Forskere måler temperatur under chokforhold

Temperaturen er svær at måle, især ved stødkomprimeringsforsøg. En stor udfordring er at skulle tage højde for termisk transport - strømmen af ​​energi i form af varme.

For bedre at forstå denne udfordring, forskere fra Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) har taget vigtige skridt for at vise, at varmeledning er vigtig og målelig ved højtryks- og temperaturforhold i disse typer af eksperimenter, ifølge et papir for nylig offentliggjort i Journal of Applied Physics . Avisens forfattere er David Brantley, Ryan Crum og Minta Akin.

"Vi har brug for bedre temperaturmålinger, fordi forståelse af planetariske materialers høje temperatur- og trykadfærd er nøglen til at udvikle bedre modeller af Jorden og andre terrestriske exoplaneter, " sagde David Brantley, LLNL fysiker og hovedforfatter af papiret.

Brantley sagde, at afhængigt af hvordan jern leder varme ved Jordens kernetryk og temperaturer, planetens faste indre kerne kan være omkring 500 millioner til flere milliarder år gammel.

"Store usikkerheder i de målte temperaturer af jern ved Jordens kerneforhold gør det vanskeligt at begrænse planetens temperaturprofil præcist, " sagde han. "Disse usikkerheder er der ikke taget højde for i tidligere temperaturmålinger, og vi fandt ud af, at de væsentligt kan forstyrre tidligere resultater. "

For at beskrive ethvert materiale, forskere har brug for statsligningen, som kan beskrives på mange måder, men det mest almindelige er pres, volumen og temperatur.

"Eksperimentelt bestemte og velbegrænsede statsligninger er afgørende for forudsigelsesevnen og usikkerhedskvantificeringen af ​​beregninger fra hydrokoder, " sagde Brantley. "Ved at give realistiske usikkerheder for målte stødtemperaturer, vi giver et bedre greb om den iboende usikkerhed i vores statsligninger."

Brantley sagde, at teamet kvantificerede de største usikkerhedskilder for stødtemperaturer og gav en klar vej frem for væsentligt at reducere den samlede temperaturusikkerhed.

"Som fællesskab vi er blevet ret gode til at måle tryk og volumen-temperatur, ikke så meget, hvilket efterlader os med en ufuldstændig tilstandsligning. Tilstandsligninger bruges i modeller, men hvis de er ufuldstændige, modellen vil også være det. "

På grund af de korte tidsskalaer for stødkompressionseksperimenter, som varer mindre end 1 milliontedel af et sekund, temperaturen måles typisk ved at opsamle det lys, der udsendes fra den varme prøve via optisk pyrometri. Til uigennemsigtige materialer som jern, lys opsamles kun fra prøvens overflade. På samme måde som en grydes håndtag er køligere end kogefladen, prøvens overflade er typisk køligere end den indre. Imidlertid, den indvendige eller bulk-temperatur er nødvendig for tilstandsligningen. Den største kilde til usikkerhed i stødtemperaturmålinger kommer fra slutningen af ​​den indvendige temperatur fra lyset, der udsendes fra overfladen.

Forskellen mellem overflade- og bulktemperaturen afhænger af, hvor godt varme leder gennem prøven, såsom termisk ledningsevne. Usikkerheden ved stødtemperaturmålingen ved hjælp af pyrometri afhænger af usikkerheden i prøvens varmeledningsevne ved de eksperimentelle højtryks- og temperaturforhold, blandt andet. Forbedret præcision i målinger af høj temperatur og tryk termisk ledningsevne forbedrer ligeledes præcisionen i stødtemperaturmålingen.

Ved tryk og temperaturer under Jordens indre kernegrænse, stødtemperaturmålinger giver et vigtigt krydstjek i forhold til andre metoder. Trykket og temperaturen, der kan opnås i stødforsøg, går langt ud over rækkevidden af ​​andre metoder, og stødeksperimenter giver i øjeblikket det eneste pålidelige middel til at opnå tryk og temperaturer svarende til det indre af superjorden og gasgigantiske planeter.

Forskergruppen udfører arbejde i fire forsøg

For at udføre arbejdet, forskere udførte fire eksperimenter designet til at binde termisk ledning på den typiske tidsskala for stødkompressionseksperimenter.

Holdet tog to tin- og to jernprøver, sputter belagt til en tykkelse på 5 mikrometer på lithiumfluorid (LiF) vinduer, som derefter blev anbragt i kontakt med ca. 2 millimeter tykke jernbundplader. Bundpladen tjente som køleplade til de varmere blikprøver. Da bundpladen var meget koldere end tin, dåsetemperaturen skulle være faldet, som det blev observeret i forsøgene. Jernprøvetemperaturerne svarede tilnærmelsesvis med basispladetemperaturen for jernprøveforsøgene, så jerntemperaturen forventedes at ækvilibrere.

Simuleringer viste, at jernpladens temperatur kunne have været varmere end forventet tættest på prøven. Da jern leder varme lettere end tin, temperaturændringen forventedes ikke at blive observeret (ved grænsefladen) før langt senere i forsøget. Da denne temperaturændring ikke blev observeret, det etablerede en øvre grænse for jernets varmeledningsevne.

De fire målsamlinger blev chokerede i serie til eksperimentelle forhold ved brug af kobberpladeimpaktorer på LLNL's JASPER letgaskanonanlæg. Høj præcision optisk pyrometri blev brugt til at bestemme prøve-vindues grænseflade temperaturer, og Photon Doppler Velocimetri (PDV) blev brugt til at bekræfte tryk sammen med hydrodynamiske simuleringer.

LiF-vinduerne tjente til at opretholde høje tryk- og temperaturforhold og give et gennemsigtigt medium til at opsamle lys fra prøveoverfladen. Tin blev valgt, da det er meget varmere end jernprøver ved lignende ringdown -tryk i LiF -vinduet.

"LiF-temperaturen er ikke velkendt, så ved at chokere tin- og jernmål til lignende tryk i LiF-vinduet, vi får sammenlignelige vinduestemperaturer for de forskellige mål, " sagde Brantley.

Jernbundpladen tjente som køleplade til de varmere blikprøver, som var tilstrækkeligt tynde til at muliggøre betydelig diffus termisk transport. Jernprøverne tjente som en basislinjetemperaturhistorie til at teste for ækvilibrering af de observerede tinprøvetemperaturer.

Resultaterne er todelte

Brantley sagde, at to store fund blev rapporteret i arbejdet. Først, en sammenligning af den observerede tingrænsefladetemperatur med nær-ligevægtsjerngrænsefladetemperatur tillod holdet at begrænse den karakteristiske tidsskala for termisk afslapning.

"Denne observation åbner muligheden for en ny type eksperimentel platform til at bestemme prøvens termiske transportparametre i stødkompressionseksperimenter ved hjælp af prøvens relative temperaturtidshistorie, "Brantley sagde. "Sådan et platform design kan anvendes på enhver dynamisk kompression facilitet, der er i stand til at rumme flere pyrometri systemer."

Det andet store fund var vigtigheden af ​​at begrænse systematik for at få nøjagtige temperaturresultater. Systematiske effekter viste sig at variere i retning med en størrelse lig med eller større end eksperimentel usikkerhed. Desuden, denne systematik var modelafhængig, hvilket betyder, at blot modelvalget kan påvirke bulktemperaturen. Det er meget vigtigt, at de endelige temperaturresultater korrigeres for de væsentligste systematiske bidrag, viste forskningen.