Første forsøg med diamantamboltceller ved europæisk XFEL

Den europæiske XFEL-røntgenlaser åbner nye perspektiver for højtryksforskning:Et internationalt team brugte de intense laserblink til at opvarme og analysere prøver i såkaldte diamantambolceller ved røntgenlaseren for første gang. Eksperimenterne oversteg klart forskernes forventninger, som det 50-stærke team af eksperimenterede ledet af Stewart McWilliams fra University of Edinburgh rapporterede efter afslutningen af ​​eksperimenterne.

Diamantamboltceller (DAC) tilhører standardinstrumenterne, der bruges af højtryksforskere. I dem, to små og ultrahårde diamantambolte komprimerer små prøver, genererer pres som dem, der hersker i Jordens indre. Denne måde, geovidenskabsfolk kan simulere forholdene inde på vores planet og indhente vigtige oplysninger om Jordens kerne og kappe. "Indtil nu, vi har kun brugt diamantamboltceller på lagringsringe som f.eks. PETRA III, "forklarer DESY mineralog Hanns-Peter Liermann." Indtil for nylig har vi holdt dem aldrig i den meget stærkere stråle af en frielektronlaser; vi vidste ikke engang, om det overhovedet ville fungere. "

På instrumentet High Energy Density (HED) i den europæiske XFEL, forskerne satte nu et nyt interaktionskammer i drift for første gang, som er specielt designet til forsøg med diamantamboltceller ved røntgenlaseren. "I øjeblikket er det kun europæisk XFEL, der kan levere hårde røntgenstråler med en energi, der er høj nok til let at kunne trænge ind i diamantamboltene," siger Ulf Zastrau, gruppeleder for HED. Vakuumkammeret har en revolver, holder op til 6 DAC'er til hurtig udveksling og optimeret brug af stråletiden, to detektorer med stort område til registrering af diffraktionsmønstre samt et optisk system til billeddannelse af prøverne og kontaktfri (pyrometrisk) temperaturmåling.

Det komplekse setup blev udviklet af DESY som en del af konsortiet Helmholtz International Beamline for Extreme Fields (HIBEF), hvor en række institutter under ledelse af Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) er gået sammen om at udføre eksperimenter under ekstreme forhold, som kun er mulige i denne form med ekspertise fra partnerne og de europæiske stråleegenskaber XFEL.

Blandt andet, eksperimenterne drager fordel af den hurtige puls i den europæiske røntgenlaser, som kan generere op til 27, 000 blink i sekundet. Mens en første røntgenblitz opvarmer og smelter prøven komprimeret i cellen, den efterfølgende flash gør det muligt at måle ændringerne i prøven præcist - selv før prøven kan reagere med cellen. "Dette er kun muligt på det europæiske XFEL, "siger Cornelius Strohm, der leder HIBEF -gruppen hos DESY. "Kun den europæiske XFEL giver et tilstrækkeligt antal røntgenblink med høj energi på kort tid efter hinanden." Den høje fotonenergi giver forskere flere detaljer for en bedre strukturel analyse af deres prøver.

I de første forsøg med DAC'er på det europæiske XFEL, teamet fokuserede oprindeligt på systematiske undersøgelser som grundlag for fremtidige eksperimenter. For eksempel, forskerne testede, om diamantamboltcellerne kan modstå flere eksponeringer med de intense røntgenpulser fra den europæiske XFEL, om og hvordan prøven kan opvarmes af en første røntgenpuls og derefter undersøges med en yderligere puls umiddelbart derefter hvordan den observerede temperatur afhænger af tidsintervallet mellem impulserne, og om de intense røntgenblink udløser kemiske reaktioner mellem prøven og trykoverførselsmediet eller diamanterne.

Mens forskerne kun er i begyndelsen af ​​en detaljeret evaluering af de omfattende data, de kan allerede rapportere om indledende observationer:DAC'er med tryk på op til en million atmosfærer modstår faktisk flere eksponeringer med strålen fra den europæiske XFEL. Egnede prøver kan blive stærkt opvarmet af røntgenstrålen og, i nogle tilfælde, smeltet. Sidst men ikke mindst, kemiske reaktioner og fasetransformationer i prøver blev induceret og observeret af røntgenstrålen. Forslag til yderligere eksperimenter er allerede indsendt for at undersøge det fulde potentiale i forskningsmulighederne med diamantamboltceller ved den europæiske XFEL.