〜気体の高い凝縮状態の研究：
気体を圧縮すると，気体でなくなる〜
高圧ガス装置を使った研究は、気体を圧力媒体として使うと静水圧性・化学的安定性に優れ、材料研究にとって魅力的な分野です。また高圧気体は高密度に凝縮された状態であり、ここでは高密度流体とした取扱いが適切である考えられます。本研究分野ではHe，Neや混合気体をGPa領域で圧縮し、超音波速度や相変化（凝固、相分離等）の測定、また高圧技術、超音波測定技術の開発を行っています。
通常では、気体に関してボイル・シャルルの法則が用いられ、殆ど理想気体として取り扱うことが可能です。しかし、100MPa（1000気圧）を超える圧力では高い凝縮状態となり，異なった振舞いをするようになります。
音速測定法と振動子について述べます。セラミックス磁器振動子は信号が大きく、気体の計測には有用です。しかし高圧になると振動子の出力が著しく減少し、測定に適さなくなります。しかし単結晶LiNbO
3
の36°Y-cut振動子を用いると大きな出力が得られ、1GPaを超える高圧でも問題なく使用できるようになりました。また6.6MHzの超音波が発生するので高い測定精度が得られ、音速を パルス法により、0.1%以下の精度で測定することができるようになりました。さらに、キュリー点が1200℃と高く、高温測定にも使用できます。この特性を利用して、周波数 55MHz〜6.6MHzの振動子を用い、2GPa，600℃領域において、固体の弾性波速度の測定もしています。
He，Ne，Arの不活性気体やその混合気体を1GPa（1000気圧）以上に圧縮し、音速、密度、圧縮率、凝固を測定した結果について述べます。この分野においてKortbeek等（Van der Waals 研究所）やLiebenberg等（Los Alamos研究所）が音速、密度に関して一連の測定をしています。 まず、凝縮の様子をピストン法による分子密度（kmol/m
3
）の測定値を測定最高圧力での値として下表に示します。
この値は液体(H
2
O)：約 56kmol/m
3
，
高圧下での分子密度（295K）
気体 分子密度 圧力
（kmol/m
3
） （GPa）
He 148 3.0
Ne 109 3.7
Ar 48 1.3
固体(Fe)：141 kmol/m
3
と比べて高い凝縮状態になっているといえます｡
圧縮率に関して、1GPaでは理想気
体は 1GPa
-1
ですが、He，Neはそれ
ぞれ 0.4，0.3GPa
-1
となり、圧力に
対する体積変化が小さくなっています。この値は、液体(H
2
O)が約0.18
GPa-1、固体(Fe)が0.006 GPa
-1
と1/2〜1/70 程度なので、液体に近い値を持つようになっています｡
音速値は圧力とともに増加しHeが4340m/s（3.0 GPa）、Neが2830m/s（3.7GPa）と1気圧の4〜7倍と非常に速くなっています。通常の液体よりも速く、固体に近い値をとるようになります｡
さらに圧力を加えると、凝固します。音速および体積変化の様子より室温における凝固圧力を測定し、 下表の結果を得ました。これ以外にもKrは0.816GPaで凝固することを測定しました。
混合気体の He-Ar，Ne-Arはと 気体の凝固圧力（295 K）
気体 凝固圧力（GPa）
He 12.1 (＊)
Ne 5.5 (＊)
Ar 1.29
N
2
2.33
(*)Simonの式からの推定値
もに約 50%の混合状態で室温、
2.5GPaにおいて凝固することが
同様に求められました。この結
果、これらは2.5GPa以下では流
体圧力媒体として用いることが
可能であることを示すことがで
きました。
He-Kr混合気体を圧縮すると、室温 0.78GPa以上で２つの流体相に分離することが超音波法を用いて確認されました。多くの混合系において、高圧下での２流体相への分離現象が観測されています。高圧極限下での現象として重要であると考えています｡
上で示しましたように、高圧流体を圧媒体として利用した高温高圧実験では、精度の高い測定が可能となります。現在、本研究分野では温度（〜600℃）、圧力（〜2GPa）下で超硬合金などの弾性の測定が超音波法により行われています｡圧力1〜3GPa領域は地球内部の研究にとっても重要な位置を占めています。この方法を用いた研究が展開して行くことが大いに期待されています｡
参考文献
○M.Kimura et al.(1987)Jap. J. Appl. Phys.，26，1361-1365.
○花山洋一（1995）熱物性，19，189-194.
○Y.Hanayama et al.（1998）Rev. High Press. Sci. Technol.，7，
1177-1179.
○Y.Hanayama et al.（2000）Sci. Technol. High Press., 1, 372-375.
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