Ny enhed klemmer prøver med 1,6 milliarder atmosfærer i sekundet

En ny superhurtig højtryksenhed ved DESYs røntgenlyskilde PETRA III giver forskere mulighed for at simulere og studere jordskælv og meteoritpåvirkninger mere realistisk i laboratoriet. Den nye generations dynamiske diamantamboltcelle (dDAC), udviklet af forskere fra Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), DESY, den europæiske synkrotronstrålingskilde ESRF, og universiteterne i Oxford, Bayreuth og Frankfurt/Main, komprimerer prøver hurtigere end nogen lignende enhed før. Instrumentet kan skrue op for trykket med en rekordhastighed på 1,6 milliarder atmosfærer i sekundet (160 terapascal pr. TPa/s) og kan bruges til en lang række dynamiske højtryksundersøgelser. Udviklerne præsenterer deres nye enhed, der allerede har bevist sine evner i forskellige materialeforsøg, i journalen Gennemgang af videnskabelige instrumenter .

"I mere end et halvt århundrede har diamantamboltcellen eller DAC været det primære værktøj til at skabe statisk højtryk for at studere fysik og kemi af materialer under disse ekstreme forhold, for eksempel at undersøge de fysiske egenskaber af materialer i midten af ​​jorden ved 3,5 millioner atmosfærer, "sagde hovedforfatter Zsolt Jenei fra LLNL. For at simulere hurtige dynamiske processer som jordskælv og asteroider påvirker mere realistisk med høje kompressionshastigheder i laboratoriet, Jeneis team, i samarbejde med DESY -forskere, udviklede nu en ny generation af dynamisk drevet diamantamboltcelle (dDAC), inspireret af det banebrydende originale LLNL -design, og koblede den med den nye hurtige røntgendiffraktionsopsætning af Extreme Conditions Beamline P02.2 på PETRA III.

Den nye dynamiske diamantamboltcelle består af to små modificerede brillanter, der skubbes sammen af ​​et kraftfuldt piezo -elektrisk drev. Takket være forbedringer som de meget stærkere piezo -aktuatorer og hurtige, high peak strømforstærkere den nye enhed er i stand til at komprimere de bittesmå prøver mellem diamantambolderne mere end tusinde gange hurtigere end tidligere instrumenter.

For at undersøge ændringer i fysiske egenskaber af materialer under højt tryk, forskere lyser røntgenstråler på de små prøver og registrerer den måde, røntgenstrålerne er diffrakteret af materialet. Disse diffraktionsmønstre gør det muligt at beregne materialets indre struktur. Imidlertid, at tage snapshots af dynamiske processer med høj hastighed, røntgenblitzen skal være lys nok, og kameraet, detektoren, skal være hurtig nok.

"I næsten ti år har siden den første opfindelse af dDAC på vores laboratorium, det har været ekstremt svært at gennemføre hurtige diffraktionsforsøg på grund af manglen på fotonstrømning og vigtigere hurtige og meget følsomme højenergirøntgenstrålediffraktionsdetektorer, "forklarede Jenei. Først med fremkomsten af ​​den ekstremt lyse tredje generations røntgenkilder som PETRA III og udviklingen af ​​meget følsomme kameraer, såsom gallium-arsenid (GaAs) Lambda-detektor opfundet af DESY-detektorgruppen, blev det muligt at indsamle diffraktionsbilleder med passende korte eksponeringstider og tidsopløsning.

Extreme Conditions Beamline (ECB) på DESY har verdens to første GaAs Lambda -detektorer. "Ved at udløse dem med en forsinkelse på 0,25 millisekunder, vi er i stand til at indsamle op til 4000 billeder i sekundet, "sagde Hanns-Peter Liermann, beamline -forskeren med ansvar for ECB. Detektorerne blev finansieret gennem et fælles forskningsprojekt tildelt af det tyske forbundsministerium for uddannelse og forskning BMBF til Goethe -universitetet i Frankfurt, hvor Björn Winkler er hovedforsker.

Forskere, der arbejder på projektet, har demonstreret ydeevnen og alsidigheden af ​​det eksperimentelle setup med hurtige kompressionsundersøgelser af tungmetaller som guld og vismut samt lette forbindelser såsom is (H2O), og planetariske materialer, såsom ferropericlase ((Mg0.8Fe0.2) O). Mens der udføres hurtige diffraktionsforsøg på guld, holdet viste en stigning i trykket fra 1000 atmosfærer til 1, 400, 000 atmosfærer på kun 2,5 millisekunder (tusindels sekund), hvilket resulterer i en maksimal komprimeringshastighed på 160 TPa/s. I løbet af denne ekstremt korte tid, detektorerne indsamlede otte diffraktionsmønstre på tværs af den komplette komprimeringssti.

"Vi mener, at vi med den eksisterende opsætning kan forbedre komprimeringshastighederne til måske tusinder af terapascal pr. Sekund, sagde Liermann. dette har brug for endnu lysere røntgenblink og stadig hurtigere kameraer, som vil blive leveret af begge, den planlagte opgradering af PETRA III til en næste generations røntgenkilde PETRA IV og High Energy Density-forsøgsstationen (HED) på den europæiske røntgenlaser European XFEL, hvor DESY deltager i opbygningen af ​​et dDAC -setup som en del af Helmholtz International Beamline for Extreme Fields (HIBEF) -konsortiet.