2 段式軽ガス銃を用いた開放系気相化学分析: 炭酸塩岩の衝突脱ガス○黒澤 耕介 1, 大野 宗祐 2, 杉田 精司 3, 三重野 哲 4, 松井孝典 2, 長谷川 直 1
1.ISAS/JAXA, 2. PERC/Chitech, 3. 東大 新領域, 4. 静岡大 理

要旨
衝 突 蒸 発 /脱 ガ ス 量 を 支 配 す る 物 理 量 を 決定す る ため に, 炭 酸塩 岩 を用 い て開 放 系 衝突脱ガス実験を行った。その結果、大規模 な脱ガスは熱力学平衡理論から予測される圧 力以上で開始し、脱ガス開始圧力以上の衝撃 圧力で の 脱 ガ ス 量 は ”Entropy method”と 呼 ば れ る理論の推定値とよく一致した。今回の結 果は脱ガス量を決定づける物理量はエントロ ピーであり、実験室スケールであっても断熱 的な圧力 開 放, 熱力 学 平衡 が 成立 し てい る こ とを強く示唆する。
はじめに惑星形成の最終期において高速度衝突はありふれた現象となる。衝突速度が増加すると、衝撃波の伝播によって、天体内部に含ま れてい る揮 発 性 成 分 が放 出 さ れ た り(脱 ガ ス)、岩石 そ の も の が 蒸 発 し た り す る [1]。 衝 突 蒸 発 /脱 ガス 過 程 は 、(1)原始 大 気, 海 洋, 生 命 の起源[e.g., 2-4], (2)表層環境大変動[e.g., 5, 6]などに重要な役割を果たして来たと考えられ ている。またクレーター周辺に残された化学 的痕跡は衝突蒸発で誘起された化学反応生成 物由来かもしれないとする研究もある[e.g., 7]。この場合、過去の太陽系の力学進化に対し ての情報を得ることができる可能性がある。
このような重要性にも関わらず、個々 の天体衝突で生じる最終生成物の組成はおろ か、どのくらいの蒸気が発生するのかさえ理 解されていない。例えば本研究で扱う炭酸塩 は多くの先行研究がなされてきたが、脱ガス 開始圧力の推定値に大きなばらつきがある[e.g., 8,9]。実験 研究 では 実験 手法 に問 題が あり 、理論研究では使用されている状態方程式に 大きな不定性がある。実験手法の問題点とし て代表的なものとしては、コンテナを用いた 閉鎖系回収実験では脱ガスした気体が膨張す るための自由空間が確保できず、逆反応が起 きてしまうこと、反射衝撃波が発生し、天然 衝突との対応関係が不明瞭であることが挙げ られる[e.g., 10]。静電加 速器や レーザ ー銃と 四重極質 量 分析 器(QMS)を組 み 合わ せ た開 放 系衝突脱ガス実験 手法も存在 するが[9, 11]、幅広く衝突速度を振ることができず、脱ガス を支配する物理量を決定するには不十分であった。
これらの問題は２段式軽ガス銃を用いて 開放系脱ガス実験を行うことができれば解決 できる。本研究では弾丸加速のための化学汚 染ガスを極力抑える開放系気相化学手法を開発し、炭酸塩岩に適用した。
２段式軽ガス銃による開放系衝突実験実験は宇宙科学研究所に設置された新 型２段式軽ガス銃(以下 ISAS 銃)を用いて行った。
これまで２段式軽ガス銃を用いた開放系 気相化学分析は報告されていない。本研究では(1)加速ガス拡散用巨大ガス溜め(~2000 L), (2)極薄プラスチックフィルム(~12 µm 厚), (3)自動ゲートバルブを用いて化学汚染ガスを極 力抑える手法を開発した。ISAS 銃の装置構成では弾丸発射後に化学汚染ガスが装置全体に 拡散すると~700 Pa になる。衝突が起こる実験チェンバー(~40 L)をそれより高圧に保っておけば、化学汚染ガスはチェンバー内に侵入でき ず、生成ガスを分析可能であるはずである。
以下に具体的な実験手順を示す。まず 実験
チェンバー内に標的を、入口にプラスチ ック
フィルムを設置し、真空に引く。続いて 不活性ガスの Ar を導入する。今回は衝突生成ガスが効率よく QMS に導入される様に Flow 系を採用した。Ar の流入と排気が釣り合うチェン
バー内平衡圧力を 2700 Pa とした。この状態で QMS に気体を導入し(QMS 内圧力, 2 x 10 -3Pa)計測を開始する。安全な場所に退避し、弾丸を発射する。弾丸加速ガスは実験チェ ンバー前面に配置された巨大ガス溜めで大部 分拡散する。弾丸はプラスチックフィルムを 貫通して、実験チェンバー内に侵入し、標的 に衝突するが、弾丸加速ガスはチェンバー内の Arガスに遮られ、実験チェンバー内には侵 入できない。そのままではプラスチックフィ ルムに開いた弾丸の貫通痕から衝突生成ガス も逃げてしまうが、弾丸発射時の電気信号で 動作する自動ゲートバルブで再び気密性を回 復させる。このようにすると化学汚染を防ぎ つつ生成気体のみを分析することが可能であ る。
またチェンバー内に一定量存在する Ar ガスとの量比を測ることで、生成気体の絶対 量を測定することもできる。弾丸にはプラス チッ
クフィルム貫通の際に壊れることのないAl 2 O3 を用いた。衝突速度は 1.9 – 6.7 km/s (衝撃圧力, 20-110 GPa)の範囲で変化させた。

実 験 結 果 , 衝 突 速 度 vs CO2 生 成 量
Shot 前 後 で H 2 ( 弾 丸 加 速 ガ ス の 主 成 分(>99%))に対応する M/Z (平均分子量/電荷)= 2の 電 流 値 が 変 化 する か 調 べ た と こ ろ 、1 shotを除いて、変動が見られなかった。これ は狙
い通り、実験チェンバーへの化学汚染ガ ス成分の侵入を抑えることができたことを意 味する。電流値が増加した 1 Shot も Back ground
成分に 対し て~10 %程 度の 増加 であ った 。チェンバー内気体の主成分である Ar に対応す
る M/Z=36, 40 は Shot 前後でほとんど変動しなかった。これは気体生成絶対量の高精 度計測が可能であることを意味する。対称的にCO 2 に対応する M/Z=44 は衝突後、大幅に上昇し 10 秒ほどかかってピーク値に達し、~80秒でピーク値の~10%程度まで減少した。最初の立ち上がりは衝突で気体が発生してからQMS に導入されるまでの時間を、その後の減少はチェンバー内の気体が常に排気され ていることに起因する。衝突速度が異なるデ ータに対する M/Z＝44 の電流値の時間変化曲線をピーク値で規格化して重ねると、大部分 のデータはよく一致した。これは電流値の時 間進化を決めているのは Ar の連続的供給＆排気の気体の流れであって 、CO 2 量ではないことを意味する。減衰曲線を時間に関する指 数関数で fitting して外挿し、衝突時刻の M/Z＝44と 36 の比を出すことで、CO 2 の生成絶対量を決定した。1-D インピーダンスマッチング法
から求めた衝撃圧力と CO2 生成量の関係をみたところ、先行実験研究で言われている 脱ガス開始圧力(20GPa, [e.g., 9])で CO 2 を検出することができていること、先行理論研究で 言われている衝撃圧力(50 GPa, [e.g., 5])で脱ガス量の傾向が変化すること、衝撃圧力に対 して脱ガス量は線形的に増加することがわかった。

ある。今回は自己相似的圧力伝播を仮定 し、衝撃圧力の減衰を考慮して脱ガス量を計 算した[e.g., 15]。モデル 計算は 熱平衡 理論か ら予想 さ れ る 脱 ガ ス 開 始 圧 力 (~50 GPa)よ り 高 い
衝撃圧力で、実験結果をよく再現した。 それ以下の圧力では多くの先行実験研究と同 様に脱ガスは検出されるもののその効率は非 常に低かった。これは Shear band のような局所加熱[16]に よ っ て 引 き 起 こ さ れ て い る と 考 えられるが、脱ガス効率が低いので、全脱ガ ス量に対する寄与は小さい。今回の実験と理 論の一致は脱ガス量を決定づける物理量は一 部でよく用いられるような衝撃圧力ではなく エントロピーであることを意味し、開放系脱 ガス
実験 で は等 エ ント ロ ピー 過 程 & 熱 化 学 平衡が成立していることを強く示唆する。

議 論 -Entropy method の 妥 当 性 今回世界的にも初めて幅広い衝撃圧力 に対する CO2 生成量を開放系で計測することができた。その結果をもとに衝突蒸発／脱ガ ス量の推定のために頻繁に用いられているEntropy method[e.g., 12-14]の妥当性の検 証を行った。今回の衝突速度に対応する衝突 後のエントロピーを計算し、チェンバー内雰 囲気圧まで断熱解放したときの蒸発率を計算した。
一つ複雑なのは、今回の実験では脱ガス は衝突 点の 近 傍(い わゆ る 等 圧 コ ア領 域)だ け ではなく、衝撃圧力が脱ガス開始圧力を超え た領域全体から起こっていると考えられるこ とで[11] Ahrens, T. J., & O’keefe, J. D., The Moon,

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