Улучшение калибровки уравнения состояния в физике сверхвысоких давлений
В статье, недавно опубликованной в журнале Journal of Applied Physics, международная группа ученых из Ливерморской национальной лаборатории им. Э. Лоуренса (LLNL), Аргоннской национальной лаборатории и Deutsches Elektronen-Synchrotron разработала новую конфигурацию образца, которая повышает надежность измерений уравнения состояния в режиме давления, ранее недостижимом в ячейке с алмазными наковальнями. С помощью этой конфигурации можно проводить высококачественные измерения статического уравнения состояния при давлении свыше 5 миллионов атмосфер, вплоть до внутренних условий Нептуна. Учёные использовали разработанную LLNL тороидальную ячейку с алмазными наковальнями, способную регулярно достигать > 300 ГПа с диаметром камеры образца ~ 6 мкм. Это примерно в 20 раз меньше ширины человеческого волоса. Затем в этой небольшой камере образца ученые микроизготовили пакет образца в 10-шаговом процессе, в котором целевой материал был внедрен в однородную капсулу из мягкого металла, которая служит средой, передающей давление. Эксперименты проводились в Аргоннской национальной лаборатории, сектор 16 HPCAT и на Deutsches Elektronen-Synchrotron PETRA-III.
Художественное изображение рентгеновской дифракции от образца в тороидальной ячейке с алмазными наковальнями в условиях, соответствующих глубинам Нептуна.
Автор: Клэр Зурковски/LLNL
В статье, недавно опубликованной в журнале Journal of Applied Physics, международная группа ученых из Ливерморской национальной лаборатории им. Э. Лоуренса (LLNL), Аргоннской национальной лаборатории и Deutsches Elektronen-Synchrotron разработала новую конфигурацию образца, которая повышает надежность измерений уравнения состояния в режиме давления, ранее недостижимом в ячейке с алмазными наковальнями.
Что касается масштаба, то с помощью этой конфигурации можно проводить высококачественные измерения статического уравнения состояния при давлении свыше 5 миллионов атмосфер, вплоть до внутренних условий Нептуна.
Разработка LLNL ячейки с тороидальной алмазной наковальней стала революционным шагом в расширении предела статического давления в науках о конденсированных средах. Однако следующим важным шагом стало усовершенствование изготовления образцов для более сложных экспериментов.
Эксперименты по статической компрессии при давлениях выше 300 ГПа чрезвычайно сложны, а среда сжатия часто не идеальна. Этот новый пакет образцов решает эту проблему, и с улучшенной средой сжатия качество данных уравнения состояния также улучшается.
Эта работа является важным шагом на пути к оптимизированным экспериментам по статическому сжатию в условиях многомегабар и предоставляет дополнительные данные к экспериментам с газовой пушкой и NIF, проведенным в LLNL.
«Здесь мы можем сообщать о надежных калибровках уравнений состояния материалов при условиях, более чем в два раза превышающих давление, при котором измерялось большинство уравнений состояния, полученных с помощью ячейки с алмазными наковальнями», — сказала ученый LLNL Клэр Зурковски, первый автор статьи.
Команда использовала разработанную LLNL тороидальную ячейку с алмазными наковальнями, способную регулярно достигать > 300 ГПа с диаметром камеры образца ~ 6 мкм. Это примерно в 20 раз меньше ширины человеческого волоса. Затем в этой небольшой камере образца ученые микроизготовили пакет образца в 10-шаговом процессе, в котором целевой материал был внедрен в однородную капсулу из мягкого металла, которая служит средой, передающей давление.
Поскольку образцы в ячейке с алмазными наковальнями сжимаются наковальнями только вдоль одной оси, критически важно равномерно распределить это напряжение по всему материалу образца, чтобы получить надежное измерение уравнения состояния. В случае данного исследования мягкая металлическая капсула делает именно это, даже в микронном масштабе.
Эксперименты проводились в Аргоннской национальной лаборатории, сектор 16 HPCAT и на Deutsches Elektronen-Synchrotron PETRA-III. Хотя ученые тестировали эту методологию на молибдене с медной средой, передающей давление, этот пакет образцов может применяться широко.
«Эта работа знаменует собой лишь начало микропроизводства образцов-упаковок в тороидальной ячейке с алмазными наковальнями», — сказал Зурковски. «Мы ожидаем, что этот метод инкапсуляции образцов легко выведет статические уравнения калибровки состояний в физике, химии и материалах планетарной науки в диапазон нескольких мегабар — условия, в которых данные о статическом сжатии в настоящее время весьма ограничены».
Соавторами являются Рэйчел Лим, Оливия Пардо, Эрл О'Бэннон, Пер Содерлинд и Жолт Йеней из LLNL, а также К. Глазырин из Deutsches Elektronen-Synchrotron.
