、それを基に既存の衝撃変成組織による圧力推定手法をより高度にアップデートする。
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