Forbedring af en stempel-cylinder trykcelle til μSR eksperimenter

Zurab Shermadini, Rustem Khasanov, Matthias Elender og Alex Amato ved PSI har set på designet af en dobbeltvægget stempel-cylinder trykcelle, der er specielt designet til eksperimenter med muon-spin rotation (μSR).

Det første skridt var at lave både de indre og ydre cylindere i et dobbeltvægget trykcelledesign af kobberberyllium (CuBe), en almindelig legering, der bruges til μSR trykceller. Dette materiale har veldefinerede lavbaggrundsbidrag til μSR-signalet, der er næsten temperaturuafhængige og derfor gunstige til brug i lavtemperatur-μSR-studier. De mekaniske egenskaber blev derefter analyseret ved hjælp af finite-element analyse (FEA) softwaren ANSYS, som tillod optimering af celledimensionerne at forsøge at nå det højest mulige tryk, samtidig med at eksperimenterne blev holdt sikre.

Der blev bygget en prototype, som tillod et tryk på omkring 18 kbar, i overensstemmelse med ANSYS-simuleringerne, men efter en tredje på hinanden følgende trykpåføring, den ydre cylinder knækkede, da spændingerne akkumulerede i den.

For at forbedre designet, en anden prototype blev konstrueret ved hjælp af en anden ikke-magnetisk legering, der almindeligvis anvendes til μSR trykceller:MP35N. Dette materiale blev brugt til den ydre cylinder i stedet for CuBe. Test viste, at tryk på ~ 2,6 GPa kunne nås uden irreversibel skade på cellen. Heldigvis, da muonerne hovedsageligt stopper i CuBe-indercylinderen under forsøg, var der stadig et lavbaggrunds-SR-signal på trods af ændringen i materialet i den ydre cylinder.

Værket er nu blevet offentliggjort i Journal of High Pressure Research, og μSR -brugere har nu adgang til en stempelcelle til μSR -teknikker, der når tryk 1,5 gange højere end tidligere muligt.