JP5134447B2 - ピストンシリンダー型の高圧力発生装置 - Google Patents

Description

本発明は、高精度で高圧力下磁気測定を行うためのピストンシリンダー型の高圧力発生装置に関するものである。

物性研究における磁気測定は、従来、温度と磁場という２つのパラメーターのもと行われてきたが、近年、新たに圧力というパラメーターを導入し、高磁場・極低温・高圧力という複合的な極限環境下で、磁気機能性を探索する物性研究が盛んになりつつある。

図４は、一般的なピストンシリンダー型の高圧力発生装置を説明する図である。試料、及びこの試料に圧力を伝え静水圧性を保持するための液体圧力媒体が封入されるカプセルは、互いに対向配置された一対のピストン間に形成される圧力空間の中に配置される。一対のピストン受けは、それぞれシリンダー部の端部に係合するクランプナットにより軸方向に係止されている。一対のピストン受けは、それぞれクランプナット中央の開口を通して、例えば、油圧を用いて加圧され、かつ、このピストン受けは、次にピストンを介してカプセルを配置した圧力空間を加圧することになる。

極低温域から室温に渡る広範囲の温度域で使用するため、高圧力発生装置には、良質の熱伝導性が求められる。また、測定試料の微弱磁気信号の検出を可能にするため、非磁性材料が求められることから、構成材料は主成分が銅の合金(CuBe, CuTi)に限定されてしまう。かつ、世界的普及している超伝導量子干渉素子(SQUID)磁束計を用いた測定を想定したとき、シリンダー状の高圧力発生装置の外径は8.6mm以下に限定される。さらに、反強磁性体のような小さな磁気応答しか示さない試料に対しても測定を可能にするため、10mm³程度の実質的試料空間を確保する必要がある。

図５は、超伝導量子干渉素子(SQUID)磁束計を用いた測定を説明する図である（特許文献１参照）。超伝導ピックアップコイルにより検出された磁束の変化は、トランスの役割を果たすことになる超伝導量子干渉素子SQUIDを通じて検出される。この超伝導ピックアップコイルの外側に交流磁界発生用のＡＣコイルが設けられ、さらにその外側に安定磁場の発生と磁気シールドの両面の役割を担う外部磁場発生用マグネットが備えられている。このマグネットは、磁気シールドの機能を強化し、非常に安定な定常磁場状態で、磁気ノイズの影響をハード面で軽減することを目的としている。磁化を測定すべき測定対象試料（サンプル）は、超伝導ピックアップコイルの近辺に位置する。超伝導ピックアップコイル、超伝導量子干渉素子SQUID及び外部磁場発生用マグネットは、冷凍機により超伝導状態に冷却されている。

その測定方法として、DC測定或いはAC測定がある。DC測定は、3箇所に分かれている検出コイルの内の一番下のコイルから、6mmほど下がった所から、一番上のコイルから6mmほど上がった所までの計4cmほど、試料を移動させたときの出力電圧信号の位置依存性を解析する。また、AC測定は、一番下のコイルから、6mmほど下がった所と中心のコイル位置での出力電圧信号の差をフーリエ解析する。いずれの測定方法であっても、検出コイルシステム中を試料が移動することになるため、高圧力発生装置は構造上、同一の材質で構成されていることが強く望まれる。

このような制約のもと、全体がベリリウム銅CuBe製の装置の場合、発生圧力は8〜9 kbarに限られていた。また、試料に加重を伝達するピストン部分を強硬度のセラミクスにした場合は、ウォームギア式の加圧装置を使用することで、最大発生圧力は15kbarに達しているが（非特許文献1参照）、磁気測定の感度は低下する。

また、従来、シリンダー部の膨張を防ぐためのサポート冶具が不可欠であった。シリンダー部の内外径比は、例えば8.50/2.60＝3.27であり、10kbarを越える高圧力を発生させるには、セルの膨張を防ぐためのサポート冶具は必要不可欠であり、加圧装置と一体化したシステムとして初めて15kbarに達する圧力を発生できる。

このような状況のもと、CuBeの機械強度を最大限に引き出す構造を実現することで、装置全体をCuBe製に維持し、磁気検出精度を保ちながら、15kbarを超える高圧力を発生させる装置の登場が待ち望まれていた。また、例示の装置は、例えば、内径2.6ｍｍに対して、シリンダー長さ80ｍｍ、であり、試料封入カプセルの挿入作業が難しいという問題がある。
特開２００８−８２７１９号公報 M. Mito,"Magnetic measurements on molecule-based magnets under high pressure", Journal of the Physical Society of Japan, 76(2007) Supplement A. pp.182-185.

本発明は、係る問題点を解決して、小外径（8.6mm）のシリンダーを非磁性材料（CuBe製）により形成したピストンシリンダー型の高圧力発生装置において、所定の（例えば、10mm³）実質的試料空間を確保しながら、高圧力（15kbar以上）を発生させることを目的としている。

また、本発明は、大型の加圧装置（油圧プレス、ウォームギア式の加圧装置）を使用せずとも、昇圧できる機能を実現し、ポータブルなシステムを構築することを目的としている。

また、本発明は、試料封入カプセルの挿入作業を容易にすることを目的としている。

本発明のピストンシリンダー型の高圧力発生装置は、シリンダー部を非磁性材料により形成する。このシリンダー部を、シリンダー本体と、その両側にそれぞれ結合されるサイドシリンダーの３つに分割構成する。シリンダー本体はその内部に、試料と圧力媒体を封入した試料封入カプセルを配置可能に構成する。シリンダー部の内部両サイドに、加重伝達用のピストンをセットし、かつ、このピストンの両サイドにロッキングナットをセットして、ロッキングナットを閉めこむことで、ピストンを軸方向に移動させるよう構成する。

また、ロッキングナットは、サイドシリンダー内部を移動可能のピストン受けを介してピストンを軸方向に移動させる。シリンダー部及びピストンはそれぞれ、ベリリウム銅CuBeにより構成することができる。ロッキングナットは、ベアリング機構を内蔵している。シリンダー部の内外径比は、３．３以上で、５．１以下の範囲にある。ピストンは、その付け根部分を連続的に大きくなるよう構成する。

試料封入カプセルは、四フッ化テフロンの円筒状チューブの中に試料と圧力媒体を入れて、両側から三フッ化テフロンのキャップにより封入することにより構成する。

高圧磁気測定を専門としない物質科学研究者が、高圧分野の専門家でなければなかなか踏み込めなかった10kbarを超える圧力領域で、高精度の磁気測定を容易に行うことができるようになる。

大型加圧装置を必要としないため、装置導入時の初期投資費用を大幅に削減することができ、高圧磁気測定の普及を大きく後押しすることが期待される。

大型加圧装置を必要としないため、装置一式の持ち運びが容易であり、大型研究施設の共同利用等でSQUID磁束計を利用していた研究者も、装置の購入のハードルが低くなり、高圧磁気測定に挑戦することが容易になる。

以下、例示に基づき、本発明を説明する。図１は、本発明に基づき構成されるピストンシリンダー型の高圧力発生装置を例示する図である。例示のシリンダー部は、シリンダー本体と、その両側にそれぞれ、例えばネジ止めにより一体に結合されるサイドシリンダーの３つに分割構成されている。サイドシリンダーに設けた側面穴は、サイドシリンダーを回すときに丸棒をねじ込んで回しやすくするためのものであり、また、この側面穴を通して、電気抵抗測定をする際のリード線を取り出したりすることもできる。分割構成により、セッテイング、特に、試料封入カプセルの挿入作業が容易になるだけでなく、ピストンを取り出すなどの分解作業が容易になり、また、シリンダーの各部分（特にシリンダー中央部のピストン導入用の空間とその入口のテーパー部分）の製作・加工が容易になる。

シリンダー部は、磁気特性を測定するために障害にならないこと、機械的強度が適度にあること、さらに低温実験に使用できるように熱伝導性が良いことが必要であるので、ベリリウム銅CuBeが最適である。ピストンは、磁気特性を測定するために障害にならないこと、圧縮強度（剛性）と耐折れ（ざくつ強度）が必要であり、ベリリウム銅CuBeが最適であるが、ジルコニアを用いることも可能である。

高圧力発生装置のセッティングの手順は次の通りである。
（１）試料封入カプセルに試料と圧力媒体、必要に応じて、圧力検定用に物質（通常、鉛などの超伝導体）を封入する。
（２）シリンダー本体に上記の試料封入カプセルを挿入する。
（３）加重伝達用のピストンを、シリンダー本体内部の両サイドにセットする。
（４）両側のサイドシリンダーをシリンダー本体にネジ止めし、セットする。シリンダー本体と、サイドシリンダーの外径は等しく構成するが、その内径は、シリンダー本体よりもサイドシリンダーの方を大きく構成する。
（５）ピストンの両サイドに、ピストン受けを介してロッキングナットをセットする。軸方向に移動可能のピストン受けは、サイドシリンダー内部に位置して、ピストン端部を受け止めるような形状にしている。両側のロッキングナットを回転させて、それぞれ軸方向の中心側に移動させることにより、カプセルをセットした圧力空間を加圧することができると共に、両側のロッキングナットを互いに同一方向に移動させるように回転させることにより、高圧を維持した状態で、カプセルを軸方向に移動させることが可能になる。

図２は、ロッキングナットの拡大断面図（Ａ）、及び側面図（Ｂ）である。高圧力発生装置は、スパナを使ってロッキングナットを回転させることにより、サイドシリンダーの内周面に切ったネジ溝に閉めこんで、ピストンを軸方向に移動させることができる。これによって、15kbarを超える高圧力を発生させることが可能になる。このロッキングナットとして、ピストン移動の際、摩擦を軽減し、スムーズな移動を実現するため、図２に示すようなベアリング内蔵のものを用いることが望ましい。例示のロッキングナットは、その先端側にベアリング用の凹所を設け、そこにベアリングを収容する。ベアリング外周面には、複数個（例えば４個）のセラミックボールを嵌め込んで、ロッキングナット凹所の内周面との間の摩擦を軽減させている。ロッキングナット及びベアリングには、ベリリウム銅CuBeを用いることができ、また、セラミックボールは、窒化ケイ素（Si₃N₄）が望ましいが、ジルコニア（ZrO₂）を用いることができる。このようなベアリングによって、ロッキングナットを閉め込む際、ピストンに横回転を与えず、同心軸上をスムーズに移動させることができ、これによって、直径が小さいピストン（CuBe）の破壊限界を超える前に効果的に圧力を発生させることができる。

図２に示すように、ナット中央に設けた穴を通して、例えば油圧により加圧する加圧装置を、従来装置同様に用いることは可能であるが、図１の高圧力発生装置は、加圧装置を使わずともナットを締めるだけで、15kbarに達する圧力を発生できる。むしろ、装置導入時の費用軽減および携帯性を付与するためには、加圧装置はない方が望ましい。

また、例示の高圧力発生装置は、シリンダー本体の内外径比を大きくすることにより(8.50/1.70=5.00)、シリンダー部の膨張を防止する機構は必要無くなる。内外径比は、３．３以上で、５．１以下が望ましい。この範囲であると、破損すること無く、15kbarを実現することができる。ピストン直径（シリンダー本体内径）を小さくするのは、限られた力で小さなカプセル内の静水圧を高くするためである。

ロッキングナットを締めこむ際、ピストン及びピストン受けとロッキングナットの摩擦抵抗により回転方向の力（ねじり力）が働くことになるので、ピストンの直径が小さいと、ざくつを含む破壊が起こる可能性が生じる。ベアリング機構つきのロッキングナットの使用により、加重に対して垂直の方向へのストレスを著しく軽減することができ、これによって、シリンダー本体内径を小さくすることができる。また、シリンダー部を３つに分けたことにより、最適なピストン長を実現することができる。ピストンの外径を小さくしたことによる強度不足は、ピストンの付け根部分を連続的に大きくすることにより補うことができる。

例示の高圧力発生装置は、物理研究者のみならず化学研究者にも利用することが想定される。よって、構造的に柔らかい物質から硬い物質まで測定対象になり得る。構造的に柔らかい物質（有機物系物質）の場合、その本質的な圧力効果を追跡する上で等方的な圧力（静水圧力）を印加する必要があり、対象物質より柔らかい圧力伝達用の媒体が必要となる。通常、試料との反応を嫌い、不活性のフッ素系オイル（たとえば、フロリナート）が良く用いられるが、これらは揮発性が高いことから、媒体と試料を閉じ込める密封性のカプセルが必要となる。

図３は、試料封入カプセルを示す拡大断面図である。例示のカプセルは、円筒状チューブの中に試料と圧力媒体を入れて、両側からキャップにより封入することにより構成されている。チューブの材質としては、静水加圧を実現するために、柔軟性が必要であり、試料や媒体の封入を容易にし、気泡が存在しないことを確認するためにも透明なプラスチックが求められ、その中でも、四フッ化エチレン（四フッ化テフロン）が最適である。また、キャップの材質としては、チューブよりも硬い三フッ化テフロンが最適である。

シリンダー本体の内径を小さくしても、試料封入カプセルの強度を高めることで、試料封入カプセルの受圧面積を小さくしながらも、実質的試料空間の軽減を防ぐことができる。これは、圧力媒体の漏れを防止する役割を果たし、かつ、従来は使い捨てであった試料封入カプセルの再利用を可能にした。

試料封入カプセル、シリンダー及びピストンなどの高圧力発生装置を構成する材質全てに共通する条件として、磁気特性を測定するために障害にならない材質でなければならない。試料を入れるカプセルを、四フッ化テフロン或いは三フッ化テフロンにより構成するのは、磁気特性を測定するために障害にならないこと、カプセル内の圧力（液体状媒体に試料を入れ静水圧＝空間的に等方的な圧力がかかるようにする）を上げるために両側につけたキャップを両側から押したときにカプセルの長さ方向が縮み得るような弾性をもった材質である必要があるためである。

本発明に基づき構成されるピストンシリンダー型の高圧力発生装置を例示する図である。 ロッキングナットの拡大断面図（Ａ）、及び側面図（Ｂ）である。 試料封入カプセルを示す拡大断面図である。 一般的なピストンシリンダー型の高圧力発生装置を説明する図である。 超伝導量子干渉素子(SQUID)磁束計を用いた測定を説明する図である。

Claims (7)

1. シリンダー部を非磁性材料により形成したピストンシリンダー型の高圧力発生装置において、
   前記シリンダー部を、シリンダー本体と、その両側にそれぞれ結合されるサイドシリンダーの３つに分割構成し、
   前記シリンダー本体はその内部に、試料と圧力媒体を封入した試料封入カプセルを配置可能に構成し、
   前記シリンダー部の内部両サイドに、加重伝達用のピストンをセットし、かつ、このピストンの両サイドにロッキングナットをセットし、
   前記ロッキングナットを閉めこむことで、前記ピストンを軸方向に移動させるよう構成した高圧力発生装置。
2. 前記ロッキングナットは、サイドシリンダー内部を移動可能のピストン受けを介して前記ピストンを軸方向に移動させる請求項１に記載の高圧力発生装置。
3. 前記シリンダー部及び前記ピストンはそれぞれ、ベリリウム銅CuBeにより構成した請求項１に記載の高圧力発生装置。
4. 前記ロッキングナットは、ベアリング機構を内蔵している請求項１に記載の高圧力発生装置。
5. 前記シリンダー部の内外径比は、３．３以上で、５．１以下の範囲にある請求項１に記載の高圧力発生装置。
6. 前記ピストンは、その付け根部分を連続的に大きくなるよう構成した請求項１に記載の高圧力発生装置。
7. 前記試料封入カプセルは、四フッ化テフロンの円筒状チューブの中に試料と圧力媒体を入れて、両側から三フッ化テフロンのキャップにより封入することにより構成した請求項１に記載の高圧力発生装置。

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