アンビルプレス

マルチアンビルプレス、またはアンビルプレスは、小さな容積内で非常に高い圧力を生成するために使用される 機械プレスに関連するデバイスの一種です。

アンビルプレスは、地球深部の圧力と温度を模倣することから、材料科学や地質学で、極度の圧力下での材料のさまざまな相の合成と研究、および貴重な鉱物、特に合成ダイヤモンドの工業生産に使用されています。これらの機器により、岩石、鉱物、セラミック、ガラス、複合材料、金属などのミリメートルサイズの固相サンプルの圧縮と加熱を同時に行うことができ、 25GPa （約250,000気圧）を超える圧力と2,500℃を超える温度に達することができます。これにより、地球内部を研究している鉱物物理学者や岩石学者は、地表付近から深さ700kmまでの領域であるリソスフェアと上部マントル全体で見られる条件を実験的に再現できます。サンプルを加圧することに加えて、実験ではアセンブリ内の炉に電流を流して、最高2,200℃の温度を発生させます。[ 1 ]ダイヤモンドアンビルセルや軽ガス銃はさらに高い圧力にアクセスできますが、マルチアンビル装置ははるかに大きなサンプルを収容できるため、サンプルの準備が簡素化され、測定精度と実験パラメータの安定性が向上します。

マルチアンビルプレスは比較的珍しい研究ツールです。ローレンス・リバモア国立研究所の2台のプレスは、セラミックスや金属の拡散と変形、深発地震、鉱物相の高圧安定性 など、様々な材料特性の研究に使用されてきました。

歴史

6-8マルチアンビル装置は、河合と遠藤によって[ 2 ]導入されました。これは、加圧油中に吊り下げられた分割鋼球を用いたもので、後に[ 3 ]油圧ラムを使用するように改良されました。1990年には、ウォーカーら[ 4 ]が取り外し可能なハットボックス設計を導入することで最初の圧縮段階を簡素化し、一般的なプレス機をマルチアンビルシステムに改造できるようにしました。ウォーカーキャスタブル[ 5 ]やCOMPRESアセンブリ[ 6 ]など、様々なアセンブリ設計が導入され、標準化されています。近年の進歩は、現場測定、材料と校正の標準化に焦点が当てられています。

基本設計

典型的なカワイセル8-6マルチアンビル装置は、空気ポンプで油を加圧し、垂直油圧ラムを駆動してハットボックスと呼ばれる円筒形の空洞を圧縮します。この空洞には、上向き3枚、下向き3枚の鋼製アンビルが充填されており、これらのアンビルは8個の炭化タングステンキューブに収束します。これらのキューブの内角は、八面体アセンブリに収束するように切り取られています。これらの八面体のサイズは、辺の長さが8mmから25mmで、通常は酸化マグネシウムなどの実験条件の範囲で延性変形する材料で構成されており、実験が静水圧応力下になるようにしています。このアセンブリが圧縮されると、キューブの間から押し出され、ガスケットを形成します。実験を収容するために、2つの反対側の面の間に円筒形の穴が開けられています。加熱を必要とする実験は、電気抵抗によってかなりの熱を発生する円筒形のグラファイトまたはランタンクロマイト製の円筒炉に囲まれています。しかし、グラファイト炉はダイヤモンドに変化する性質があるため、高圧下では扱いにくい場合があります。DIAマルチアンビルは、カワイセルの主な代替手段であり、6つのアンビルを用いて立方体試料を圧縮します。[ 4 ]

理論

マルチアンビルプレスは、原理的には機械プレスと設計が似ていますが、力が加えられる領域を減らすことで圧力を増幅する力増幅を使用する点が異なります。

P＝Fあ{\displaystyle P={\frac {F}{A}}}

これはてこの機械的利点に似ていますが、力が角度ではなく直線的に適用されます。たとえば、一般的なマルチアンビルは、面積が346.41 mm²の10 mmの八面体アセンブリに9,806,650 N （1000 tの荷重に相当）を適用して、サンプル内に28.31 GPaの圧力を発生させることができますが、油圧ラム内の圧力はわずか0.3 GPaです。したがって、より小さなアセンブリを使用すると、サンプル内の圧力を高めることができます。適用できる荷重は、特に加熱実験の場合、タングステンカーバイドキューブの圧縮降伏強度によって制限されます。タングステンカーバイドの代わりに14 mmの焼結ダイヤモンドキューブを使用することで、さらに高い圧力、最大90 GPaが達成されています。[ 7 ]

マルチアンビルでの測定

ほとんどのサンプル分析は、実験が急冷され、マルチアンビルから取り出された後に行われます。ただし、その場で測定を行うことも可能です。熱電対や圧力可変抵抗器などの回路をアセンブリに組み込むことで、温度と圧力を正確に測定できます。音響干渉法を使用して、物質を通過する地震波速度を測定したり、物質の密度を推測したりできます。 [ 8 ]抵抗率は、複素インピーダンス分光法で測定できます。[ 9 ]磁気特性は、特別に構成されたマルチアンビルで増幅核磁気共鳴を使用して測定できます。 [ 8 ] DIA マルチアンビルの設計では、多くの場合、タングステンアンビルにダイヤモンドまたはサファイアの窓が組み込まれており、X 線または中性子がサンプルに浸透できるようにします。[ 10 ]この種の装置により、シンクロトロンおよび中性子破砕源の研究者は、極限条件下でのサンプルの構造を測定するための回折実験を行うことができます。[ 11 ]これは、低温・低圧下では運動学的にも熱力学的にも不安定な物質の不完全相を観察するために不可欠です。[ 12 ]高圧溶融体の粘度と密度は、沈下浮上法と中性子トモグラフィーを用いてその場で測定できます。この方法では、試料に周囲の物質とは異なる密度と中性子散乱特性を持つ白金球などの物体を埋め込み、溶融体中を沈下または浮上する物体の軌跡を追跡します。対照的な浮力を持つ2つの物体を同時に使用して密度を計算することができます。[ 8 ]

アプリケーション

圧力は温度と同様、分子構造に影響を及ぼす基本的な熱力学パラメータであり、ひいては材料の電気的、磁気的、熱的、光学的、および機械的特性に影響を与えます。 マルチアンビル装置のようなデバイスを用いると、高圧が材料の構造や特性に与える影響を観察することができます。 マルチアンビルプレスは、高圧高温 (HPHT) 合成ダイヤモンドや c-窒化ホウ素など、非常に純度、サイズ、品質の高い鉱物を産出するために産業界で時折使用されています。 ただし、マルチアンビルは高価なデバイスであり、非常に適応性が高いため、科学機器として使用されることが多くなっています。 マルチアンビルには、主に 3 つの科学的用途があります。1) 新しい高圧材料を合成する、2) 材料の相を変化させる、3) 高圧下での材料の特性を調べる。 材料科学では、これには高圧超伝導体や超硬質物質など、機械的または電子的用途の可能性のある新しい材料や有用な材料の合成が含まれます。[ 13 ]地質学者は、地球深部に存在する環境や物質を再現し、直接観察できない地質学的プロセスを研究することに主眼を置いています。鉱物や岩石を合成することで、様々な鉱物相や組織を形成する条件を探ります。また、地質学者は、極限環境下における岩石の反応速度、密度、粘性、圧縮率、拡散率、熱伝導率を測定するために、マルチアンビル装置も使用します。[ 14 ] [ 15 ]

参考文献

  1. ^地球の形成を研究する：マルチアンビルプレスの作業アーカイブ2010-05-28 at the Wayback Machine // LLNL
  2. ^河合 暢; 遠藤 誠 (1970). 「スプリットスフィア装置による超高静水圧の発生」. Review of Scientific Instruments . 41 (8): 1178– 1181. Bibcode : 1970RScI...41.1178K . doi : 10.1063/1.1684753 .
  3. ^河合尚文; 戸ヶ谷正治; 小野寺明夫 (1973). 「高圧容器用新装置」 .日本学士院紀要. 49 (8): 623–6 . doi : 10.2183/pjab1945.49.623 .
  4. ^ a b Walker, D.; Carpenter, MA; Hitch, CM (1990). 「高圧実験のためのマルチアンビル装置の簡略化」American Mineralogist . 75 : 1020–8 .
  5. ^ Walker, D. (1991). 「潤滑、ガスケット、そしてマルチアンビル実験における精度」アメリカ鉱物学者76 : 1092–1100 .
  6. ^ Leinenweber, KD; Tyburczy, JA; Sharp, TG; Soignard, E.; Diedrich, T.; Petuskey, WB; Wang, Y.; Mosenfelder, JL (2012). 「再現性の高いマルチアンビル実験のためのセルアセンブリ（COMPRESアセンブリ）」. American Mineralogist . 97 ( 2–3 ): 353– 368. Bibcode : 2012AmMin..97..353L . doi : 10.2138/am.2012.3844 .
  7. ^ Zhai, S.; Ito, E. (2011). 「焼結ダイヤモンドアンビルを用いたマルチアンビル装置における高圧発生の最近の進歩」 . Geoscience Frontiers . 2 (1): 101–6 . Bibcode : 2011GeoFr...2..101Z . doi : 10.1016/j.gsf.2010.09.005 .
  8. ^ a b c Chen, J.; Wang, Y.; Duffy, S.; Shen, G.; Dobrzhinetskaya, LP (2011).地球物理学的応用のための高圧技術の進歩エルゼビアISBN 978-0-08-045766-6。
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  15. ^ Giordano, D.; Russel, JK; Dingwell, DB (2008). 「マグマ性液体の粘性：モデル」.地球惑星科学レター. 271 ( 1–4 ): 123– 134. Bibcode : 2008E&PSL.271..123G . doi : 10.1016/j.epsl.2008.03.038 .
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