Udforsker, hvordan tantal opfører sig ved høje tryk og temperaturer

Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) -forskere har undersøgt højtryksadfærd for stødkomprimeret tantal ved Omega Laser Facility ved University of Rochesters Laboratory for Laser Energetics (LLE). Arbejdet viste, at tantal ikke fulgte de forudsagte faseændringer ved højt tryk og i stedet opretholdt den kropscentrerede kubiske (BCC) fase indtil smeltning.

Resultaterne af arbejdet er vist i a Fysiske anmeldelsesbreve papir og fokuserer på, hvordan forskere undersøgte tantals smelteadfærd ved multi-megabar tryk på nanosekunders tidsskala.

"Dette arbejde giver en forbedret fysisk intuition for, hvordan materialer smelter og reagerer under så ekstreme forhold, " sagde Rick Kraus, hovedforfatter af papiret. "Disse teknikker og forbedrede vidensbase bliver nu anvendt til at forstå, hvordan jernkernerne på klippeplaneter størkner og også til mere programmatisk relevante materialer."

Kraus sagde, at forskningen afgjorde en mangeårig kontrovers om højtryks- og højtemperaturfasediagrammet for tantal, viser, at BCC er den stabile fase ved høje tryk, og smeltekurven er stejlere end mange tidligere målinger.

Ud over den videnskabelige betydning af fasediagrammet for selve tantal, dette arbejde er en del af en bredere indsats for at udvikle dynamiske kompressionsplatforme til nøjagtigt at begrænse smeltnings- og størkningsovergangene. Disse bestræbelser er med til at sikre, at forskere simulerer disse overgange korrekt, når de forudsiger resultaterne af en dynamisk begivenhed, såsom dannelse af et nedslagskrater eller acceleration af en ablator på National Ignition Facility.

Dette arbejde repræsenterer en ny grænse for in-situ karakterisering af materialer under ekstreme forhold. I tidligere forsøg, smeltning under stødkomprimering var indirekte udledt af diskontinuerlige ændringer i stødhastigheden eller i de optiske egenskaber. "At være i stand til at 'se' strukturen forvandle sig fra et fast stof til en væske er ekstremt spændende, " tilføjer Federica Coppari, medforfatter til undersøgelsen.

Med forskernes klare bestemmelse af smelte ved sådanne ekstreme forhold og på korttidsskalaforsøg, holdet hjalp med at begrænse den tidsafhængige adfærd ved smeltning og opdage, at dynamiske eksperimenter som disse observerer ligevægtsfasegrænsen.

Eksperimenterne brugte en enkelt stråle af Omega-laseren til at generere en stærk stødbølge i tantalprøven. Teamet oprettede en plasma-baseret røntgenkilde til røntgenspredningsmålingerne ved hjælp af yderligere 12 stråler. I hvert efterfølgende eksperiment, holdet øgede styrken af ​​chokbølgen i prøven, evaluering af tilstanden af ​​tantal ved hjælp af røntgendiffraktionsdiagnostik, kaldet Powder X-Ray Diffraction Image Plate (PXRDIP).

"Vi observerede en overgang fra solid BCC, til en blandet fase af BCC og flydende tantal, til fuldstændig flydende tantal, "Kraus sagde." Ved hjælp af de overgangstryk, vi opnåede fra disse forsøg, og tidligere ligningsinformation om tantal, vi var også i stand til at begrænse smeltetemperaturen for tantal. "

Tantal har set en enorm undersøgelse under højt tryk med uoverensstemmende smeltekurvemålinger. "Derfor, det er vigtigt for os at kunne løse kontroverser i højt undersøgte materialer, så vi kan sikre, at vi bruger de rigtige teknikker, der accepteres af forskersamfundet, " han sagde.