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論文

高温高圧下での鉄-ケイ酸塩-水系の中性子回折その場観察

飯塚 理子*; 八木 健彦*; 後藤 弘匡*; 奥地 拓生*; 服部 高典; 佐野 亜沙美

波紋, 27(3), p.104 - 108, 2017/08

水素は太陽系で最も豊富にある元素で、地球核に含まれる軽元素の最も有力な候補である。しかしながら水素は、X線では見えないこと、常圧下では鉄から簡単に抜け出てしまうことから、その溶解量やプロセスは未知である。本研究では、J-PARCのPLANETを用い、鉄-含水鉱物系の高温高圧下中性子その場観察実験を行った。その結果、約4GPaで含水鉱物の分解によって生じた水が鉄と反応し鉄酸化物と鉄水素化物を生成することを確認した。この時生じた鉄水素化物は、さらに温度を挙げても安定であった。この反応は1000Kで起きたが、その他の物質に関して融解は起きなかった。このことは、地球形成期初期に水素が、他の軽元素に先んじて鉄に溶けることを示唆している。

論文

Hydrogenation of iron in the early stage of Earth's evolution

飯塚 理子*; 八木 健彦*; 後藤 弘匡*; 奥地 拓生*; 服部 高典; 佐野 亜沙美

Nature Communications (Internet), 8, p.14096_1 - 14096_7, 2017/01

AA2016-0524.pdf:0.73MB

 被引用回数:26 パーセンタイル:88.17(Multidisciplinary Sciences)

地球の核の密度は純鉄の密度よりも低く、核の中の軽い元素は長年の問題である。水素は太陽系内で最も豊富な元素であり、したがって重要な候補の1つである。しかし、これまで水素の鉄への溶解過程は不明であった。ここでは、高圧高温その場中性子回折実験を行い、含水鉱物の混合物が加熱されると、含水鉱物が脱水された直後に鉄が水素化されることを明らかにしている。これは、地球の進化の初期に、蓄積された原始物質が熱くなったときに、他の物質が溶けこむ前に水素の鉄への溶解が起こったことを意味する。これは、水素が地球進化の過程で鉄に溶解した最初の軽元素であり、その後のプロセスにおいて他の軽元素の挙動に影響を及ぼす可能性があることを示唆している。

論文

Design and performance of high-pressure PLANET beamline at pulsed neutron source at J-PARC

服部 高典; 佐野 亜沙美; 有馬 寛*; 小松 一生*; 山田 明寛*; 稲村 泰弘; 中谷 健; 瀬戸 雄介*; 永井 隆哉*; 内海 渉; et al.

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 780, p.55 - 67, 2015/04

 被引用回数:52 パーセンタイル:98.93(Instruments & Instrumentation)

PLANETは高温高圧実験に特化された飛行時間型の中性子ビームラインである。パルス中性子回折実験用に設計された大型の6軸型マルチアンビルプレスを用いることで定常的には高温高圧下約10GPa、2000Kでのデータ測定が可能性である。きれいなデータを取得するために、ビームラインには入射スリットと受光スリットが装備してあり、高圧アセンブリからの寄生散乱が除去可能である。$$Delta$$$$d$$/$$d$$=0.6%の高い分解能、0.2-8.4${AA}$の広いデータ取得可能$$d$$レンジおよび高い寄生散乱除去性能により、高温高圧下での結晶および液体の高精度な構造決定が可能となっている。

論文

IFMIF/EVEDA事業におけるリチウムターゲット施設開発の現状

若井 栄一; 近藤 浩夫; 金村 卓治; 平川 康; 古川 智弘; 帆足 英二*; 深田 智*; 鈴木 晶大*; 八木 重郎*; 辻 義之*; et al.

Proceedings of Plasma Conference 2014 (PLASMA 2014) (CD-ROM), 2 Pages, 2014/11

IFMF/EVEDA(国際核融合材料照射施設の工学実証・工学設計活動)において、世界最大流量率(3000リットル/分)を持つリチウム試験ループを用い、幅100mmで厚さ25mmの自由表面を持つ高速(15m/s)リチウム流を、IFMIFの運転条件(250$$^{circ}$$C、約10$$^{-3}$$Pa)で安定なリチウム流の形成を示す実証試験に成功した。また、リチウム施設開発におけるリチウム純化、リチウム安全や遠隔操作技術を含む最近の工学実証においても、いくつかの優れた結果が得られるとともに、リチウム施設に関する工学設計を併せて評価した。これらの研究開発で得られた成果は、核融合炉材料の開発に重要なキーテクノロジーとなる核融合炉の照射環境を模擬する加速器駆動型中性子源の開発を大きく進展させるものである。

論文

Six-axis multi-anvil press for high-pressure, high-temperature neutron diffraction experiments

佐野 亜沙美; 服部 高典; 有馬 寛*; 山田 明寛*; 田幡 諭史*; 近藤 真弘*; 中村 昭浩*; 鍵 裕之*; 八木 健彦*

Review of Scientific Instruments, 85(11), p.113905_1 - 113905_8, 2014/11

 被引用回数:30 パーセンタイル:81.89(Instruments & Instrumentation)

飛行時間法による中性子高温高圧実験のための6軸型マルチアンビルプレス"圧姫"を開発した。プレスは6つの独立した油圧ラムにより中心の立方体空間に荷重をかける。MA6-6セルを用いた試験では9.3GPa, 2000Kまでの温度圧力発生を確認し、MA6-8を用いた試験では16GPa, 1273Kの温度圧力発生を確認した。6軸プレスはガイドブロックをもたないため、試料まわりに空間が確保できることが特徴である。このため入射スリットやラジアルコリメーター、中性子カメラといった周辺機器を試料の近くに置くことが可能となった。6軸プレスとコリメーター機器の組み合わせにより、ヒーターや圧力媒体からの寄生散乱を取り除くことができる。試料からの回折パターンのみを取得することができ、高温高圧下における結晶や液体の構造解析に有効である。

論文

Phase transitions and hydrogen bonding in deuterated calcium hydroxide; High-pressure and high-temperature neutron diffraction measurements

飯塚 理子*; 小松 一生*; 鍵 裕之*; 永井 隆哉*; 佐野 亜沙美; 服部 高典; 後藤 弘匡*; 八木 健彦*

Journal of Solid State Chemistry, 218, p.95 - 102, 2014/10

 被引用回数:6 パーセンタイル:34.03(Chemistry, Inorganic & Nuclear)

重水素化したカルシウム水酸化物(Ca(OD)$$_{2}$$)の高圧その場中性子散乱実験を、J-PARCのパルス中性子を用い、パリ-エジンバラプレスとマルチアンビルプレスを用いて行った。常圧には回収できない、高圧常温相の水素位置を含めた原子位置を初めて求めた。高圧下において水素結合が曲がっていることが明らかになり、これはラマン分光の結果と調和的である。高温高圧相に関しては、先行研究の常圧下に回収して求められた構造と一致した。これらの観測結果から、高圧下における相転移はCaO多面体で構成される層のスライドと、Ca原子の変位、Ca-O再構成と水素結合の配向の変化によりおこることが明らかとなった。

論文

Compression behaviors of distorted rutile-type hydrous phases, MOOH (M = Ga, In, Cr) and CrOOD

佐野 亜沙美; 八木 健彦*; 岡田 卓*; 後藤 弘匡*; 亀掛川 卓美*

Physics and Chemistry of Minerals, 39(5), p.375 - 383, 2012/05

 被引用回数:17 パーセンタイル:57.49(Materials Science, Multidisciplinary)

歪んだルチル型構造をとる含水相$$beta$$-GaOOH, InOOH, $$beta$$-CrOOH, $$beta$$-CrOODについて高圧下におけるX線回折実験を行った。$$beta$$-GaOOH, InOOHでは15GPa, $$beta$$-CrOODでは4GPaで高圧下で軸比の圧力応答に変化が見られ、水素結合のあるa軸及びb軸が圧縮されにくくなることが明らかになった。圧縮挙動の変化が起きる圧力は、水素結合を含む酸素-酸素間距離が長いほど、高圧になる傾向が見られた。一方で常圧下において非常に強い水素結合を持つ$$beta$$-CrOOHではそのような変化は見られなかった。これらの挙動は以前$$delta$$-AlOOH(D)で報告された、水素結合の対称化に伴う圧縮挙動の変化に対応していると考えられる。

論文

Pressure responses of portlandite and H-D isotope effects on pressure-induced phase transitions

飯塚 理子*; 鍵 裕之*; 小松 一生*; 牛嶋 大地*; 中野 智志*; 佐野 亜沙美; 永井 隆哉*; 八木 健彦*

Physics and Chemistry of Minerals, 38(10), p.777 - 785, 2011/12

 被引用回数:8 パーセンタイル:31.14(Materials Science, Multidisciplinary)

含水鉱物ポートランダイト(Ca(OH)$$_{2}$$)の高圧下におけるラマンスペクトル,IRスペクトル及びX線回折実験を行った。ラマンスペクトル,IRスペクトルの測定では、Ca(OH)$$_{2}$$では高圧相への相転移がCa(OD)$$_{2}$$よりも低圧でおき、相転移圧力には同位体による違いがあった。X線回折実験では高圧相が28.5GPaまで安定に存在し、以前報告のあったアモルファス化は静水圧条件下では見られないことが明らかになった。

論文

Investigation of hydrogen sites of wadsleyite; A Neutron diffraction study

佐野 亜沙美; 栗林 貴弘*; 小松 一生*; 八木 健彦*; 大谷 栄治*

Physics of the Earth and Planetary Interiors, 189(1-2), p.56 - 62, 2011/11

 被引用回数:20 パーセンタイル:56.13(Geochemistry & Geophysics)

Mg端成分の重水素化したワズレアイトについて、中性子散乱実験を行い水素位置の精密化を行った。結晶構造のモデルに、単結晶X線散乱実験により求められた水素を含まない構造を用いて予備的な解析を行ったところ、差フーリエマップにはM3サイトの稜、O1とO4の間に核密度分布の最大の残差が見られた。重水素の初期位置をこの残差の位置として、リートベルト解析を行ったところ、重水素の位置は(0.096, 0.289, 0.315)、占有率は8.2%と精密化された。本研究により決定された水素位置から、ワズレアイトが水を含んだ場合、原子拡散について異方的な影響を持つことが示唆された。

論文

The Crystal structure of $$delta$$-Al(OH)$$_{3}$$; Neutron diffraction measurements and ab initio calculations

松井 正典*; 小松 一生*; 池田 恵美*; 佐野 亜沙美; 後藤 弘匡*; 八木 健彦*

American Mineralogist, 96(5-6), p.854 - 859, 2011/05

 被引用回数:12 パーセンタイル:40.6(Geochemistry & Geophysics)

中性子回折実験により、$$delta$$-Al(OD)$$_{3}$$の結晶構造は以前X線回折実験に基づいて報告された${it Pnma}$ではなく${it P}$2$$_{1}$$2$$_{1}$$2$$_{1}$$であることが明らかになった。AlとOの位置はX線回折実験により求めた値を使用し、水素位置は第一原理計算により求めた値を用いて解析を行ったところ、第一原理計算の結果は中性子回折実験の結果とよく一致するものであった。また67GPa付近で${it P}$2$$_{1}$$2$$_{1}$$2$$_{1}$$構造から${it Pnma}$構造へと相転移し、水素が二つの酸素間の中心に位置する対称化が起きることが第一原理計算から示唆された。

論文

Designing PLANET; Neutron beamline for high-pressure material science at J-PARC

有馬 寛; 服部 高典; 小松 一生*; 阿部 淳; 内海 渉; 鍵 裕之*; 鈴木 昭夫*; 鈴谷 賢太郎; 神山 崇; 新井 正敏; et al.

Journal of Physics; Conference Series, 215(1), p.012025_1 - 012025_6, 2010/03

J-PARC物質生命科学実験施設における高圧研究の専用ビームライン建設について、科学研究費補助金新学術領域研究(高温高圧中性子実験で拓く地球の物質科学:領域代表八木健彦)が採択され、平成21年度からBL11において超高圧中性子回折装置(PLANET)の建設が開始された。30GPa及び2500Kまでの温度圧力領域での中性子回折測定を研究対象とし、分光器室内には大型マルチアンビルプレスを設置する。本装置の概要並びに開発の現状について報告する。PLANETは水を含む地球深部物質の高温高圧下での結晶構造,マグマの局所構造,液体の圧力誘起構造変化を主要な研究テーマとして設計を行った。10mm$$^3$$以下の試料体積を対象として主検出器である90$$^{circ}$$バンクにおいて0.5%の装置分解能を持つ。4.3${AA}$のd値範囲を1フレームで測定することが可能である。中性子の輸送には11.5mの集光型中性子ガイド管を用い、結晶,液体それぞれの構造解析に適した波長領域での測定効率の向上を目指している。

論文

Designing PLANET; Neutron beamline for high-pressure material science at J-PARC

有馬 寛*; 服部 高典; 小松 一生*; 阿部 淳; 内海 渉; 鍵 裕之*; 鈴木 昭夫*; 鈴谷 賢太郎; 神山 崇*; 新井 正敏; et al.

Journal of Physics; Conference Series, 215(1), p.012025_1 - 012025_6, 2010/03

 被引用回数:13 パーセンタイル:96.7

高圧実験に特化したPLANETはパルス中性子施設J-PARCのBL11に建設されている。PLANETは、地球深部の高密度な含水鉱物,マグマ,軽元素液体を含む水素を含む物質の構造を研究することを目的としている。装置は、20GPa, 2000Kの温度圧力における粉末結晶,液体,非晶質の回折実験、イメージング実験を実現するものである。回折実験において、90$$^{circ}$$バンクを使用することで、第一フレームで0.2-4.1${AA}$$$d$$値をカバーしている。この研究では、PLANETの設計と仕様をモンテカルロシミュレーションを用いて評価した。

論文

Neutron powder diffraction under high pressure at J-PARC

内海 渉; 鍵 裕之*; 小松 一生*; 有馬 寛*; 永井 隆哉*; 奥地 拓生*; 神山 崇*; 上床 美也*; 松林 和幸*; 八木 健彦*

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 600(1), p.50 - 52, 2009/02

 被引用回数:11 パーセンタイル:63.13(Instruments & Instrumentation)

高圧をかけると多くの物質がその性質を大きく変える。高圧下の回折実験はそれらの現象を理解するうえで最も基本的な構造に関する情報を与える。J-PARCにおいて高圧下でのその場中性子回折実験が可能になれば、水素を含んだ結晶や軽元素液体などの高圧下での構造に関する優れた研究成果が得られると期待されている。現在検討中の中性子光学系や高圧発生装置について紹介する。

論文

J-PARCの拓く凝縮系科学

藤井 保彦; 新井 正敏; 門野 良典*; 金谷 利治*; 神山 崇*; 新村 信雄*; 野尻 浩之*; 野田 幸男*; 八木 健彦*; 山田 和芳*

固体物理, 43(7), p.441 - 450, 2008/07

平成20年12月から利用を開始するJ-PARC/MLF(中性子,ミュオン)において、凝縮系科学分野で計画している新しい科学を切り拓く研究を各分野の専門家がそれぞれの夢も交えて紹介している。

論文

Superconducting properties of Pr-based filled skutterudite PrRu$$_4$$As$$_{12}$$

並木 孝洋*; 青木 勇二*; 佐藤 英行*; 関根 ちひろ*; 城谷 一民*; 松田 達磨; 芳賀 芳範; 八木 健彦*

Journal of the Physical Society of Japan, 76(9), p.093704_1 - 093704_4, 2007/09

 被引用回数:31 パーセンタイル:78.83(Physics, Multidisciplinary)

We report on a systematic study of the superconducting characteristics and Pr crystalline-electric-field (CEF) levels of the filled skutterudite PrRu$$_4$$As$$_{12}$$ (T$$_c$$ = 2.33 K). The electronic specific heat coefficient $$gamma sim$$95 mJ/(K$$^2cdot$$mol), which is $$sim$$1.5 times larger than that of LaRu$$_4$$As$$_{12}$$, indicates 4$$f$$-originating quasiparticle mass enhancement. The magnetic susceptibility $$chi$$(T) indicates that the CEF ground state is a $$Gamma$$1 singlet and a $$Gamma$$4(1) triplet first excited state lies at $$Delta$$CEF$$sim$$30 K above. A systematic comparison among PrOs$$_4$$Sb$$_{12}$$, PrRu$$_4$$Sb$$_{12}$$, PrRu$$_4$$As$$_{12}$$, and La-based reference compounds suggests that the inelastic exchange scattering and aspherical charge scattering of conduction electrons from CEF-split 4$$f$$ levels play an essential role in the quasiparticle mass enhancement and in determining the value of Tc in the Pr-based filled skutterudites.

論文

Construction of laser-heated diamond anvil cell system for ${it in situ}$ X-ray diffraction study at SPring-8

綿貫 徹; 下村 理; 八木 健彦*; 近藤 忠*; 一色 麻衣子*

Review of Scientific Instruments, 72(2), p.1289 - 1292, 2001/02

 被引用回数:73 パーセンタイル:93.67(Instruments & Instrumentation)

SPring-8の共用ビームラインBL10XUにおいて、ダイヤモンドアンビルセルレーザー加熱システムの立ち上げを行い、高温高圧下における物質の構造を角度分解型放射光X線回折法によりその場観察することを可能とした。また、独自に開発した温度測定法により、試料各点の温度の同時測定が可能となった。また、このシステムを用いて、オリビンの温度2000K及び圧力20GPa付近の高温高圧下における相転移を再現することに成功した。同時にこのような高温高圧下においても短時間で統計精度及び分解能の高いデータの取得が可能であることを示した。

論文

Laser heated diamond anvil apparatus at the Photon Factory and SPring-8; Problems and improvements

八木 健彦*; 近藤 忠*; 綿貫 徹; 下村 理; 亀卦川 卓美*

Review of Scientific Instruments, 72(2), p.1293 - 1297, 2001/02

 被引用回数:27 パーセンタイル:78.69(Instruments & Instrumentation)

高温高圧下その場観察型X線回折計システムの立上げをPhoton FacotryとSPring-8の2つの放射光ビームラインにおいて行った。加熱方式は何れもダイアモンドアンビルセル内の試料に直接レーザーを照射して加熱する方式であり、レーザーにはYAGレーザー或いはCO$$_{2}$$レーザーを用いた。また、両システムとも、検出器にイメージングプレートを用いた角度分散型粉末回折実験用に構築している。本システムを用いて、種々のレーザー加熱実験をしたところ、以下のことが確認できた。タイプIIのダイアモンドアンビルを用いると、アンビルに変形が生じること。CO$$_{2}$$レーザーを用いた場合はYAGレーザーを用いた場合に比べて加熱を安定かつ一様に行うことができること。しかし、YAGレーザーを用いた場合の方がより高温高圧条件を達成できること、などである。

論文

X ray diffraction measurements in a double-stage multianvil apparatus using ADC anvils

入舩 徹男*; 黒田 幸治*; 西山 宣正*; 井上 徹*; 船守 展正*; 内田 雄幸*; 八木 健彦*; 内海 渉; 宮島 延吉*; 藤野 清志*; et al.

Geophysical Monograph 101 (Properties of Earth and Planetary Materials at High Pressure and Temperature), p.1 - 8, 1998/00

従来のWCアンビルに代わる材料として焼結ダイヤモンドが注目されている。シリコン系のバインダーを用いたADC焼結ダイヤモンドは、X線吸収が少ないため、放射光実験に適していると考えられる。本ADCアンビルを用いて、2段式マルチアンビル装置での加圧実験を行い、放射光と組み合わせての能力を試験した。

論文

New Polymorph of SiO$$_{2}$$ formed under Quasi-hydrostatic compression of cristobalite

山片 正明*; 八木 健彦*

Review of High Pressure Science and Technology, 7, p.107 - 109, 1998/00

すべての物質は、10万気圧において、固体へと相転移する。したがって、それ以上の圧力下において、完全な静水圧を発生することは、不可能である。本研究では、高圧実験において、圧力の性質ともいえる静水圧性の、鉱物結晶へ与える影響を明らかにした。実験は、さまざまな静水圧性の下で試料を加圧し、放射光の強力なX線を用いて、高圧X線その場観察により行った。出発物質は、代表的な鉱物であるSiO$$_{2}$$の多形の一つである、クリストバライトを用いた。極めて静水圧に近い条件下で、試料を加圧していったところ、クリストバライトは、これまで報告されていない、新しい高圧相へと相転移した。一方、非常に静水圧性の悪い条件下で加圧した場合、上記の高圧相とは異なる結晶構造へ相転移した。これらの研究から、静水圧性が、高圧相の結晶構造を決定する重要な熱力学的パラメーターであることがわかった。

論文

In-situ X-ray observation of the graphite-diamond transition using synchrotron radiation

内海 渉*; 八木 健彦*; 谷口 尚*; 下村 理*

Advanced Materials 96 (Proc. of 3rd NIRIM Int. Symp. on Advanced Materials:ISAM 96), 0, p.257 - 261, 1996/00

高温高圧下における黒鉛から六方晶ダイヤモンドへの変換を放射光を用いたX線その場観察により観測した。凝静水圧力下では、室温においてこの変換を起こすのに18GPa必要であった。この変換圧力は、温度の上昇とともに大きく減少し、黒鉛から六方晶ダイヤモンドへの反応境界線は、六方晶BNからウルツ鉱型BNのそれに非常に似かよったものになった。室温で生じた六方晶ダイヤモンドは圧力を解放すると黒鉛に逆転移してしまう。六方晶ダイヤモンド相を一気圧条件に取り出すためには、試料を高圧下で800$$^{circ}$$C以上に加熱処理してやる必要がある。

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