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論文

Energy-dispersive X-ray diffraction study of liquid gallium under high pressure at elevated temperatures

Yagafarov, O.; 片山 芳則; Brazhkin, V. V.*; Lyapin, A. G.*; 齋藤 寛之

High Pressure Research, 33(1), p.191 - 195, 2013/01

 被引用回数:5 パーセンタイル:39.53(Physics, Multidisciplinary)

The structure of liquid gallium has been studied along the melting curve from 0.64 GPa to 5.6 GPa by the energy dispersive X-ray diffraction technique, followed by modeling of the experimental data by the reverse Monte-Carlo (RMC) method. Analysis of the structure factor $$S(Q)$$ and the radial distribution function $$g(r)$$ shows that anisotropic local structure of liquid Ga deviates from that of a simple hard-sphere-like liquid metal structure. Its contraction is non-uniform, and the local structure changes with increasing pressure. Analysis of the radial distribution function $$g(r)$$ by a distorted-crystalline model shows that at lower pressures liquid consists of two species similar to the solid Ga I and Ga II structures. The fraction of Ga I-like part is about $$0.2pm0.05$$ at 0.64 GPa, and it gradually decreases under pressure to zero at approximately $$7.5pm0.5$$ GPa.

論文

Energy dispersive X-ray diffraction and reverse Monte Carlo structural study of liquid gallium under pressure

Yagafarov, O.; 片山 芳則; Brazhkin, V. V.*; Lyapin, A. G.*; 齋藤 寛之

Physical Review B, 86(17), p.174103_1 - 174103_9, 2012/11

 被引用回数:26 パーセンタイル:71.2(Materials Science, Multidisciplinary)

The structure of liquid gallium has been studied along the melting curve from 0.64 GPa to 5.6 GPa by the energy dispersive X-ray diffraction technique with subsequent modeling of experimental data by the reverse Monte Carlo (RMC) method. Analysis of the structure factor ${it S(Q)}$ and radial distribution function ${it g(r)}$ shows that anisotropic local structure of liquid Ga deviates from the simple hard-sphere-like liquid metal-like. Whereas the 3rd and 4th coordination shell positions and the reverse 1st maximum of ${it S(Q)}$ demonstrate pressure dependencies close to a uniform compression scaled by the (${it $frac{V}{V_{0}}$}$)$$^{1/3}$$ volume relation, the positions of the 1st (especially) and 2nd coordination spheres have more flat pressure dependencies. At the same time, the first and second coordination numbers increase: the first coordination number starts from 10-10.5 and increases by $$approx$$5% in the studied pressure interval. This indicates that liquid gallium contraction is non-uniform and the local structure changes with pressure increase. Analysis of the radial distribution function ${it g(r)}$ by a distorted-crystalline model shows that at lower pressures liquid consists of two species similar to the solid GaI and GaII structures. The fraction of GaI-like part is about 0.2$$pm$$0.05 at 0.64 GPa and gradually decrease under pressure to zero at estimated 7.5$$pm$$0.5 GPa.

論文

Densified low-hygroscopic form of P$$_{2}$$O$$_{5}$$ glass

Brazhkin, V. V.*; Akola, J.*; 片山 芳則; 小原 真司*; Kondrin, M. V.*; Lyapin, A. G.*; Lyapin, S. G.*; Tricot, G.*; Yagafarov, O.

Journal of Materials Chemistry, 21(28), p.10442 - 10447, 2011/07

 被引用回数:16 パーセンタイル:46.57(Chemistry, Physical)

P$$_{2}$$O$$_{5}$$は高い吸湿性を持つ典型的なガラス形成酸化物である。われわれは超高圧下でP$$_{2}$$O$$_{5}$$融体を急冷することで、通常よりも12%も高い密度を持つガラスを作ることに成功した。このガラスは吸湿性が少なく、数週間空気中で安定である。この新しい形態のガラスの構造解析によって、ガラス中のナノ空孔の体積が減少していることが明らかになった。

口頭

放射光と中性子を用いた液体・非晶質の構造研究

片山 芳則; Yagafarov, O.; 服部 高典; 鈴谷 賢太郎; 稲村 泰弘; 千葉 文野*; 大友 季哉*; Temleitner, L.*; 小原 真司*

no journal, , 

現在J-PARC/MLFで建設が進められている高圧中性子ビームラインを用いることによって、水をはじめとする液体や非晶質固体の構造解析を行うことを目指している。本発表では、高温高圧下の水についての放射光X線回折実験を用いた研究や、X線と中性子のデータを用いたリバースモンテカルロ法による永久高密度化した石英ガラスの構造モデルの作成など、高圧中性子実験に向けた研究について紹介する。

口頭

高温高圧下の水の中性子散乱実験に向けて

片山 芳則; Yagafarov, O.; 服部 高典

no journal, , 

2010年の秋に稼働が予定されているJ-PARCの超高圧中性子回折装置PLANETを用いて、高温高圧下の水の構造研究を行うことを計画している。これまでの放射光実験及び分子動力学シミュレーションによる研究で、水の構造が圧力や温度によって大きく変化することが明らかにされてきた。しかし、水素に関する実験的な情報は限られており、水素結合の温度圧力変化を解明するには、中性子回折実験が不可欠である。本講演では、研究の背景及び、実験のためのセル開発や解析方法などの準備状況を紹介する。

口頭

Densified silica glass study by RMC simulation using X-ray and neutron diffraction data

Yagafarov, O.; 小原 真司*; Temleitner, L.*; 稲村 泰弘; 片山 芳則

no journal, , 

In the nearest future it will be possible to complement high pressure X-ray measurements at synchrotrons with neutron diffraction study at J-PARC. One possible way to analyze both experimental data in combination is to use the Reverse Monte Carlo (RMC) algorithm to derive structures of disordered materials. Here we analyze previously measured X-ray and neutron diffraction data on densified silica glass SiO$$_{2}$$. High pressure study of this archetypal glass is still challenging. One of the main issues is understanding of permanent densification mechanism under compression. In order to verify topological changes by analyzing structures directly, we used RMC simulation to build 3D structural models of normal (2.2g/cm$$^{3}$$) and densified (2.45g/cm$$^{3}$$ and 2.63g/cm$$^{3}$$) glass. Derived RMC models (each made of 6000 atoms) accurately reproduces the experimental data and gives reasonable rings statistics and bond angle distributions.

口頭

Densified SiO$$_{2}$$ glass study by RMC simulation using X-ray and neutron diffraction data

Yagafarov, O.; 小原 伸司*; Temleitner, L.*; 稲村 泰弘; 片山 芳則

no journal, , 

Vitreous silica has been subject of interest and intensive research for a long time due to its both fundamental and applied importance. One of the most intriguing topics is its permanent densification mechanism under pressure (above 10 GPa at room temperature). Here we present study of previously measured X-ray and neutron diffraction data on normal and densified silica glass by means of the Reverse Monte Carlo (RMC) method.

口頭

Structural study of liquid gallium under pressure

Yagafarov, O.; 片山 芳則; Brazhkin, V. V.*; Lyapin, A. G.*; 齋藤 寛之

no journal, , 

Study of gallium structure over a wide pressure- temperature range is of significant fundamental interest. Due to co-action of metallic and covalent characters of bonding gallium is known as a highly polymorphic metal showing uncommon physical properties even at ambient conditions. There have been many experimental and theoretical studies of gallium. However, accurate experimental studies of gallium melt under compression are still challenged by the difficulties of the high-pressure measurements. We present detailed in-situ X-ray diffraction study of gallium melt along the melting curve up to 5.6 GPa at 300-393 K.

口頭

Structure of water under high pressure and high temperature

片山 芳則; Yagafarov, O.; 池田 隆司; 齋藤 寛之; 青木 勝敏; 服部 高典; 福井 宏之*; 丹下 慶範*; 舟越 賢一*

no journal, , 

常圧での水は特異な性質を示すが、これらは水素結合によるネットワーク構造と関係している。われわれは水の構造の圧力変化を調べるために、X線回折実験をSPring-8の放射光とマルチアンビル型プレスを組合せて20GPaの圧力まで行った。これによって、融点直上では、約4GPaまで水分子間の距離はほとんど変わらず、分子の配位数が急速に増加することがわかった。一方、高密度水の第一原理動力学シミュレーション結果から、水の構造変化には温度が重要であることが示されたため、比較的低圧で、温度を変化させたX線回折実験を行った。その結果は、温度によって水素結合液体から単純な液体への構造変化が起きることを支持するものであった。

口頭

Extended structural study of gallium melt under pressure

Yagafarov, O.; 片山 芳則; Brazhkin, V. V.*; Lyapin, A. G.*; 齋藤 寛之

no journal, , 

We present an energy dispersive X-ray diffraction study of gallium melt in a wide $$p$$-$$T$$ range (up to 8.5 GPa, 800 K), combined with the reverse Monte Carlo (RMC) modeling. Analysis of the experimental $$S(Q)$$ and $$g(r)$$ data shows that anisotropic local structure of liquid Ga deviates from that of a simple hard-sphere-like liquid metal structure. Our data suggests a gradual change of gallium melt to simple hard-sphere-like liquid metal at $$sim$$15 GPa. Analysis of the RMC modeled atomic configurations supports the view that the liquid gallium structure approaches a simple-liquid-like structure. Analysis of the radial distribution function $$g(r)$$ by a distorted-crystalline model shows that at lower pressures liquid can be described as consisting of two species similar to the solid Ga I and Ga II structures. The fraction of Ga I-like part is about $$0.2pm0.05$$ at 0.64 GPa, it gradually decreases under pressure to zero at $$7.5pm0.5$$ GPa.

口頭

石英ガラスの高圧下中性子回折測定の可能性

片山 芳則; Yagafarov, O.; 町田 晃彦; 服部 高典; 佐野 亜沙美; 小松 一生*; 大友 季哉*

no journal, , 

数GPaまでの高圧下でのガラスの中性子回折の可能性をテストするために、大強度陽子加速器施設J-PARCの高強度全散乱装置NOVAを用いて、パリーエジンバラ型高圧装置の中の石英ガラス試料の測定を常温常圧の条件で測定した。試料はレンズの形をしており、直径6mm,厚さ4.4mmである。この試料を二つのタングステンカーバイド製のアンビルとTiZr製のリング状のガスケットが取り囲んでいる。入射中性子ビームはアンビルを通り、散乱ビームはガスケットを通る。測定時間は約20時間である。バナジウムの試料と空のガスケットもリファレンスとして測定された。波数の関数としての強度には明瞭な振動が観測され、ガラスの測定が可能であることが確かめられた。

口頭

高圧下の液体ガリウムの構造

Yagafarov, O.; 片山 芳則; Brazhkin, V. V.*; Lyapin, A. G.*; 齋藤 寛之

no journal, , 

ガリウムは常温常圧でGa$$_{2}$$が基本となった特異な結晶構造を持つ。また温度や圧力の変化で多様な相転移を起こす。液体状態でも剛体球で近似されるような単純な液体の構造で完全に表すことはできない。本研究では、最新の測定技術及びデータ解析手法、より信頼性の高い密度データ、微結晶モデルやリバースモンテカルロ法などの解析手法を用いることで、液体ガリウムの高温高圧下での構造変化の詳細を調べた。SPring-8の原子力機構ビームラインBL14B1に設置されたキュービック型マルチアンビル装置を用いた白色X線回折法により、5.6GPaまでの融点直上及び約4.3GPaでの温度変化の測定を行った。融点直上の測定からは、加圧によってより単純な液体の構造へ近づいていく様子が、配位数の増加、高圧結晶相に類似した構造への接近などの点から明らかになった。

口頭

J-PARC/MLFの超高圧中性子回折計を用いた石英ガラス及び水の測定

片山 芳則; 服部 高典; Yagafarov, O.*; 齋藤 寛之; 佐野 亜沙美; 鈴谷 賢太郎; 千葉 文野*

no journal, , 

J-PARC/MLFに建設された超高圧回折計PLANETのターゲットの一つに非晶質や液体の高圧での構造変化の研究がある。PLANETを用いた初めての測定として、典型的なガラスである石英ガラスの測定を行った。強度補正用にセルに入れたバナジウム及び空セルの測定も行った。加圧には6軸プレスを用い、アンビルは10mm及び7mm角、圧媒体はジルコニアを用いた。石英試料は直径4.6mm、高さ6.7mmの円柱状のものを用い、入射ビームは横2.5mm、高さ4.5mmと試料サイズよりも小さく絞った。測定圧力は約2.3, 5.5, 7.5, 9.9GPaである。ラジアルコリメーターの利用により、ジルコニアの回折線の混入がないきれいなガラスのパターンが測定された。次に重水の測定を試みた。重水は内径4.8mm、試料高さ2.5mmのTiZr製のカプセルに封入した。約0.8GPaで室温、100$$^circ$$C及び200$$^circ$$Cの測定を行ったところ、顕著な温度変化が観測された。今後の解析によって、常温での水素結合による氷に似た秩序が温度上昇によって変化する様子が明らかになると期待される。

口頭

First HT HP liquid data using a high-pressure neutron diffractometer, PLANET, in J-PARC/MLF

片山 芳則; Yagafarov, O.*; 服部 高典; 千葉 文野*; 佐野 亜沙美; 齋藤 寛之; 鈴谷 賢太郎; 大友 季哉*

no journal, , 

J-PARC/MLFに建設された超高圧回折計PLANETが建設された。PLANETを用いた初めての非晶質の測定として、まず典型的なガラスである石英ガラスの測定を行った。加圧には6軸プレスを用い、圧媒体はジルコニアを用いた。測定圧力は約2.3, 5.5, 7.5, 9.9GPaである。ラジアルコリメーターの利用により、ジルコニアの回折線の混入がないきれいなガラスのパターンが測定された。次に初めての高温高圧下の液体測定として、重水の測定を試みた。重水は内径4.8mm、試料高さ2.5mmのTiZr製のカプセルに封入し、グラファイトのチューブヒーターを用いて、約0.8GPaで室温、100度および200度の測定を行ったところ、顕著な温度変化が観測された。今後の解析によって、常温での水素結合による氷に似た秩序が温度上昇によって変化する様子が明らかになると期待される。

口頭

J-PARC超高圧中性子回折装置を用いた石英ガラスの高圧中性子回折実験

服部 高典; Yagafarov, O.*; 片山 芳則; 佐野 亜沙美; 齋藤 寛之; 千葉 文野*; 稲村 泰弘; 鈴谷 賢太郎; 大友 季哉*

no journal, , 

石英ガラスはSiO$$_{4}$$四面体を構成ユニットとしたガラスである。SiO$$_{4}$$四面体で多員環(中距離秩序)をつくっているため構造中に隙間が多く、加圧により密度の顕著な増加が見られる。常温下で約8GPaまで加圧すると、中距離構造に変化を起こし、密度が約20%増加する。この常温下での加圧では、構造緩和が起きないために、脱圧後、密度が元に戻る。一方、高圧下で加熱すると構造緩和が起き、回収後も高密度状態が保たれ、通常のガラスに比べ最大で20%ほど密度の高いガラスが得られる(永久高密度化)。この永久高密度化の微視的機構に関して、これまでいろいろ調べられてきたが、その微視的機構に関して、いまだよく分かっていない。今回、それを明らかにするために、最近J-PARCに建設した「超高圧中性子回折装置PLANET」を用いて中性子その場観察を行った。永久高密度化ガラスと、永久でない高密度化ガラスの構造の比較を行い、何が構造変化の不可逆性を決定しているかを議論した。

口頭

J-PARC超高圧中性子回折装置PLANETの現状と石英ガラス研究への応用

服部 高典; 佐野 亜沙美; 稲村 泰弘; 舟越 賢一*; 阿部 淳*; 町田 真一*; 岡崎 伸生*; 片山 芳則; Yagafarov, O.*; 千葉 文野*

no journal, , 

石英ガラスはSiO$$_{4}$$四面体を構成ユニットとしたガラスである。SiO$$_{4}$$四面体で多員環(中距離秩序)をつくっているため構造中に隙間が多く、加圧により密度の顕著な増加が見られる。常温下で約8GPaまで加圧すると、中距離構造に変化を起こし、密度が約20%増加する。この常温下での加圧では、構造緩和が起きないために、脱圧後、密度が元に戻る。一方、高圧下で加熱すると構造緩和が起き、回収後も高密度状態が保たれ、通常のガラスに比べ最大で20%ほど密度の高いガラスが得られる(永久高密度化)。この永久高密度化の微視的機構に関して、これまでいろいろ調べられてきたが、その微視的機構に関して、いまだよく分かっていない。今回、それを明らかにするために、最近J-PARCに建設した「超高圧中性子回折装置PLANET」を用いて中性子その場観察を行った。当日は、永久高密度化ガラスと、永久でない高密度化ガラスの構造の比較を行い、何が構造変化の不可逆性を決定しているかを議論する。

口頭

X線および中性子回折による高温高圧水の構造研究

片山 芳則; 服部 高典; 齋藤 寛之; 佐野 亜沙美; 鈴谷 賢太郎; Yagafarov, O.*; 千葉 文野*; 大友 季哉*

no journal, , 

常温常圧の水は、分子間の水素結合によって氷に似た特異な構造を持つ。我々は、水の構造が温度や圧力によってどう変化するか調べるため、SPring-8の放射光を用いた高温高圧その場観察実験と分子動力学シミュレーションを行ってきた。その結果、高温高圧下では、特異な構造が消失し、単純な分子性液体の構造へと近づいていくことが明らかになった。水素結合の変化を調べるためには、水素の観測ができる中性子実験は大きな意義を持つ。J-PARC/MLFに建設された超高圧中性子回折装置PLANETを用いて、重水の測定を圧力0.8GPaで、温度を室温, 100度, 200度と変化させて行った。圧媒体などからの回折線の混入がないきれいな回折パターンの測定に成功した。回折パターンは顕著な温度変化を示した。

口頭

J-PARC超高圧中性子回折装置を用いた石英ガラスの高圧中性子回折実験

服部 高典; Yagafarov, O.*; 片山 芳則; 佐野 亜沙美; 齋藤 寛之; 千葉 文野*; 稲村 泰弘; 鈴谷 賢太郎; 大友 季哉*

no journal, , 

石英ガラスは常温下で約8GPaまで加圧すると、中距離構造に変化を起こし、密度が約20%増加する。この常温下での加圧では、構造緩和が起きないために、脱圧後、密度が元に戻る。一方、高圧下で加熱すると構造緩和が起き、回収後も高密度状態が保たれ、通常のガラスに比べ最大で20%ほど密度の高いガラスが得られる(永久高密度化)。この永久高密度化の微視的機構に関して、これまでいろいろ調べられてきたが、その微視的機構に関して、いまだよく分かっていない。今回、それを明らかにするために、最近J-PARCに建設した「超高圧中性子回折装置PLANET」を用いて中性子その場観察を行った。実験には、高圧中性子回折実験用に新たに開発した6軸6ラム型高圧プレス「圧姫」(最大荷重500トン/軸)を用いた。4.7mm$$Phi$$$$times$$6.7Hの試料に関して、約10GPaまでの室温高圧実験、及び約5.5GPa, 400$$^{circ}$$Cまでの高温高圧実験を行った。PLANETを用いることで、試料容器の散乱を含まないクリアーなデータを広い波数領域(Q=0.8-25${AA}$ $$^{-1}$$)にわたり得ることができた。

口頭

J-PARC超高圧中性子回折装置PLANETでの石英ガラス研究

服部 高典; Yagafarov, O.*; 片山 芳則; 千葉 文野*; 佐野 亜沙美; 稲村 泰弘; 大友 季哉*

no journal, , 

石英ガラスはSiO$$_{4}$$四面体を構成ユニットとした非晶質固体である。四面体が互いに頂点共有し、多員環(中距離秩序)をつくっているため構造中に隙間が多く、加圧により顕著な密度の増加が見られる。常温下で約8GPaまで加圧すると、中距離構造が変化し、密度が約20%増加する。常温下では、構造緩和が起きないために、脱圧後、密度が元に戻るが、高圧下で加熱すると構造緩和が起き、常圧下に回収した後も高密度状態が保たれる(永久高密度化)。この永久高密度化に関して、これまでいろいろ調べられてきたが、その微視的機構に関して、いまだよく分かっていない。これらを明らかにするためには、高圧下での回折実験が有効である。しかし、単一の回折実験で得られる構造情報はSi, Oを区別しない平均構造である。永久高密度化の詳細を理解するためには、両者を区別した部分構造が必要となる。それを行うためには、放射光と中性子の両方を利用した回折実験が有効である。平成25年度までに、J-PARC作られた超高圧中性子回折装置PLANETを用いて約10GPaまでのデータ測定を行ったが、解析法が確立していなかったためにその詳細を調べることができなった。平成26年度、解析法の検討、プログラムの実装を行い、構造因子が得られるようになった。本発表では、解析法とそれにより得られた結果に関して紹介する。

口頭

X線および中性子回折による高温高圧水の構造研究,2

片山 芳則; 服部 高典; Yagafarov, O.*; 齋藤 寛之; 佐野 亜沙美; 鈴谷 賢太郎; 千葉 文野*; 大友 季哉*

no journal, , 

常温常圧の水は、分子間の水素結合によって氷に似た特異な構造を持つ。我々は、水の構造が温度や圧力によってどう変化するか調べるため、SPring-8の高温高圧その場観察放射光X線回折実験と分子動力学シミュレーションを行ってきた。その結果、高温高圧下では、特異な構造が消失し、単純な分子性液体の構造へと近づいていくことが明らかになった。水素結合の変化を調べるためには、水素の観測ができる中性子実験は大きな意義を持つ。J-PARC/MLFの超高圧中性子回折装置PLANETを用いて、重水の測定を圧力約2GPa、温度100度, 200度で行った。回折パターンの第一ピークは前回の0.8GPaでの測定と同様に、温度上昇によって幅が広くなる顕著な変化を示した。

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