ブックタイトル日本結晶学会誌Vol59No6

概要

日本結晶学会誌Vol59No6

日本結晶学会誌59，301-308（2017）ミニ特集中性子回折で拓く鉱物結晶学超高圧中性子回折装置PLANETで何ができるか？日本原子力研究開発機構J-PARCセンター物質・生命科学ディビジョン服部高典，佐野亜沙美総合科学研究機構中性子科学センター町田真一，阿部淳，舟越賢一，岡崎伸生Takanori HATTORI, Asami SANO-FURUKAWA, Shinichi MACHIDA, Jun ABE, KenichiFUNAKOSHI and Nobuo OKAZAKI: What can we do with the High-PressureNeutron Diffractometer PLANET?PLANET is a powder neutron diffractometer dedicated to high-pressure experiments. Bycombining the intense neutron source of J-PARC and the high-pressure devices designed for time-offlightpowder neutron diffraction, precise structure analysis of crystal, liquid, and amorphous solidsis possible over wide pressure and temperature range of 0～20 GPa and 77～2,000 K. This beamlineis effective for various studies in geophysics, planetary science, physics and chemistry. This paperoverviews the beamline and introduces recent results obtained at PLANET.1．はじめに1.1超高圧中性子回折装置で何ができるか？超高圧中性子回折装置PLANETとは，東海村のパルス中性子施設，J-PARC物質・生命科学実験施設に建設された高圧専用の粉末回折ビームラインである．PLANETは，通常の中性子回折装置でできることを，約0.1～20 GPa（1 GPa≒1万気圧），77～2,000 Kの広い圧力温度範囲で行うことができる．中性子の物質との特徴的な相互作用を利用して，X線では「見る」ことができないような物質の構造を，高圧下で精密に調べることができる．この特徴は，地球深部の高温高圧下における鉱物中の水（結晶水，水酸基）や水素の状態，惑星内部の低温高圧下における軽元素の状態，およびそれらが与える天体の内部構造，進化過程への影響を推定するのに役立てられている．本稿では，装置の概要，その性能を紹介し，地球科学，惑星科学，材料科学への応用例を紹介する．なお，建設の経緯1）-3や実験の実際に関しては，文献）を参照のこと．1.2中性子の特徴と有用性まず，中性子の特徴と物質のcharacterizationにおける有用性をX線と比較しながら述べる．最も顕著な違いは，X線が電磁波で，中性子が電荷0，スピン1/2の粒子である点である．そのため，X線回折では，物質内の電子密度分布がわかるのに対し，中性子回折では，原子核の分布（正確には散乱長密度分布）や，磁気モーメントの大きさ，向き，分布を知ることができる．また散乱長（X線の原子散乱因子に相当）は，X線では電子数に比例するが，中性子では原子種や同位体によってまちまちであり，ものによってはほぼ0や，負のものさえある．そのためX線では観測できないH +（プロトン）や，重元素中の日本結晶学会誌第59巻第6号（2017）軽元素を見ることができる．またMg 2+，Al 3+，Si 4+，O2－などの地球科学的に重要な等電子イオンを区別することができる．さらに，中性子は，原子核でピンポイントに散乱されるために，散乱長は，高Qまで減衰しない．そのため，高Qまでの散乱強度が測定可能であり，そのフーリエ変換である実空間情報を高い分解能で知ることができる．加えて，中性子は物質中の磁気モーメントと相互作用するため，磁気構造を調べることができる．一方，X線と中性子の両方を用いた実験を行えば，各々の実験だけでは得られない情報（例えば，結晶構造解析における原子の熱振動と電子雲の広がりの区別や，多成分液体の部分構造）を知ることができる．1.3高圧下における中性子回折実験次にPLANETの得意とする高圧下での中性子回折実験の必要性に関して述べる．図1に地球の断面図と水（結晶水，水酸基），水素のかかわりを示す．地球表層に図1「水」が及ぼす地球・惑星への影響.（Effect of＂water＂on Earth and Planets.）301