Войти
Схема ядра ячейки с алмазной наковальней. Клетки (наконечники) двух алмазных наковальней обычно имеют диаметр 100–250 микрон. A ячейка с алмазной наковальней (DAC ) - это устройство высокого давления, используемое в геология, инженерия и материаловедение эксперименты. Он позволяет сжимать небольшой кусок материала (размером менее миллиметра ) до экстремальных давлений, обычно до 100–200 гигапаскалей, хотя он возможно достичь давления до 770 гигапаскалей (7,700,000 бар или 7,7 миллиона атмосфер ).
Устройство использовалось для воссоздания давления, существующего глубоко внутри планет для синтеза материалов и фаз, не наблюдаемых при нормальных условиях окружающей среды. Известные примеры включают немолекулярный лед X, полимерный азот и металлические фазы ксенона и потенциально водород.
ЦАП состоит из двух противоположных алмазов с образцом, сжатым между полированными калетами (наконечниками). Давление можно контролировать с помощью эталонного материала, поведение которого под давлением известны. Общие стандарты давления включают рубин флуоресценцию и различные структурно простые металлы, такие как медь или платина. Одноосное давление, создаваемое DAC, может быть преобразовано в однородное гидростатическое давление с использованием среды, передающей давление, такой как аргон, ксенон, водород, гелий, парафиновое масло или смесь метанола и этанола. Среда, передающая давление, окружена прокладкой и двумя алмазными наковальнями. Образец можно рассматривать сквозь ромбики и освещать рентгеновскими лучами и видимым светом. Таким образом, дифракция рентгеновских лучей и флуоресценция ; оптическое поглощение и фотолюминесценция ; мессбауэровское, комбинационное и бриллюэновское рассеяние ; аннигиляция позитронов и другие сигналы могут быть измерены в материалах под высоким давлением. Магнитные и микроволновые поля могут быть приложены извне к ячейке, что позволяет проводить измерения ядерного магнитного резонанса, электронного парамагнитного резонанса и других магнитных измерений. Присоединение электродов к образцу позволяет проводить электрические и магнитоэлектрические измерения, а также нагревать образец до нескольких тысяч градусов. Намного более высокие температуры (до 7000 K) могут быть достигнуты с помощью нагрева, индуцированного лазером, и было продемонстрировано охлаждение до милликельвинов.
Работа ячейки с алмазной наковальней основана на простом принципе:
где p - давление, F - приложенная сила, и площадь. Типичные размеры кюлет для алмазных наковальней составляют 100–250 микрон (мкм), так что очень высокое давление достигается путем приложения умеренной силы к образцу с небольшой площадью, а не приложения большой силы к большая площадь. Алмаз - очень твердый и практически несжимаемый материал, что сводит к минимуму деформацию и выход из строя упоров, которые прикладывают силу.
Первая камера с алмазной наковальней в музее NIST в Гейтерсбурге. На изображении выше показана часть, которая сжимает центральный узел. При исследовании материалов в экстремальных условиях, при высоком давлении и высокой температуре используется широкий спектр методов для достижения этих условий и изучения поведения материала в экстремальных условиях. Окружающая среда. Перси Уильямс Бриджмен, великий пионер исследований высокого давления в первой половине 20-го века, произвел революцию в области высоких давлений, разработав устройство противоположной наковальни с небольшими плоскими участками, которые прижимались друг к другу. другой с рычагом. Наковальни были изготовлены из карбида вольфрама (WC). Это устройство могло достигать давления в несколько гигапаскалей и использовалось в измерениях электрического сопротивления и сжимаемости. Принцип работы DAC аналогичен наковальням Бриджмена, но для достижения максимально возможного давления без разрушения наковальни они были изготовлены из самого твердого известного материала: одного кристалла кристалла. Первые прототипы имели ограниченный диапазон давления, и не было надежного способа калибровки давления.
Вслед за наковальней Бриджмена ячейка с алмазной наковальней стала наиболее универсальным устройством для создания давления, которое имеет единственную характеристику, которая отличает его от других устройств давления. Это дало ранним пионерам высокого давления возможность непосредственно наблюдать свойства материала под давлением. С помощью оптического микроскопа , фазовые границы, изменения цвета и перекристаллизация можно было сразу увидеть, а дифракция рентгеновских лучей или спектроскопии требуется время для экспонирования и проявления фотопленки. Возможности ячейки с алмазной наковальней были реализованы Элвином Ван Валкенбургом, когда он готовил образец для ИК-спектроскопии и проверял совмещение граней алмаза.
Алмазная ячейка была создана в Национальном бюро стандартов (NBS) Чарльзом Э. Вейром, Эллисом Р. Липпинкоттом и Элмером Н. Бантингом. В группе каждый участник сосредоточился на различных применениях алмазной ячейки. Ван сосредоточился на визуальных наблюдениях, Чарльз на XRD, Эллис на ИК-спектроскопии. Группа хорошо зарекомендовала себя в каждой своей методике, прежде чем началось внешнее сотрудничество с университетскими исследователями, такими как Уильям А. Бассетт и Таро Такахаши из Университета Рочестера.
Во время первых экспериментов с использованием алмазных наковальней образец был помещен на плоский кончик алмаза калет и зажат между гранями алмаза. По мере того, как грани алмаза были сдвинуты ближе друг к другу, образец сдавливался и выдавливался из центра. Используя микроскоп для просмотра образца, можно было увидеть, что существует плавный градиент давления по всему образцу, при этом самые внешние части образца действуют как своего рода прокладка. Образец не был равномерно распределен по алмазной кюлете, а локализовался в центре из-за "чашеобразной формы" алмаза при более высоких давлениях. Это явление купирования представляет собой эластичное растяжение краев ромбовидной кюлеты, обычно называемое «высотой плеча». Многие алмазы были разбиты на первых этапах производства новой ячейки или в любое время, когда эксперимент продвигается к более высокому давлению. Группа NBS находилась в уникальном положении, когда им были доступны почти бесконечные запасы алмазов. Сотрудники таможни иногда конфисковали алмазы у людей, пытавшихся провезти их в страну. Распоряжение такими ценными конфискованными материалами может быть проблематичным с учетом правил и положений. Одним из решений было просто сделать такие материалы доступными для людей в других государственных учреждениях, если они могли убедительно обосновать свое использование. Это стало непревзойденным ресурсом, поскольку другие команды из Чикагского университета, Гарвардского университета и General Electric вошли в область высокого давления.
В течение следующих десятилетий ЦАП были последовательно усовершенствованы, наиболее важными нововведениями стали использование прокладок и калибровка давления ruby . ЦАП превратился в самое мощное лабораторное устройство для создания статического высокого давления. Диапазон достижимого сегодня статического давления составляет 640 ГПа, что намного превышает расчетное давление в центре Земли (~ 360 ГПа).
Существует много различных конструкций ЦАП, но все они имеют четыре основных компонента:
Работает либо на рычаге, плече, и на затяжке винтов, и на пневматике. или гидравлическое давление, приложенное к мембране. Во всех случаях сила является одноосной и применяется к столам (основаниям) двух наковальней.
Изготовлены из высококачественного драгоценного камня качества, безупречных алмазов, обычно с 16 гранями, они обычно весят ⁄ От 8 до ⁄ 3карат (от 25 до 70 мг). Калетка (наконечник) шлифуется и полируется до шестиугольной поверхности, параллельной столу. Кулеты двух ромбов обращены друг к другу и должны быть совершенно параллельны для создания равномерного давления и предотвращения опасных деформаций. Специально подобранные наковальни необходимы для конкретных измерений - например, в соответствующих экспериментах требуется низкое поглощение и люминесценция алмаза.
A Прокладка, используемая в эксперименте с ячейкой с алмазной наковальней, представляет собой тонкую металлическую фольгу, обычно толщиной 0,3 мм, которую помещают между алмазами. Желательными материалами для прокладок являются прочные жесткие металлы, такие как рений или вольфрам. Сталь часто используется как более дешевая альтернатива для экспериментов при низком давлении. Вышеупомянутые материалы нельзя использовать в радиальных геометриях, где рентгеновский луч должен проходить через прокладку. Поскольку они непрозрачны для рентгеновских лучей, если требуется рентгеновское освещение через прокладку, более легкие материалы, такие как бериллий, нитрид бора, бор или алмаз используются в качестве прокладки. На прокладки предварительно нанесены алмазы, а в центре углубления просверливается отверстие для создания камеры для образца.
Среда, передающая давление , - это сжимаемая жидкость, которая заполняет камеру для пробы и передает приложенную силу к образцу. Гидростатическое давление является предпочтительным для экспериментов высокого давления, потому что изменение деформации по всему образцу может привести к искаженным наблюдениям за различным поведением. В некоторых экспериментах исследуются зависимости напряжения и деформации, и желательно влияние негидростатических сил. Среда с хорошим давлением останется мягкой, сжимаемой жидкостью до высокого давления.
| Газы | Жидкости | Твердые вещества |
|---|---|---|
| Гелий (He). Неон (Ne). Аргон (Ar). Азот (N2) | 4: 1 Метанол : Этанол. Силиконовое масло. Флюоринерт. Дафна 7474. Циклогексановая | соль (NaCl) |
Полный спектр доступных техник резюмирован в древовидной диаграмме Уильяма Бассетта. Возможность использовать любой из этих методов зависит от способности смотреть сквозь алмазы, что впервые было продемонстрировано визуальными наблюдениями.
Две основные шкалы давления, используемые в статических экспериментах с высоким давлением, - это дифракция рентгеновских лучей материал с известным уравнением состояния и измерением сдвига линий флуоресценции рубина . Первый начался с NaCl, сжимаемость которого была определена на основе первых принципов в 1968 году. Основная ошибка этого метода измерения давления заключается в том, что вам нужны рентгеновские лучи. Многие эксперименты не требуют рентгеновских лучей, и это представляет серьезное неудобство для проведения как предполагаемого эксперимента, так и дифракционного эксперимента. В 1971 году группа высокого давления NBS приступила к поиску спектроскопического метода определения давления. Было обнаружено, что длина волны флуоресценции рубина излучения изменяется с давлением, это было легко откалибровано по шкале NaCl.
Когда-то давление могло быть сгенерированным и измеренным, он быстро превратился в соревнование, в котором клетки могут достичь наибольшего успеха. Необходимость в надежной шкале давления стала более важной во время этой гонки. В то время были доступны данные об ударных волнах для сжимаемости Cu, Mo, Pd и Ag, и их можно было использовать для определения уравнений состояний до давления в мбар . С помощью этих шкал были получены следующие значения давления:
| Год | Давление | |
|---|---|---|
| (CE ) | (мега- бар ) | (гига- Паскали ) |
| 1976 | 1,2 Мбар | 120 ГПа |
| 1979 | 1,5 Мбар | 150 ГПа |
| 1985 | 2,5 мбар | 250 ГПа |
| 1987 | 5,5 мбар | 550 ГПа |
Оба метода постоянно совершенствуются и используются сегодня. Однако рубиновый метод менее надежен при высокой температуре. Хорошо определенные уравнения состояния необходимы при настройке температуры и давления, двух параметров, которые влияют на параметры решетки материалов.
Исследователь, использующий ячейку с алмазной наковальней для изучения материалов в глубоких земных условиях. До изобретения ячейки с алмазной наковальней для статического устройства высокого давления требовались большие гидравлические прессы, которые весили несколько тонн и требовались большие специализированные лаборатории. Простота и компактность ЦАП означали, что его можно использовать для самых разных экспериментов. Некоторые современные ЦАП легко помещаются в криостат для низкотемпературных измерений и для использования со сверхпроводящим электромагнитом . Помимо твердости, алмаз обладает тем преимуществом, что он прозрачен для широкого диапазона электромагнитного спектра от инфракрасного до гамма-лучей, за исключением далекого ультрафиолета и мягкого рентгеновского излучения. Это делает DAC идеальным устройством для спектроскопических экспериментов и для кристаллографических исследований с использованием жесткого рентгеновского излучения.
Вариант алмазной наковальни, гидротермальная ячейка с алмазной наковальней ( HDAC) используется в экспериментальной петрологии / геохимии для изучения водных флюидов, силикатных расплавов, несмешивающихся жидкостей, растворимости минералов и определения состава водных флюидов при геологических давлениях и температурах. HDAC иногда используется для исследования водных комплексов в растворе с использованием методов синхротронного источника света XANES и EXAFS. Конструкция HDAC очень похожа на конструкцию DAC, но оптимизирована для изучения жидкостей.
Инновационное использование ячейки с алмазной наковальней проверяет устойчивость и долговечность при высоких давлениях, включая поиск жизни на внесолнечных планетах. Части тестирования теории панспермии (форма межзвездного путешествия ) - одно из приложений DAC. Когда межзвездные объекты, содержащие формы жизни, сталкиваются с планетным телом, возникает высокое давление при ударе, и DAC может воспроизвести это давление, чтобы определить, могут ли организмы выжить. Еще одна причина, по которой DAC применим для тестирования жизни на внесолнечных планетах, заключается в том, что планетарные тела, обладающие потенциалом для жизни, могут иметь невероятно высокое давление на своей поверхности.
В 2002 году ученые из Института Карнеги в Вашингтоне исследовали пределы давления жизненных процессов. Суспензии бактерий, а именно Escherichia coli и Shewanella oneidensis, были помещены в DAC, и давление было повышено до 1,6 ГПа, что более чем в 16000 раз Земля поверхностное давление (985 гПа). Через 30 часов выжило только около 1% бактерий. Затем экспериментаторы добавили в раствор краситель. Если бы клетки пережили сдавливание и были способны выполнять жизненные процессы, в частности, разрушать формиат , краситель становился прозрачным. 1,6 ГПа - это такое большое давление, что в ходе эксперимента DAC превратил раствор в ice-IV, лед комнатной температуры. Когда бактерии разрушают формиат во льду, в результате химической реакции образуются карманы с жидкостью. Бактерии также могли цепляться своими хвостами за поверхность DAC.
Скептики обсуждали, достаточно ли разложения формиата, чтобы считать бактерии живыми. Арт Яянос, океанограф из Института океанографии Скриппса в Ла-Хойя, Калифорния, считает, что организм должен считаться живым только в том случае, если он может воспроизводиться. Последующие результаты независимых исследовательских групп показали обоснованность работы 2002 года. Это важный шаг, который подтверждает необходимость нового подхода к старой проблеме изучения экстремальных экологических явлений с помощью экспериментов. Практически не ведется споров о том, может ли микробная жизнь выдержать давление до 600 МПа, что было подтверждено за последнее десятилетие или около того в ряде разрозненных публикаций.
Подобные тесты были выполнены с низким давлением ячейка с алмазной наковальней под давлением (0,1–600 МПа), обеспечивающая лучшее качество изображения и сбор сигналов. Исследуемые микробы Saccharomyces cerevisiae (пекарские дрожжи) выдержали давление 15–50 МПа и погибли при 200 МПа.
Хорошо Монокристаллические эксперименты по дифракции рентгеновских лучей в ячейках с алмазными наковальнями требуют, чтобы предметный столик вращался по вертикальной оси, омега. Большинство ячеек с алмазной наковальней не имеют большого отверстия, которое позволило бы повернуть ячейку на большие углы, отверстие в 60 градусов считается достаточным для большинства кристаллов, но возможны и большие углы. Первая ячейка, которая будет использоваться для экспериментов с монокристаллами, была разработана аспирантом Рочестерского университета Лео Мерриллом. Ячейка имела треугольную форму с посадочными местами бериллия, на которые были установлены алмазы; в ячейке было давление с помощью винтов и направляющих штифтов, удерживающих все на месте.
Условия, достижимые с использованием различных методов создания статического давления. Нагрев в ячейках с алмазной наковальней обычно осуществляется двумя способами: внешним или внутренним нагревом. Внешний нагрев определяется как нагрев наковальни и включает в себя ряд резистивных нагревателей, которые размещаются вокруг ромбов или корпуса элемента. Дополнительный метод не изменяет температуру наковальни и включает в себя тонкие резистивные нагреватели, размещенные внутри камеры для образца, и лазерный нагрев. Основным преимуществом резистивного нагрева является точное измерение температуры с помощью термопар, но диапазон температур ограничен свойствами алмаза, который будет окисляться на воздухе при 700 ° C. Использование инертной атмосферы может расширить этот диапазон выше 1000 ° C.. При лазерном нагреве образец может достигать температуры выше 5000 ° C, но минимальная температура, которую можно измерить при использовании системы лазерного нагрева, составляет ~ 1200 ° C, и измерения намного менее точны. Достижения в области резистивного нагрева сокращают разрыв между двумя методами, так что системы могут быть исследованы от комнатной температуры до 5700 ° C с их комбинацией.
Среда, передающая давление, является важным компонентом в любом эксперименте с высоким давлением. Среда заполняет пространство в «камере» для образца и оказывает давление, передаваемое среде, на образец. В хорошем эксперименте с высоким давлением среда должна поддерживать однородное распределение давления на образец. Другими словами, среда должна оставаться гидростатической, чтобы гарантировать равномерную сжимаемость образца. Как только среда, передающая давление, теряет гидростатичность, в камере образуется градиент давления, который увеличивается с увеличением давления. Этот градиент может сильно повлиять на образец, ставя под угрозу результаты. Среда также должна быть инертной, чтобы не взаимодействовать с образцом, и стабильной при высоких давлениях. Для экспериментов с лазерным нагревом среда должна иметь низкую теплопроводность. Если используется оптический метод, среда должна быть оптически прозрачной, а для дифракции рентгеновских лучей среда должна быть плохим рассеивателем рентгеновских лучей, чтобы не вносить вклад в сигнал.
Некоторые из наиболее часто используемых сред для передачи давления - это хлорид натрия, силиконовое масло и смесь метанола с этанолом 4: 1. Хлорид натрия легко загружается и используется для высокотемпературных экспериментов, поскольку он действует как хороший теплоизолятор. Смесь метанол-этанол демонстрирует хорошую гидростатичность примерно до 10 ГПа, а при добавлении небольшого количества воды ее можно увеличить до примерно 15 ГПа.
Для экспериментов с давлением, превышающим 10 ГПа, предпочтительны благородные газы. Расширенная гидростатичность значительно снижает градиент давления в образцах при высоком давлении. Благородные газы, такие как гелий, неон и аргон, являются оптически прозрачными, теплоизолирующими, имеют малые факторы рассеяния рентгеновских лучей и обладают хорошей гидростатичностью при высоких давлениях. Даже после затвердевания благородные газы создают квазигидростатическую среду.
Аргон используется в экспериментах, связанных с лазерным нагревом, поскольку он обладает химической изоляцией. Поскольку он конденсируется при температуре выше температуры жидкого азота, его можно загружать криогенно. Гелий и неон имеют низкие коэффициенты рассеяния рентгеновских лучей и поэтому используются для сбора данных дифракции рентгеновских лучей. Гелий и неон также имеют низкие модули сдвига; минимизация нагрузки на образец. Эти два благородных газа не конденсируются выше, чем жидкий азот, и их нельзя загружать криогенно. Вместо этого была разработана система загрузки газа под высоким давлением, в которой используется метод сжатия газа.
Чтобы загрузить газ в качестве образца среды, передающей давление, газ должен быть в плотном состоянии, чтобы камера для образца не сжималась после создания давления. Для достижения плотного состояния газы можно сжижать при низких температурах или сжимать. Криогенная загрузка - это метод, использующий сжиженный газ в качестве средства заполнения камеры для образцов. DAC непосредственно погружается в криогенную жидкость, заполняющую камеру для образцов. Однако у криогенного нагружения есть недостатки. При низких температурах, указывающих на криогенную нагрузку, образец подвергается воздействию температур, которые могут необратимо изменить его. Кроме того, кипящая жидкость может вытеснить образец или захватить пузырьки воздуха в камере. Загрузка газовых смесей криогенным методом невозможна из-за разной температуры кипения большинства газов. Технология сжатия газа уплотняет газы при комнатной температуре. С помощью этого метода решается большинство проблем, связанных с криогенной нагрузкой. Также становится возможной загрузка газовых смесей. В методе используется сосуд или камера, в которые помещается ЦАП и заполняется газом. Газы сжимаются и закачиваются в сосуд с помощью компрессора. После заполнения емкости и достижения желаемого давления DAC закрывается зажимной системой, управляемой винтами с приводом от двигателя.
Развитие лазерного нагрева началось всего через 8 лет после Чарльза Вейра из Национальное бюро стандартов (NBS) изготовило первую ячейку с алмазной наковальней, а Элвин Ван Валкенбург, NBS, осознал потенциал возможности видеть образец под давлением. Уильям Бассетт и его коллега Таро Такахаши сфокусировали лазерный луч на образец, находясь под давлением. В первой системе лазерного нагрева использовался один импульсный рубиновый лазер 7 джоулей, который нагревал образец до 3000 ° C при 260 килобар. Этого было достаточно, чтобы превратить графит в алмаз. Основные недостатки первой системы касались контроля и измерения температуры.
Измерение температуры было первоначально выполнено Basset с использованием оптического пирометра для измерения интенсивности света лампы накаливания от образца. Коллеги из Калифорнийского университета в Беркли смогли лучше использовать излучение черного тела и более точно измерить температуру. Горячее пятно, создаваемое лазером, также создавало большие температурные градиенты между частями образца, на которые попал сфокусированный лазер, и теми, на которые не попал. Решение этой проблемы продолжается, но были достигнуты успехи с введением двустороннего подхода.
Использование двух лазеров для нагрева образца снижает осевой градиент температуры, что позволяет более толстым образцам нагреваться более равномерно. Чтобы двусторонняя система нагрева была успешной, важно, чтобы два лазера были выровнены так, чтобы они оба были сфокусированы на позиции образца. Для нагрева in situ в дифракционных экспериментах лазеры должны быть сфокусированы в той же точке пространства, где фокусируется рентгеновский луч.
Европейский центр синхротронного излучения (ESRF), а также многие другие синхротронные объекты, а также три основных синхротронных пользовательских объекта в Соединенных Штатах все лучи оснащены системами лазерного нагрева. Соответствующие лучи с системами лазерного нагрева находятся на ESRF ID27, ID18 и ID24; в усовершенствованном источнике фотонов (APS), 13-ID-D GSECARS и 16-ID-B HP-CAT; в Национальном источнике синхротронного света X17B3; и в Advanced Light Source, 12.2.2. Лазерный нагрев стал обычной техникой в науке о высоких давлениях, но надежность измерения температуры все еще вызывает споры.
В первых экспериментах с лазерным нагревом температура определялась калибровкой мощности лазера, выполненной с известными точками плавления различных материалов. При использовании импульсного рубинового лазера это было ненадежным из-за короткого импульса. YAG лазеры быстро становятся стандартом, они нагреваются в течение относительно длительного времени и позволяют наблюдать за образцом в течение всего процесса нагрева. Именно с первым использованием YAG-лазеров Бассет использовал оптический пирометр для измерения температуры в диапазоне от 1000 ° C до 1600 ° C. Первые измерения температуры имели стандартное отклонение 30 ° C от яркостной температуры, но из-за небольшого размера образца оно составило 50 ° C с возможностью того, что истинная температура образца была на 200 ° C выше, чем у измерение яркости. Следующим методом измерения температуры, использованным в группе Бассетта, стала спектрометрия ламп накаливания. Энергию испускаемого излучения можно сравнить с известными спектрами излучения черного тела для определения температуры. Калибровка этих систем выполняется по опубликованным точкам плавления или температурам плавления, измеренным резистивным нагревом.
Лазерное нагревание используется для нагрева микрограммов образца в ячейках с алмазной наковальней при изучении материи в экстремальных условиях. Обычно это означает одно из четырех:
 | На Викискладе есть средства массовой информации, связанные с ячейкой с алмазной наковальней. |
