ダイヤモンドアンビルセル

ダイヤモンドアンビルセル (DAC)

ダイヤモンドアンビルセル（Diamond anvil cell、DAC）は、科学実験において非常に高い圧力を生成するための装置です。この装置は、最大で770 GPa、つまり770万気圧の圧力をかけることができるため、物質の性質や変化を深く探ることができます。通常は、100 GPaから200 GPaの範囲で試験片に圧力をかけることが一般的です。

この器具の主な用途は、地球や他の惑星の内部に存在する極端な圧力環境の再現や、新たな物質の合成、さらには相変化の研究です。例えば、通常の気圧では存在しない第10相の氷や金属水素、金属キセノンといった特異な物質を生成するために用いられています。

構造と機能

ダイヤモンドアンビルセルは、平らに研磨された二つのダイヤモンドから構成されています。これらは底面を向かい合わせにして設置され、試料に圧力が直接かかるようになっています。圧力をかける際、ダイヤモンドの底面に力が加わります。この圧力がかかることで、試料にかかる圧力が測定されますが、ルビーや銅、プラチナなど、事前に圧力の挙動がわかっている物質を基準とすることでより正確な測定が可能になります。

さらに、圧力を均等にかけるために、水素やヘリウム、パラフィン油といった圧力伝達物質を使用することもできます。これにより、試料は静圧の状態に置かれます。この圧力伝達媒体は、圧力をかける2つのダイヤモンドとガスケットによって保持されます。

試料は、ダイヤモンドを介してX線や可視光を用いて状態を観察できます。これにより、レーザーを用いた加熱や冷却、さらには蛍光分光法を利用した各種光学観測が行えるほか、磁場やマイクロ波を利用した観測も可能です。

原理

DACの基本原理は、

$$
p = \frac{F}{A}
$$

ここで、pは圧力、Fは加えられた力、Aは面積を表します。ダイヤモンドアンビルは比較的小さなサンプルに集中的に高圧をかけるよう設計されており、キュレットサイズは通常100〜250ミクロンです。さらにダイヤモンドは非常に硬く、ほとんど変形しない材料であるため、圧力を加える際のアンビルの劣化や破損のリスクを軽減できます。

歴史

ダイヤモンドアンビルセルの発展において、パーシー・ブリッジマンは重要な役割を果たしました。彼は「高圧物理学の礎を築いた功績」によりノーベル賞を受賞した偉大な科学者であり、20世紀初頭にタングステンカーバイド製のアンビルセルを発明しました。当時の装置には制約があったため、改良が進み現在のDACへと進化しました。また、1974年にはレーザー加熱を用いる新しいアプローチが報告され、さらに研究が進展しました。

関連項目

• - 金床（アンビル）
• - 万力
• - 流体静力学
• - ダイヤモンドの物質特性

出典

• - “Putting the Squeeze on Materials”. Science & Technology Review. ローレンス・リバモア国立研究所. 2008年11月20日時点のオリジナルよりアーカイブ。2009年5月5日閲覧。

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