(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一部分を光透過性のある材料によって形成した空所内に、原子間の結合の分解によって体積膨張する高圧誘起材料を、その体積膨張を拘束して収容し、前記光透過性材料を通じて外部から注入した光エネルギーによって前記高圧誘起材料を加熱してその原子間の結合を分解させ、該原子間の結合の分解による前記高圧誘起材料の体積膨張の力を利用して前記空所内に超高圧を発生させる超高圧発生方法であって、
空所内で超高圧を受ける試料が粉末状であるとき、前記超高圧を発生するに先立ち、該超高圧を発生するために前記光透過性材料を通じて外部から注入する光エネルギーに比べて小さな光エネルギーを前記光透過性材料を通じて外部から注入し、該注入した光エネルギーによって前記高圧誘起材料の原子間の結合を分解させて前記空所内に超高圧を発生させた後、前記空所の体積を減少させるようにした
ことを特徴とする超高圧発生方法。
【請求項２】
請求項１記載の超高圧発生方法において、
前記光透過性材料を通じてパルスレーザ光を前記高圧誘起材料に照射することで前記光エネルギーの注入を行う
ことを特徴とする超高圧発生方法。
【請求項３】
請求項２記載の超高圧発生方法において、
前記光透過性材料は、前記パルスレーザ光に対する光透過率が大きい材料である
ことを特徴とする超高圧発生方法。
【請求項４】
請求項３記載の超高圧発生方法において、
前記光透過性材料はサファイアからなる
ことを特徴とする超高圧発生方法。
【請求項５】
請求項１記載の超高圧発生方法において、
前記高圧誘起材料は、光吸収係数及び原子間の結合力が大きい単一材料、又は、光吸収係数、原子間の結合力の少なくとも一方が大きい材料を複合して作成され、全体として、光吸収係数及び原子間の結合力が大きい複合材料からなる
ことを特徴とする超高圧発生方法。
【請求項６】
請求項５記載の超高圧発生方法において、
前記原子間の結合は、共有結合、金属結合又は水素結合である
ことを特徴とする超高圧発生方法。
【請求項７】
請求項５記載の超高圧発生方法において、
前記単一材料は黒鉛からなる
ことを特徴とする超高圧発生方法。
【請求項８】
請求項２記載の超高圧発生方法において、
前記光透過性材料を通じて前記高圧誘起材料に照射するパルスレーザ光のビーム径を、その最小ビーム径が前記高圧誘起材料の先方に形成されるように調整する
ことを特徴とする超高圧発生方法。
【請求項９】
光透過性をもつサファイアアンビルを用いる高圧装置の前記サファイアアンビルにより形成した空所内に高圧誘起材料として少なくとも黒鉛を収容してその体積膨張を拘束し、該拘束状態にある黒鉛に前記サファイアアンビルの外からパルスレーザ光を照射することによって、前記黒鉛の原子間の結合を分解させ、該分解により得られる力を利用して前記黒鉛を収容した前記空所内に超高圧を発生させる超高圧発生方法であって、
空所内で超高圧を受ける試料が粉末状であるとき、前記超高圧を発生するに先立ち、該超高圧を発生するために前記サファイアアンビルを通じて外部から注入する光エネルギーに比べて小さな光エネルギーを前記サファイアアンビルを通じて外部から注入し、該注入した光エネルギーによって前記黒鉛の原子間の結合を分解させて前記空所内に超高圧を発生させた後、前記空所の体積を減少させるようにした
ことを特徴とする超高圧発生方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超高圧発生方法に係り、特に、光エネルギー透過性の物質によって形成した空所内に外部から注入した光エネルギーを利用して空所内に超高圧を発生する超高圧発生方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
これまで、ダイヤモンドや立方晶化窒化ホウ素などの合成に用いることができる高圧装置として、ベルト高圧装置、マルチアンビル高圧装置などがあるが、これらの装置では１０ＧＰａ（１０万気圧）以上の高圧の発生は難しい。これらの装置は静的高圧を発生することができ、大型化が可能であり圧力室も２００ｃｍ3 の容積を持つものが開発されている。しかし、１００ＧＰａに迫る高圧あるいはそれを越える高圧発生はこれらの装置では不可能であり、ダイヤモンドアンビル高圧装置あるいは衝撃圧縮を利用する動的方法によってしか達成することができない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ダイヤモンドアンビル高圧装置によって得られる圧力室容積は１０-9ｃｍ3 に過ぎない。衝撃波を利用する動的超高圧発生法には、爆薬法と衝撃銃法があるが、装置が大掛かりであり、その高圧力維持時間は１μｓ程度と極めて短く、またこれらの方法による１ＴＰａを越える超高圧の発生は報告されていない。１ＴＰａを越える超高圧の発生についての報告は、地下核爆発を用いた実験とレーザー核融合研究用に開発された大出力レーザーを用いた実験に関するものだけである。しかし、これらの方法によって得られる高圧の維持時間はｎｓオーダーに過ぎない。
【０００４】
ダイヤモンドアンビル高圧装置はその高圧室の容積が極めて小さいことから、その工業的応用は難しく、おそらく１ＴＰａの高圧発生は不可能である。従来の動的高圧発生法では、その高圧力維持時間が極めて短く、物質合成には、不可逆性の相変態の場合に対して適用できるだけであり、その適用範囲は極めて狭い。
【０００５】
よって、本発明は、上述した現状に鑑みてなされたもので、従来得られなかった大きな超高圧力の発生を可能にする超高圧発生方法を提供することを主たる課題としている。
【０００６】
本発明はまた、従来と比較してより長い高圧力維持時間を実現できる超高圧発生方法を提供することを課題としている。
【０００７】
本発明はさらに、従来と比較してより大きな超高圧空所を実現できる超高圧発生方法を提供することを課題としている。
【０００８】
本発明はさらにまた、従来と比較して桁違いに少ないエネルギーの投入によって超高圧発生が可能である超高圧発生方法を提供することを課題としている。
【０００９】
本発明はまた、物質合成に必要な高温を加圧加熱を目的とする材料において高圧とともに発生させ、その高温を制御することもできる超高圧発生方法を提供することを課題としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するためなされた請求項１記載の本発明は、少なくとも一部分を光透過性のある材料によって形成した空所内に、原子間の結合の分解によって体積膨張する高圧誘起材料を、その体積膨張を拘束して収容し、前記光透過性材料を通じて外部から注入した光エネルギーによって前記高圧誘起材料を加熱してその原子間の結合を分解させ、該原子間の結合の分解による前記高圧誘起材料の体積膨張の力を利用して前記空所内に超高圧を発生させる超高圧発生方法であって、空所内で超高圧を受ける試料が粉末状であるとき、前記超高圧を発生するに先立ち、該超高圧を発生するために前記光透過性材料を通じて外部から注入する光エネルギーに比べて小さな光エネルギーを前記光透過性材料を通じて外部から注入し、該注入した光エネルギーによって前記高圧誘起材料の原子間の結合を分解させて前記空所内に超高圧を発生させた後、前記空所の体積を減少させるようにしたことを特徴とする超高圧発生方法に存する。
【００１１】
請求項１記載の発明によれば、原子間の結合の分解によって体積膨張する高圧誘起材料をその体積膨張を拘束して収容した空所の少なくとも一部分を光透過性のある材料によって形成し、光透過性材料を通じて外部から高圧誘起材料に注入した光エネルギーによって、高圧誘起材料を加熱してその原子間の結合を分解させ、原子間の結合の分解による高圧誘起材料の体積膨張の力を利用して空所内に超高圧を発生させているので、高圧誘起材料に注入した光エネルギーは原子間の結合を分解するに必要な温度に加熱するだけでの小さなものでよく、また、原子間を結合している大きな力に抗して分解することによって得られる体積膨張の力が非常に大きいため、体積膨張を拘束している空所内に発生される超高圧も非常に大きなものとなる。しかも、空所内で超高圧を受ける試料が粉末状であるとき、空所内に本格的な超高圧を発生するに先だって、拘束によっては取り除くことのできない試料が有する微細な空孔を事前に発生した超高圧によって減少させておくことできるので、空所内に本格的な超高圧を発生させたとき、発生した超高圧のピーク値をより高く、持続時間をより長いものにすることができる。
【００１２】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の超高圧発生方法において、前記光透過性材料を通じてパルスレーザ光を前記高圧誘起材料に照射することで前記光エネルギーの注入を行うことを特徴とする超高圧発生方法に存する。
【００１３】
請求項２記載の発明によれば、光透過性材料を通じてパルスレーザ光を高圧誘起材料に照射することで光エネルギーの注入を行うので、高圧誘起材料を加熱するのに適した波長のレーザビームを発生する既存のパルスレーザ装置を利用して、パルスレーザビームの強さとその持続時間を制御することで、光エネルギーを効率よくかつ調整して注入することができる。
【００１４】
請求項３記載の発明は、請求項２記載の超高圧発生方法において、前記光透過性材料は、前記パルスレーザ光に対する光透過率が大きい材料であることを特徴とする超高圧発生方法に存する。
【００１５】
請求項３記載の発明によれば、光透過性材料がパルスレーザ光に対する光透過率が大きいので、効率よく外部からの光エネルギーを透過し、吸収による温度上昇がし難く、それだけ破損の原因となる熱応力も発生し難くなる。
【００１６】
請求項４記載の発明は、請求項３記載の超高圧発生方法において、前記光透過性材料はサファイアからなることを特徴とする超高圧発生方法に存する。
【００１７】
請求項４記載の発明によれば、サファイアはダイアモンドに比べて反射率が小さく、しかも安価で比較的大きな結晶のものが安価に得られるので、超高圧を発生する空所を形成する材料として都合がよい。
【００１８】
請求項５記載の発明は、請求項１記載の超高圧発生方法において、前記高圧誘起材料は、光吸収係数及び原子間の結合力が大きい単一材料、又は、光吸収係数、原子間の結合力の少なくとも一方が大きい材料を複合して作成され、全体として、光吸収係数及び原子間の結合力が大きい複合材料からなることを特徴とする超高圧発生方法に存する。
【００１９】
請求項５記載の発明によれば、高圧誘起材料が光吸収係数及び原子間の結合力が大きい材料からなっているので、外部から注入するエネルギーが小さくても大きな体積膨張の力が得られるようになる。また、高圧誘起材料が光吸収係数、原子間の結合力の少なくとも一方が大きい材料を複合して作成され、全体として、光吸収係数及び原子間の結合力が大きい複合材料からなるので、材料の組み合わせによって、超高圧の発生とその後の変化パターンを制御することが可能になる。
【００２０】
請求項６記載の発明は、請求項５記載の超高圧発生方法において、前記原子間の結合は、共有結合、金属結合又は水素結合であることを特徴とする超高圧発生方法に存する。
【００２１】
請求項６記載の発明によれば、高圧誘起材料として、原子間の結合力の大きな、共有結合、金属結合又は水素結合の材料から必要に応じて選択して使用することができる。従って、高圧誘起材料が、光吸収係数、原子間結合力などの組み合わせによって、高圧誘起材料内の温度勾配を制御して加圧加熱を目的とする材料における温度を制御できる。
【００２２】
請求項７記載の発明は、請求項５記載の超高圧発生方法において、前記単一材料は黒鉛からなることを特徴とする超高圧発生方法に存する。
【００２３】
請求項７記載の発明によれば、黒鉛は光吸収性に優れ、しかも結合力の大きな共有結合の材料であるので、高圧誘起材料として単体で好ましく使用することがことができる。
【００２４】
請求項８記載の発明は、請求項２記載の超高圧発生方法において、前記光透過性材料を通じて前記高圧誘起材料に照射するパルスレーザ光のビーム径を、その最小ビーム径が前記高圧誘起材料の先方に形成されるように調整することを特徴とする超高圧発生方法に存する。
【００２５】
請求項８記載の発明によれば、光透過性材料を通じて高圧誘起材料に照射するパルスレーザ光のビーム径を、その最小ビーム径が高圧誘起材料の先方に形成されるように調整しているので、パルスレーザ光のピークが光透過性材料中に位置されなくなり、それだけ光透過性材料中での局所的な温度上昇を防ぐことができる。
【００２６】
請求項９記載の発明は、光透過性をもつサファイアアンビルを用いる高圧装置の前記サファイアアンビルにより形成した空所内に高圧誘起材料として少なくとも黒鉛を収容してその体積膨張を拘束し、該拘束状態にある黒鉛に前記サファイアアンビルの外からパルスレーザを照射することによって、前記黒鉛の原子間の結合を分解させ、該分解により得られる力を利用して前記黒鉛を収容した前記空所内に超高圧を発生させる超高圧発生方法であって、空所内で超高圧を受ける試料が粉末状であるとき、前記超高圧を発生するに先立ち、該超高圧を発生するために前記サファイアアンビルを通じて外部から注入する光エネルギーに比べて小さな光エネルギーを前記サファイアアンビルを通じて外部から注入し、該注入した光エネルギーによって前記黒鉛の原子間の結合を分解させて前記空所内に超高圧を発生させた後、前記空所の体積を減少させるようにしたことを特徴とする超高圧発生方法に存する。
【００２７】
請求項９記載の発明によれば、原子間の結合の分解によって体積膨張する少なくとも黒鉛をその体積膨張を拘束して収容した空所の少なくとも一部分を光透過性のある材料によって形成し、光透過性材料を通じて外部から黒鉛に注入した光エネルギーによって、黒鉛を加熱してその原子間の共有結合を分解させ、原子間の共有結合の分解による黒鉛の体積膨張の力を利用して空所内に超高圧を発生させているので、黒鉛に注入した光エネルギーは、黒鉛によって効率よく吸収されて原子間の共有結合を分解するに必要な温度に黒鉛を素早く加熱するので、小さなものでよく、また、原子間を共有結合している大きな力に抗して分解することによって得られる体積膨張の力が非常に大きいため、体積膨張を拘束している空所内に発生される超高圧も非常に大きなものとなる。しかも、空所内で超高圧を受ける試料が粉末状であるとき、空所内に本格的な超高圧を発生するに先だって、拘束によっては取り除くことのできない試料が有する微細な空孔を事前に発生した超高圧によって減少させておくことできるので、空所内に本格的な超高圧を発生させたとき、発生した超高圧のピーク値をより高く、持続時間をより長いものにすることができる。
【００４２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による超高圧発生方法を図面を参照して説明する。
【００４３】
図１は、本発明による超高圧発生方法を実施する超高圧発生装置の一例を示す図である。同図において、超高圧発生装置は、原子間の結合の分解によって体積膨張する高圧誘起材料をその体積膨張を拘束して収容するための空所（図示せず）を有し、この空所の少なくとも一部分が光エネルギー透過性を有する材料によって形成されてなる拘束手段を構成する高圧装置１を備える。高圧装置１の詳細については、図２を参照して説明する。
【００４４】
高圧装置１は、図２に示すように、光エネルギー透過性材料である一対のサファイアアンビル１ａ及び１ｂと、一対のサファイアアンビル１ａ及び１ｂとともに高圧誘起材料２を収容する空所１′を形成するガスケット１ｃと、このガスケット１ｃをその両面より高圧力によって挟み付ける一対のサファイアアンビル１ａ及び１ｂを保持する図示しないクランプとによって構成されている。
【００４５】
図示のガスケット１ｃは、その両面より例えば５ＧＰａ（ギガパスカル）程度の高圧力によって一対のサファイアアンビル１ａ及び１ｂにより挟まれることによって、サファイアアンビルの当たっている部分が潰され、その周囲が盛り上がるように変形された状態で示されているが、挟まれて変形される前の状態では、例えば直径０．１５ｍｍの貫通孔１ｃ′を有する、厚さ例えば０．２ｍｍの例えば銅ベリリウムからなる平板であった。以上によって得られた、空所１′の容積は３．５３ｍｍ3 である。一般には、ガスケットとしては、銅ベリリウム或いは銅のような比較的軟質のもので、加圧によってサファイアアンビル面を破損させることがない材質の平板が適用される。
【００４６】
再び図１に戻って説明すると、超高圧発生装置は、高圧装置１の有する空所内に拘束されている高圧誘起材料に、一対のサファイアアンビル１ａ及び１ｂを通じて外部から光エネルギーを注入する光エネルギー注入手段を構成するレーザ光照射装置を備える。レーザ光照射装置は、一対のサファイアアンビル１ａ及び１ｂを透過して高圧誘起材料に照射するレーザビームを発生するパルスレーザ装置３ａを有する。パルスレーザ装置３ａとしては例えばＹＡＧレーザが適用され、本例では、ビーム品質が良好な高出力レーザを発振できるスラブ型Ｎｄ：ＹＡＧ結晶を使用したパルスＹＡＧレーザが採用されている。このパルスレーザ装置３ａとしては、出力するパルスレーザの出力レベルとその持続時間を任意に調整することができる。
【００４７】
レーザ光照射装置はまた、パルスレーザ装置３ａが出力するレーザビームを直角方向に反射する第１の反射鏡３ｂ１と、第１の反射鏡３ｂ１によって反射された方向をさらに直角方向に反射する第２の反射鏡３ｂ２とを有し、２つの反射鏡３ｂ１及び３ｂ２によって、レーザビームの方向をパルスレーザ装置３ａからの出射方向と逆方向に変えているが、その理由は後述する。
【００４８】
パルスレーザ装置３ａがスラブ型Ｎｄ：ＹＡＧ結晶を使用している関係で、レーザビームのスポットが長方形になり、縦と横の広がり特性が異なり、離れるに従ってビーム形状がより長方形になる。そこで、レーザ光照射装置はまた、円形孔をもつアパーチャをレーザ装置共振器内に挿入し、パルスレーザ装置３ａと第１の反射鏡３ｂ１の間と、第１の反射鏡３ｂ１と第２の反射鏡３ｂ２の間のレーザビームの光路に、ビーム広がりによるビームパターンの長方形化を防ぎ、レーザ出力を有効に使用できるようにする第１の瞳転送用レンズ３ｃ１及び第２の瞳転送用レンズ３ｃ２が設けられ、丸いスポット形状のレーザビームが得られる構成となっている。
【００４９】
レーザ光照射装置はさらに、第２の反射鏡３ｂ２によって反射され、高圧装置１の空所内に拘束されている高圧誘起材料に一方のサファイアアンビル１ａを透過して注入するレーザビームの最小ビーム径が高圧誘起材料の先方に形成されるようにビーム径を絞り、高圧誘起材料に対するレーザビームの照射スポットの大きさを決定する絞り手段としての絞りレンズ３ｄ１及び対物レンズ３ｄ２と、対物レンズ３ｄ２の焦点合わせ、及び、レーザビーム照射位置とスポット径の設定の際に使用する監視系３ｅとを有する。レーザビーム照射位置とスポット径の設定の際には、レーザビーム光路上には図示しない減光フィルタが置かれる。
【００５０】
絞りレンズ３ｄ１及び対物レンズ３ｄ２は、互いに連動しており、対物レンズ３ｄ２の焦点を、図２に示すサファイアアンビル１ａと高圧誘起材料２との界面に合わせたとき、絞りレンズ３ｄ１及び対物レンズ３ｄ２を透過したレーザビームのビーム径が界面における高圧誘起材料２の端面の形状に略合致するように絞りレンズ３ｄ１が自動的に調整されるように構成されている。
【００５１】
監視系３ｅにおいては、照明光源３ｅ１からの照明光をビームスプリッタ３ｅ２によって反射して対物レンズ３ｄ２を通じて入射させることで、サファイアアンビル１ａと高圧誘起材料２との界面を照明し、この界面の様子を、対物レンズ３ｄ２及びビームスプリッタ３ｅ２及び３ｅ３を介してＣＣＤカメラ３ｅ４によって撮像し、モニタ３ｅ５に映し出すことによって、モニタ３ｅ５に映し出された界面を観察しながら対物レンズ３ｄ２の焦点が、界面が鮮明に映し出されるように調整されて、界面上に合わされる。
【００５２】
このように対物レンズ３ｄ２の焦点が合わされた状態では、上述したように、レーザビームのビーム径が界面における高圧誘起材料２の端面の形状に略合致するようになる。そして、パルスレーザ装置３ａから低レベルの試行用のパルスレーザ光を出射すると、界面にある高圧誘起材料２に照射されたレーザビームのスポットがモニタ３ｅ５によって観察できるようになり、ビーム径が界面における高圧誘起材料２の端面の形状に略合致しているかどうかが確かめられる。略合致していることが確かめられた後は、監視系３ｅのビームスプリッタ３ｅ２及び３ｅ３は、図に矢印で示されるように、レーザビームの光路外に移動される。
【００５３】
上述したように、監視系３ｅを用いてパルスレーザの照射位置と照射径を調整した後、監視系３ｅのビームスプリッタ３ｅ２及び３ｅ３をレーザビームの光路外に移動させ、パルスレーザ装置３ａから所定のレベルと持続時間のレーザビームを出力させる。このレーザビームは、瞳転送用レンズ３ｃ１、第１の反射鏡３ｂ１、瞳転送用レンズ３ｃ２、第２の反射鏡３ｂ２、絞り手段としての絞りレンズ３ｄ１及び対物レンズ３ｄ２、及び、サファイアアンビル１ａを介して空所１′内に体積膨張を拘束して収容した高圧誘起材料２に照射され、このレーザビームの照射によって加熱された高圧誘起材料２の原子間の結合が分解して体積膨張するようになる。原子間の結合の分解によって生じる体積膨張の力は非常に大きく、空所１′内に超高圧が発生するようになる。
【００５４】
図１に示す超高圧発生装置は、空所１′内に発生した超高圧を測定するための圧力測定手段としての圧力測定系と、高圧誘起材料２が分解したとき、空所１′内から輻射される輻射光の波長を計測して空所１′内の温度を測定する温度測定手段としての温度測定系とをさらに備えるが、圧力測定系及び温度測定系の構成を説明する前に、圧力測定及び温度測定系の原理を、図３を参照して説明する。
【００５５】
図３に示すように、パルスレーザのビームＢが透過されるサファイアアンビル１ａと対向してガスケット１ｃを挟んで空所１′を形成しているサファイアアンビル１ｂと高圧誘起材料２との界面の近傍に位置するように、波長遷移材料としてのルビー４ａが高圧誘起材料２とともに空所１′内に収容されている。レーザビームの照射によって加熱された高圧誘起材料２はその原子間の結合が分解し、この分解によって生じる体積膨張の力は空所１′内の高圧誘起材料２を介してサファイアアンビル１ｂとの界面に伝わり、波長遷移材料としてのルビー４ａには発生した超高圧が加わる。
【００５６】
ルビー４ａは、サファイアアンビル１ｂを透過して励起用レーザビームＢ１が照射されることによって励起され、蛍光Ｂ１１を発しているが、その波長は空所１′内のルビー４ａに加わっている圧力の大きさに応じて変化する。従って、ルビー４ａが放出する蛍光Ｂ１１の波長を計測することによって、空所１′内に発生した超高圧の大きさを測定することができる。
【００５７】
また、サファイアアンビル１ｂを透過して励起用レーザビームＢ１を照射していない状態で、空所１′内からサファイアアンビル１ｂを透過して放出されるサファイアアンビル１ｂとの界面にある高圧誘起材料２、すなわち、圧力面からの輻射光Ｂ２のスペクトルを測定し、測定したスペクトルが光学系を透過する際に受ける影響を取り除くため、基準光について測定した結果によって測定波長を補正して超高圧の発生している空所１′内の圧力面の温度を測定することができる。
【００５８】
再び図１に戻って説明すると、圧力測定系及び温度測定系は、励起用レーザビームＢ１をルビー４ａに照射させるための対物レンズ４ｂと、対物レンズ４ｂの焦点合わせの際に使用する監視系４ｃとを有する。
【００５９】
監視系４ｃは、監視系３ｅとほぼ同じような構成を有し、照明光源４ｃ１からの照明光をビームスプリッタ４ｃ２によって反射して対物レンズ４ｂを通じて入射してサファイアアンビル１ｂと高圧誘起材料２との界面を照明させ、この界面の様子を、対物レンズ４ｂ及びビームスプリッタ４ｃ２及び４ｃ３を介してＣＣＤカメラ４ｃ４によって撮像し、モニタ４ｃ５に映し出すことによって、モニタ４ｃ５に映し出された界面を観察しながら対物レンズ４ｂの焦点が界面に合わされて、界面がモニタ４ｃ５に鮮明に映し出されるように調整される。
【００６０】
対物レンズ４ｂの焦点が界面に合わされた後は、監視系４ｃのビームスプリッタ４ｃ２及び４ｃ３は、図に矢印で示されるように、光路外に移動される。圧力測定する際には、監視系４ｃのビームスプリッタ４ｃ２及び４ｃ３を光路外に移動させた状態で、励起用レーザビームＢ１を発生するアルゴンレーザ（図示せず）からのレーザビームは、ビームスプリッタ（図示せず）によって反射された後、対物レンズ４ｂを介して空所１′内のルビー４ａに照射され、ルビー４ａが励起されて蛍光Ｂ１１を発する。ルビー４ａが発する蛍光は、ビームスプリッタ（図示せず）を透過して分光器（図示せず）に送られて分光される。
【００６１】
温度測定する際には、サファイアアンビル１ｂの圧力面からの輻射光Ｂ２を、対物レンズ４ｂが平行光にして分光器（図示せず）に送り、そのスペクトルを測定し、測定したスペクトル波長を補正した上で、超高圧の発生している空所１′内の圧力面での温度を測定する。なお、４ｄはパルスレーザ波長用ノッチフィルタで、パルスレーザ光が万が一にも測定系に至って測定光学系を破損させないように、パルスレーザ波長の光だけを遮断するためのものである。
【００６２】
上述した構成の超高圧発生装置を使用し、高圧誘起材料としての黒鉛の粉末を、高圧装置１の一対のサファイアアンビル１ａ及び１ｂがガスケット１ｃとともに形成した空所１′内にルビー４ａとともに体積膨張を拘束して収容し、ＹＡＧレーザからなるパルスレーザ装置３ａの発生する波長１０６０ｎｍ、図４に示すように持続時間約０．５ｍｓのパルスレーザビームを一方のサファイアアンビル１ａを透過して照射し、黒鉛を加熱して原子間の共有結合を分解し、そのときルビー４ａから発せられる蛍光を分光器によって分光し、時間に対する波長の変化を測定したところ、図５（ｂ）に示すような分光特性が得られた。同図に波長に対応して示した圧力のスケールから分かるように、高圧装置１の空所１′内には、黒鉛の原子間の共有結合の分解によって、４００〜５００ＧＰａの超高圧域が０．５ｍｓ近く持続して発生していることがわかる。なお、このときパルスレーザ装置３ａが供給した総エネルギーを計算して見たところ、０．２５Ｊ（ジュール）であり、単位面積単位時間当たりに換算すると、３．５×１０6 Ｗ／ｃｍ2 であった。同図（ａ）はパルスレーザの波長と持続時間を示している。なお、図５中の圧力スケールは、良く知られている圧力ｐ［Ｍｂａｒ］とルビーＲ1 蛍光線の波長シフトΔλ［ｎｍ］の関係式ｐ＝３．８０８［（Δλ/６９４．２＋１）5 −１］から求めたものである。
【００６３】
図３について上述した例では、波長遷移材料としてのルビー４ａの粒子を使用している。これに代えてルビー粉末を使用した場合の例を、図６を参照して、以下説明する。
【００６４】
ルビー粉末は、ルビーの蛍光波長遷移によって圧力を間接的に測定するための材料であり、重量１％クロムイオンのルビー粒子を潰して得られたものが用いられた。図６の例では、このルビー粉末４ａ′の使用に伴って、層状に配されたルビー粉末４ａ′と高圧誘起材料２として黒鉛粉末との間に圧力媒体として働く鉄粉末５を挟むようにし、黒鉛粉末としては、グラシーカーボンを使用され、パルスレーザーが照射されるアンビルの圧力面側に層状に配されている。
【００６５】
より詳細には、ルビー粉末、鉄粉末、黒鉛粉末は、この順に厚さ０．２ｍｍのＣｕ−Ｂｅガスケットに開けられた直径０．１５ｍｍの孔に詰め込まれ、サファイアアンビル１ａ及び１ｂの圧力面間に挟んで加圧された。拘束および加圧にはネジクランプタイプのサファイアアンビルセルが用いられている。
【００６６】
ルビー蛍光線は高圧実験中連続アルゴンレーザーからの５１４．５ｎｍレーザー光Ｂ１によって励起した。ルビー粒子からの光はノッチフィルター付き分光器に送られ、分散された光は冷却ＣＣＤによって検出された。時間分解ルビー蛍光スペクトルは１０２４×２５６ピクセルを持つ冷却ＣＣＤによって３０ｍｓ毎に記録された。ルビー蛍光線スペクトルはＣＣＤのピクセルラインに記録された。
【００６７】
効率よく超高圧を発生するためには、粉末試料を隙間なくガスケット穴に詰め込む必要がある。サファイアアンビルにあまり大きな応力を掛けることなく、ガスケットをあまり潰すことなく試料を詰め込むために、サファイアアンビルによって約５ＧＰａで加圧した後、試料に弱いＹＡＧパルスレーザー光（パルスエネルギー：０．０６Ｊ、パルス幅：０．２ｍｓ）を照射して試料だけに圧力を加え、さらにサファイアアンビルセルの３つのねじを軽く締め付けた。
【００６８】
図７（ａ）、（ｂ）、および（ｃ）はＹＡＧパルス（パルスエネルギー：１．５Ｊ、パルス幅：０．４ｍｓ）が照射された試料のルビーからの蛍光のＣＣＤカメラ記録を異なるグレースケールで示したものである。図７（ｄ）はＹＡＧレーザーパルスのＣＣＤ記録を示している。同図において、（ｂ）のグレースケールは（ａ）の２０倍、（ｃ）は（ｂ）の１５倍にして表示してある。ｔ＝０はＹＡＧパルスのピークである。
【００６９】
図７（ａ）からは、ＹＡＧパルスがピークに達してから約０．３ｍｓ後、高圧が発生し、ルビーから長波長の蛍光が発し始め、その直後に蛍光がほとんどなくなり、さらに約２ｍｓ後再び蛍光を放射するようになったことが分かる。圧力発生開始時におけるルビーの温度は、このときのＲ線の強度とＹＡＧレーザー照射前の強度との比（０．６）から約３８０Ｋと推定され、この時点でルビーの蛍光寿命はほぼ３ｍｓであると考えられる。試料の熱伝導率を考慮すると、この圧力発生開始時でルビー粒子の温度は低下しつつある状態にあると考えられ、圧力による蛍光寿命の増大を考慮すると、ＵおよびＹ光吸収バンド（４Ａ２→４Ｔ２、４Ａ２→４Ｔ１）が高エネルギー側にシフトしたとしても、測定中ルビー蛍光は十分に持続するはずである。また、図７（ｂ）からは、最長波長（８６０ｎｍ）が０．４８ｍｓで射出されることが、図７（ｃ）からは、最長波長（９５０ｎｍ）が０．４２ｍｓで射出されていたことがそれぞれ分かる。
【００７０】
図７（ａ）、（ｂ）、および（ｃ）いずれも、広い範囲の波長のルビー蛍光が１ピクセルラインに記録されていることを示しており、変化が急激であること、圧力が非静水圧的であることを示唆している。ルビーには圧力により長波長側にシフトするそれぞれ２Ｅ→４Ａ２と２Ｔ１→４Ａ２遷移に帰属される幅が狭いＲおよびＲ’バンドが存在する。常圧において、Ｒ’バンドはＲバンドよりも低波長側に存在するが、Ｒバンドよりも圧力の影響を受けやすく、２００ＧＰａを越えると、Ｒバンドよりも長波長側に位置するようになる。ＲおよびＲ’バンドの圧力依存性を考慮すると、９５０ｎｍの蛍光はＲ’バンドによると考えられる。また、０．４８ｍｓでの８６０ｎｍの蛍光はＲバンドによるものであると考えられ、Ｒ’バンドはエネルギーギャプが０に近づいて消滅し、Ｒバンドが観察されるようになったと推定される。対応する圧力下でのバンド幅がはっきりしないので発生圧力の決定は難しいが、波長９５０ｎｍのＲ’バンドと８６０ｎｍのＲバンドはそれらの圧力依存性を考慮すると、それぞれ６００ＧＰａおよび７３０ＧＰａの圧力に相当する。
【００７１】
したがって、図７（ａ）および（ｂ）は０．４２ｍｓで圧力が急激に減少したのではなく、０．４２から０．４８ｍｓの間では圧力が上昇しつつある状態であったと推定され、それ以降さらに圧力が増大することによりＲ’、Ｒバンドが検出されなくなったと考えられる。図７における蛍光の消滅は、凡そ７００ＧＰａ以上の圧力が１ｍｓ以上維持したことを示している。
【００７２】
図８は粉体試料の気孔を事前に小さなエネルギーのパルス照射により潰すことなく、パルスエネルギー１．５Ｊ、パルス幅０．４ｍｓのＹＡＧパルスを照射して得られたルビー蛍光のＣＣＤ記録を、図７と同様に異なるグレースケールで示したものである。これらの図からルビーから発せられた蛍光の波長は事前に隙間を潰すためのパルス照射を行った図７の場合と比較してかなり短いことがわかる。さらに蛍光が消滅している時間も短い。この結果は本方法において粉末試料を加圧する場合、事前に気孔を潰して置くことによる効果が非常に大きいことを示している。事前にパルスエネルギーを照射する方法は、大きな試料室の確保が可能であるサファイアアンビルを用いた本超高圧発生方法において、硬度が大きい粉末試料の焼結を容易にする上で有効な方法である。
【００７３】
上述の実験における温度については実測していないが、黒鉛の原子間の結合を分解することから４０００Ｋ以上の温度が発生しているものと考えられる。また、実験結果からは、パルスレーザビームのピーク値を上げることは勿論、ピーク値は変えず持続時間を延ばすことによって、発生する超高圧のピーク値を１ＴＰａ或いはそれ以上に上げることができることが分かる。
【００７４】
上述したように、絞りレンズ３ｄ１及び対物レンズ３ｄ２により構成されている絞り手段によって、レーザビームのビーム径が界面における高圧誘起材料２の端面の形状に略合致するように調整されることにより、パルスレーザ光は、その最小ビーム径が高圧誘起材料の先方に形成されるようになり、高圧誘起材料を加熱してその原子間の結合を分解させレーザビームのエネルギーレベルの大きな最小ビーム径の部分が、レーザビームが透過する光透過性材料であるサファイアアンビル１ａ中に存在することがなくなる。このことによって、パルスレーザ装置３ａが出力するレーザビームの出力レベルが大きくなっても、サファイアアンビル１ａが局部的に温度上昇して熱ひずみによって破損することを防ぐことができ、空所内の高圧誘起材料に、より大きな光エネルギーを比較的長い時間の間注入することを可能にするので、発生する超高圧をより大きくし、かつより長い時間維持することが可能になる。
【００７５】
図２について上述した、一対のサファイアアンビル１ａ及び１ｂとガスケット１ｃとによって形成されたる空所１′に収容される高圧誘起材料２としては、光吸収係数及び原子間の結合力が大きい例えば黒鉛のような単一材料、又は、光吸収係数、原子間の結合力の少なくとも一方が大きい黒鉛、金属、水などの材料を複合して作成され、全体として、光吸収係数及び原子間の結合力が大きい複合材料が使用できる。金属としては、コバルト、シリコン、ニッケル、タングステンなどの材料が適用できる。また、これらの材料は、空所１′内への収容などを考慮して粉体状にして使用され得る。
【００７６】
なお、高圧誘起材料２として光吸収係数が大きいことは、外部から注入される光エネルギーを効率よく吸収して注入する光エネルギーが少なくてもより高い温度に上昇することができるようになる。また、原子間の結合力が大きいことは、原子間の結合の分解によってより大きな体積膨張の力が得られ、空所１ｃ内により大きな超高圧を発生することができるようになる。
【００７７】
また、高圧誘起材料を体積膨張を拘束して収容する空所の一部分を形成し、外部から空所内の高圧誘起材料に注入される光エネルギーを透過する光透過性材料としてのサファイアアンビル１ａ及び１ｂは、空所内に発生する超高圧に耐えるだけの強度を備えるだけでなく、光吸収係数が極めて小さく、透過する光エネルギーを吸収し難いので、自身が温度上昇し難く、それだけ大きな光エネルギーを透過しても破損し難い。さらにまた、ダイヤモンドと比較して反射率が小さいので、効率よくパルスレーザーを試料に照射できる。因みに、ＹＡＧレーザー光（波長：１．０６μｍ）に対して、反射率はダイヤモンドの場合約１７％であるが、サファイアの場合約７％である。また、サファイアは比較的大きな結晶体を安価に入手でき、より大きな空所を形成することができる点でも、ダイヤモンドに比べて優れている。さらに、サファイアは熱伝導率も低く、高圧誘起材料２に注入した光エネルギーによって加熱された高圧誘起材料２の熱を外部に逃がさず保持し、空所内に発生した超高圧をそれだけ長い時間維持できるようにする上でも有効である。
【００７８】
なお、上述した例では、高圧装置１は、その空所１′を、一対のサファイアアンビル１ａ及び１ｂによりガスケット１ｃをその両面より対向させて挟んで形成している、もっとも簡単な構造の対向アンビル型高圧装置として構成されているが、３つ以上のアンビルを用いて空所を形成するようにすることによって、より大きく、また一方向からだけでなく、複数方向から光エネルギーを注入することも可能になり、より大きな超高圧を発生することが期待できる。
【００７９】
なお、対向アンビル型高圧装置を使用したものにおいて、対向する２つのアンビルの各々からパルスレーザビームを注入する構成としては、図９に示すようなものが簡単に考えられる。すなわち、単一のパルスレーザ装置３ａが出力するレーザビームは、ビームスプリッタ１０ａによって直進するビームと反射されたビームの２つにビームに分割される。直進されたビームは図１の場合と同じに対物レンズ３ｄ２を介してサファイアアンビル１ａを通じて入射される。一方、反射されたビームは、瞳転送用レンズ１０ｂを介して入射されたビームスプリッタ１０ｃによって直交する方向に反射された上でサファイアアンビル１ｂを通じて入射される。このことで、図１０に示すように、高圧装置１の空所１′の相反する２方向から光エネルギーが注入されるようになり、図１のものに比べて２倍以上の大きさの超高圧を空所内の中央に発生することが可能になる。
【００８０】
なお、図９の例では、図１に示す絞り手段としての絞りレンズ３ｄ１及び対物レンズ３ｄ２と配列方向は逆になっているが実質的に同一の構成、機能を有する絞り手段としての絞りレンズ１１及び対物レンズ１２と、監視系３ｅ（図１）と実質的に同一の構成、機能を有する監視系１３とが対物レンズ４ｂに代えて、他方のサファイアアンビル１ｂに対応して設けるだけで実現されている。
【００８１】
なお、監視系１３のビームスプリッタは、パルスレーザの照射位置と照射径を調整した後、図１の監視系３ｅの場合と同様に、レーザビームの光路外に移動される。また、絞り手段としての絞りレンズ１１及び対物レンズ１２と監視系１３は、ビームスプリッタ１０ａ及び１０ｂと一緒に、圧力測定及び温度測定を行うときには光路外に外され、対物レンズ４ｂが元の位置に戻される。
【００８２】
以上説明した実施形態によれば、１ＴＰａ以上の超高圧発生を可能にするだけでなく、従来の方法と比較して、その圧力維持時間は４桁ほど長く、発生に必要なパルスレーザー出力も数桁小さい。これまでの１ＴＰａの超高圧を発生できる実験装置と比べれば、その規模ははるかに小さい。さらに、拘束用のアンビルとして、サファイアアンビルを用いれば、ｍｍ3 オーダーの高圧室の確保も可能である。このように、本発明では、これまでに存在する何れの超高圧発生法によっても達成できない高圧発生能力を持っている。この装置を用いれば、新規な物性的或いは化学的性質を有する新しい物質の合成や未知の物性を発見する可能性が格段に高められる。さらに、本発明の方法において、拘束用にサファイアよりも硬質のダイヤモンドアンビルを用いれば、工夫によっては、１ＴＰａよりも更に数桁高い超高圧の発生が期待できる。
【００８３】
本発明は、光透過性の物体によって拘束された物体にパルスレーザーを照射して分解させ、その膨張を拘束することにより、１ＴＰａ（１０００万気圧）以上の超高圧力の発生を可能にし、従来の１ＴＰａ以上の超高圧を発生できるレーザーショック法と比較して４桁以上長く、数１００ＧＰａ以上の超高圧発生が可能である二段式ガス衝撃装置など衝撃銃法よりも３桁以上長い高圧力維持時間を実現でき、静的高圧発生が可能であるダイヤモンドアンビル高圧装置の試料容積（４００〜５００ＧＰａ発生時、１０-9ｃｍ3 ）と比べて、数桁大きく取れ、レーザーショック法と比較して桁違いに少ないエネルギーの投入によって超高圧発生が可能である超高圧発生方法を提案し、これまでには不可能であった新規な物理的及び科学的性質を持つ物質の合成や未知の物質の性質を探求するための手段を提供する。
【００８４】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１記載の本発明は、高圧誘起材料に注入した光エネルギーは原子間の結合を分解するに必要な温度に加熱するだけでの小さなものでよく、また、原子間を結合している大きな力に抗して分解することによって得られる体積膨張の力が非常に大きいため、体積膨張を拘束している空所内に発生される超高圧も非常に大きなものとなり、従来得られなかった大きな超高圧力の発生を可能にする。しかも、空所内で超高圧を受ける試料が粉末状であるとき、空所内に本格的な超高圧を発生するに先だって、拘束によっては取り除くことのできない試料が有する微細な空孔を事前に発生した超高圧によって減少させておくことできるので、空所内に本格的な超高圧を発生させたとき、発生した超高圧のピーク値をより高く、持続時間をより長いものにすることができる超高圧発生方法を提供することができる。
【００８５】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明の効果に加え、高圧誘起材料を加熱するのに適した波長のレーザビームを発生する既存のパルスレーザ装置を利用して、パルスレーザビームの強さとその持続時間を制御することで、光エネルギーを効率よくかつ調整して注入することができ、従来と比較してより長い高圧力維持時間を実現できる超高圧発生方法を提供することができる。
【００８６】
請求項３記載の発明は、請求項２記載の発明の効果に加え、光透過性材料が効率よく外部からの光エネルギーを透過し、吸収によって温度上昇し難く、それだけ熱歪みも発生し難くなり、より大きな光エネルギーを高圧誘起材料に照射してより大きな超高圧の発生を可能にする超高圧発生方法を提供することができる。
【００８７】
請求項４記載の発明は、請求項３記載の発明の効果に加え、サファイアはダイヤモンドに比べて反射率が小さく、しかも安価で比較的大きな結晶のものが安価に得られ、超高圧を発生する空所を形成する材料として都合がよいので、従来と比較してより大きな超高圧空所を実現できる超高圧発生方法を提供することができる。
【００８８】
請求項５記載の発明は、請求項１記載の発明の効果に加え、外部から注入するエネルギーが小さくても大きな体積膨張の力が得られ、高圧誘起材料が光吸収係数、原子間の結合力の少なくとも一方が大きい材料を複合して作成され、全体として、光吸収係数及び原子間の結合力が大きい複合材料からなるので、材料の組み合わせによって、超高圧の発生とその後の変化パターンを制御することが可能になるので、利用対象に応じて超高圧をコントロールして発生することのできる超高圧発生方法を提供することができる。
【００８９】
請求項６記載の発明は、請求項５記載の発明の効果に加え、高圧誘起材料として、原子間の結合力の大きな、共有結合、金属結合又は水素結合の材料から必要に応じて選択して使用することができるので、利用対象に応じて超高圧を発生するための高圧誘起材料を選択して使用することができ、高圧誘起材料内の温度勾配を制御して、加圧と加熱を目的とする材料の温度を制御することを可能にする超高圧発生方法を提供することができる。
【００９０】
請求項７記載の発明は、請求項５記載の発明の効果に加え、高圧誘起材料として黒鉛単体で好ましく超高圧を発生することができる超高圧発生方法を提供することができる。
【００９１】
請求項８記載の発明は、請求項２記載の発明の効果に加え、パルスレーザ光のピークが光透過性材料中に位置されなくなり、それだけ光透過性材料中での局所的な温度上昇を防ぐことができるので、より強力なパルスレーザビームを使用することが可能になり、より大きな超高圧を発生するのに都合の良い超高圧発生方法を提供することができる。
【００９２】
請求項９記載の発明は、黒鉛に注入した光エネルギーは黒鉛の原子間の共有結合を分解するに必要な温度に加熱するだけでの小さなものでよく、また、原子間を共有結合している大きな力に抗して分解することによって得られる体積膨張の力が非常に大きいため、体積膨張を拘束している空所内に発生される超高圧も非常に大きなものとなり、従来得られなかった大きな超高圧力の発生を可能にし、従来と比較してより長い高圧力維持時間を実現でき、従来と比較してより大きな超高圧空所を実現でき、かつ、従来と比較して桁違いに少ないエネルギーの投入によって超高圧発生が可能である。しかも、空所内で超高圧を受ける試料が粉末状であるとき、空所内に本格的な超高圧を発生するに先だって、拘束によっては取り除くことのできない試料が有する微細な空孔を事前に発生した超高圧によって減少させておくことできるので、空所内に本格的な超高圧を発生させたとき、発生した超高圧のピーク値をより高く、持続時間をより長いものにすることができる超高圧発生方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明による超高圧発生方法を使用して超高圧を発生する超高圧発生装置の一例を示す構成図である。
【図２】  図１中の高圧装置の具体的な構成を一部断面にて示す側面図である。
【図３】  本発明の方法によって発生した超高圧と、超高圧時に発生する温度とを測定する方法を高圧装置を用いて説明するための説明図である。
【図４】  図１中のパルスレーザ装置が出力するパルスレーザの波形を示すグラフである。
【図５】  高圧誘起材料として黒鉛を使用し、超高圧を発生したときの照射したパルスレーザ（ａ）と、超高圧発生に伴ってシフトしたルビー蛍光波長及び圧力の関係（ｂ）とを示す図である。
【図６】  波長遷移材料としてのルビー粉末を使用したことに伴い図３に対応する装置の変わった部分を説明するための説明図である。
【図７】  図６の装置において、超高圧を発生したときの照射したパルスレーザと、超高圧発生に伴ってシフトしたルビー蛍光波長の関係とを、事前にパルスレーザを照射した場合について示した図であり、（ａ）〜（ｃ）は異なるグレースケールで示すルビー蛍光波長の記録、（ｄ）は照射したパルスレーザを示す。
【図８】  事前にパルスレーザを照射しなかった場合の図７に対応するものを示す図である。
【図９】  本発明による超高圧発生方法を使用して超高圧を発生する超高圧発生装置の他の例を示す構成図である。
【図１０】  図９中の高圧装置の具体的な構成を一部断面にて示す側面図である。
【符号の説明】
１              高圧装置（拘束手段）
１′            空所
１ａ、１ｂ      サファイアアンビル（光エネルギー透過性材料）
２              黒鉛（高圧誘起材料）
３ａ            パルスレーザ装置
３ｄ１          絞りレンズ（絞り手段）
３ｄ２          対物レンズ（絞り手段）
【図１】
0004319825.tif 000002
【図２】
0004319825.tif 000003
【図３】
0004319825.tif 000004
【図４】
0004319825.tif 000005
【図５】
0004319825.tif 000006
【図６】
0004319825.tif 000007
【図７】
0004319825.tif 000008
【図８】
0004319825.tif 000009
【図９】
0004319825.tif 000010
【図１０】
0004319825.tif 000011