ピストンシリンダー装置

ピストンシリンダー装置は、地球科学および材料科学で使用される固体媒体装置であり、高圧(最大 6 GPa) と高温 (最大 1700 °C)を同時に生成します。通常のセットアップを変更することで、これらの限界をさらに高い圧力と温度にまで押し上げることができます。グリッグス装置と呼ばれる特定のタイプのピストンシリンダーは、サンプルに 偏差応力を加えることもできます。

この装置の原理は、抵抗炉を含むサンプルアセンブリを圧力容器内で圧縮して圧力を発生させることです。制御された高温は、炉に調整された電圧を印加し、熱電対で温度を監視することによって生成されます。圧力容器は、熱電対を通すための小さな穴が開いた剛性プレートで一端が閉じられたシリンダーです。もう一方にはピストンがシリンダー内に進みます。 ^[1]

チャールズ・パーソンズ卿は、高温と同時に高圧を発生させるという問題に初めて取り組んだ人物である。 ^[2] 彼の圧力装置は、内部の電気抵抗加熱を使用するピストンシリンダー装置で構成されていた。彼は固体の圧力伝達材料を使用し、これは熱および電気絶縁体としても機能した。彼の円筒形チャンバーの直径は1〜15cmであった。彼が報告した温度での最大圧力は、3000℃で15000気圧（約1.5GPaに相当）のオーダーであった。

ノートン社のローリング・L・コーズ・ジュニアは、パーソンズの装置を大幅に上回る機能を備えたピストンシリンダー装置を開発した最初の人物である。コーズがこの装置について個人的に発表したのは 1962 年になってからである。^{[3]この装置の主な特徴は、高温の成型}アルミナライナーまたはシリンダーを使用していることである。この装置は両端が開いており、圧力はアルミナシリンダーの両端にタングステンカーバイドのピストンを押し込むことで発生する。アルミナシリンダーは絶縁体であるため、加熱は非常に簡単に、一方のピストンからサンプル加熱チューブを通り、反対側のピストンから電流を流すだけで済む。この装置は、800 °C の温度と同時に 45000 atm (約 4.5 GPa に相当) もの高圧で使用された。温度はウェル内に設置された熱電対で測定された。これらの温度と圧力の条件では、ピストンとアルミナ シリンダーは両方とも消耗品であるため、このデバイスでは 1 回の実行しか実行できません。30000 atm (約 3.0 GPa に相当) でも、アルミナ シリンダーは数回の実行にしか使用できず、タングステン カーバイド ピストンの場合も同様です。このようなデバイスを使用するには多額の費用がかかります。

現在ではピストンとシリンダーは両方とも炭化タングステンセメントで作られており、電気絶縁はコーズの装置とは異なる方法で行われています。特に、現代のピストンシリンダー装置の基礎は、1960年にボイドとイングランドによって記述された設計によって与えられており、^[4]これは上部マントル条件下での実験を研究室で日常的に実行することを 可能にした最初の機械でした。

地質学者バーナード・ウッドはピストンシリンダー実験を用いて科学に数々の重要な貢献を果たし、実験岩石学の著名な人物となった。彼はブリストル大学の工房の作業員フレッド・ウィーラーとともに、そのシンプルさと青い特徴で知られるピストンシリンダーのモデルを設計した。^{[5]このモデルのいくつかのユニットは}オックスフォード大学で製造された。^[5]

ピストンシリンダー装置は、他の高圧装置（マルチアンビルプレスやダイヤモンドアンビルセルなど）と同じ単純な関係に基づいています。

${\displaystyle P={\frac {F}{A}}}$

ここで、P は圧力、F は加えられた力、A は面積です。

圧力増幅の原理、つまり大きなピストンにかかる小さな負荷を小さなピストンにかかる比較的大きな負荷に変換する原理を利用して高圧を実現します。次に、一軸圧力は、アセンブリ材料の変形を通じてサンプル全体に（準静水圧的に）分散されます。

ピストンシリンダー装置の主な構成要素は、圧力発生システム、圧力容器、および容器内の組み立て部品です。ピストンシリンダー装置には、非エンドロード型とエンドロード型の 2 種類があり、それぞれ 1 個または 2 個の油圧ラムを使用します。エンドロード型では、2 個目の油圧ラムを使用して圧力容器に垂直に荷重をかけ、強化します。非エンドロード型はより小型でコンパクト、かつ安価ですが、約 4 GPa までしか動作しません。

圧力容器のサンプル容積にピストンを押し込むことで、サンプルに圧力がかかります。サンプル アセンブリは、固体圧力媒体、抵抗ヒーター、およびサンプル用の小さな中央容積で構成されます。一般的に使用される 3 つの構成は、「」、「」、「1」で、これらはピストンの直径であり、サンプル アセンブリの直径でもあります。圧力増幅の概念に従って、ピストンの選択は達成する必要のある圧力によって異なります。 ${\displaystyle {\tfrac {1}{2}}}$${\displaystyle {\tfrac {3}{4}}}$

実験中、システムを冷却するために、水が圧力容器、ブリッジ、上部プレートの周囲を循環します。

サンプルアセンブリの目的は、圧縮ピストンからサンプルに静水圧を伝達し、サンプルを制御された状態で加熱し、カプセルを介して実験に適した揮発性物質と酸素のフガシティ環境を提供することです。したがって、サンプルアセンブリにはこれらの各目的のためのコンポーネントが含まれています。

外側のシリンダーは圧力を伝達し、電気を絶縁するシリンダーで、NaCl、タルク、BaCO ₃、KBr、CaF ₂、またはホウケイ酸ガラスで作られています。次のコンポーネントは、順に、電気絶縁性のホウケイ酸ガラスシリンダーと「炉」として機能するグラファイトシリンダーです。サンプルを炉の中央に正確に配置し、熱電対を固定するために、通常は押し潰せるセラミックでできたサポートロッドが使用されます。最後のコンポーネントは、サンプルアセンブリの上部にある 導電性のスチールベースプラグです。

アセンブリの最後の部分は熱電対自体であり、そのワイヤはムライト製のチューブによって互いに絶縁され、アセンブリの材料からも絶縁されています。

サンプルカプセルはサンプルを収容し、サンプルとサンプルアセンブリの他の材料との反応を防ぎ、サンプルカプセル自体がサンプルと反応しないようにする必要があります。また、実行中に圧力伝達を妨げないように、強度も必要です。この目的のために最もよく使用される材料は、 Au、Pt、AgPd合金、Ni、グラファイトです。

サンプルの容量は通常 200 mm ^{3 で}、これは開始材料の約 500 mg に相当しますが、より大きなアセンブリでは容量は最大 750 mm ³になる場合があります。

実験における公称圧力は、油圧が適用される面積の減少による油圧の増幅から計算できますが、各コンポーネントには特性降伏応力があるため、公称圧力は実効圧力とは異なります。したがって、摩擦を考慮して調整する必要があります。

P_実効値= P_公称値+ P_補正値

有効圧力を決定するために、静的または動的方法のいずれかを使用して較正実験を行うことができ、通常は既知の相転移または反応、融解曲線、または溶融物中の測定された水溶性を利用します。

摩擦の影響はプレスが圧縮状態か減圧状態かによっても異なるため、キャリブレーション実行と同じ方法で実験を実行することをお勧めします。

温度は、熱電対を使用して ± 1 °C の精度で測定できます。温度の精度は、ランダム誤差と系統的誤差の両方の影響を受け、高温および高圧の条件では精度が低くなります。このような誤差は、温度勾配、アセンブリ内の差圧、実験中の汚染、および圧力が熱電対の起電力に与える影響によって発生する可能性があります。これらの誤差は、実験条件に適した熱電対タイプを選択することで緩和できます。一方、温度勾配は、テーパー炉を使用して最小限に抑えることができます。

ピストンシリンダープレスの主な利点は、アセンブリの容積が比較的大きいこと、加熱および急冷速度が速いこと、および長期間の稼働期間にわたって装置が安定していることです。

これらの特徴と、手順の容易さと安全性を合わせると、この装置は地球化学研究や材料の物理的特性の 現場測定に適しています。

特に地球科学における応用としては、高圧高温材料の合成、ホットプレス、岩石の 部分溶融の調査などがあります。