Внешне нагретая алмазная наковальня для синтеза и однокристаллическое определение эластичности льда-VII в условиях высокого давления и температуры
Summary
Эта работа сосредоточена на стандартном протоколе подготовки внешне нагретой алмазной наковальни (EHDAC) для создания условий высокого давления и высокой температуры (HPHT). EHDAC используется для исследования материалов в Земле и планетарных интерьерах в экстремальных условиях, которые также могут быть использованы в физике твердого тела и химии исследований.
Abstract
Внешне нагретая алмазная наковальня (EHDAC) может использоваться для создания одновременно высокого давления и высокотемо температурных условий, обнаруженных в земных и планетарных интерьерах. Здесь мы описываем проектирование и изготовление сборок и аксессуаров EHDAC, включая кольцевые резистивные обогреватели, тепло- и электрические изоляционные слои, термокоупление, а также экспериментальный протокол подготовки EHDAC с использованием этих деталей. EHDAC может регулярно использоваться для генерации мегабарного давления и температуры до 900 K на открытом воздухе, и потенциально более высоких температур до 1200 K с защитной атмосферой (т.е. Ar смешивается с 1% H2). По сравнению с методом лазерного нагрева для достижения температуры, как правило, 1100 K, внешнее отопление может быть легко реализовано и обеспечить более стабильную температуру на ≤900 K и меньше температурных градиентов к образцу. Мы продемонстрировали применение EHDAC для синтеза одного хрустального льда-VII и изучили его однокристалловые эластичные свойства с использованием синхротронной рентгеновской дифракции и рассеяния бриллуина при одновременно высоких температурах.
Introduction
Ячейка алмазной наковальни (DAC) является одним из наиболее важных инструментов для исследований высокого давления. В сочетании с синхротронными и традиционными аналитическими методами, он широко используется для изучения свойств планетарных материалов в зависимости от давления мультимамебара и при широком диапазоне температур. Большинство планетарных интерьеров находятся как в условиях высокого давления, так и высокого температуры (HPHT). Таким образом, важно нагревать сжатые образцы в DAC при высоком давлении на месте для изучения физики и химии планетарных интерьеров. Высокие температуры не только необходимы для исследования фазовых и плавильных отношений и термодинамических свойств планетарных материалов, но и помогают смягчить градиент давления, способствуют фазовым переходам и химическим реакциям, ускоряют диффузию и рекристаллизацию. Для нагрева образцов в ДК обычно используются два метода: лазерное нагревание и внутренние/внешние методы резисторного нагрева.
Техника DAC с лазерным подогревом используется для исследования материалов высокого давления и исследования минеральной физики планетарных интерьеров1,2. Хотя все большее число лабораторий имеют доступ к этой технике, она обычно требует значительных усилий по разработке и техническому обслуживанию. Лазерная техника нагрева была использована для достижения температуры выше, чем 7000 K3. Тем не менее, длительное стабильное нагревание, а также измерение температуры в лазерных нагревательных экспериментов были постоянной проблемой. Температура во время лазерного нагрева обычно колеблется, но может быть смягчена путем обратного соединения между тепловым излучением и лазерной энергии. Более сложной задачей является контроль и определение температуры для сборки нескольких фаз различного лазерного поглощения. Температура также имеет значительно большой градиент и неопределенности (сотни K), хотя последние усилия технического развития были использованы для смягчения этойпроблемы 4,5,6. Температурные градиенты в области нагретого образца иногда могут еще больше привести к химической неоднородности, вызванной диффузией, повторной секционированием или частичным таянием. Кроме того, температура менее 1100 K, как правило, не может быть измерена точно без индивидуальных детекторов с высокой чувствительностью в инфракрасном диапазоне длин волн.
EHDAC использует резистивные провода или фольги вокруг прокладки/места для обогрева всей камеры образца, что обеспечивает возможность нагрева образца до 900 К без защитной атмосферы (например, газа Ar/H2) и до 1300 K с защитнойатмосферой 7. Окисление и графитизация алмазов при более высоких температурах ограничивают самые высокие достижимые температуры с помощью этого метода. Хотя диапазон температур ограничен по сравнению с лазерным нагрева, он обеспечивает более стабильное нагревание в течение длительного времени и меньшийградиент температуры 8, и хорошо подходит для в сочетании с различными методами обнаружения и диагностики, в том числе оптический микроскоп, рентгеновская дифракция (XRD), Раман спектроскопии, спектроскопия Brillouin и Фурье-трансформировать инфракраснуюспектроскопию 9. Таким образом, EHDAC стал полезным инструментом для изучения различных свойств материала в условиях HPHT, таких как фазовая стабильностьи переходы 10,11,кривыеплавления 12,тепловое уравнениесостояния 13,иэластичность 14.
BX-90 типа DAC является недавно разработанный поршневой цилиндр типа DAC с большой диафрагмой (90 “на максимуме) для XRD и лазерной спектроскопииизмерений 9, с пространством и отверстиями для установки миниатюрный резистивный обогреватель. U-образный разрез на стороне цилиндра также обеспечивает возможность для освобождения стресса между поршнем и стороны цилиндра, вызванного градиентом температуры. Таким образом, в последнее время он широко используется в порошковых или однокристалловых XRD и Brillouin измерений с внешней установки отопления. В этом исследовании мы описываем воспроизводимый и стандартизированный протокол для подготовки EHDACs и продемонстрировали однокристаллическое XRD, а также спектроскопию Brillouin измерений синтезированного однокристаллального льда-VII с использованием EHDAC на 11,2 GPa и 300-500 K.
Protocol
Representative Results
Discussion
В этой работе мы описали протокол подготовки EHDAC для исследований высокого давления. Сборки клеток, включая микро-нагреватель и тепловые и электрические изоляционные слои. Ранее существовало несколько конструкций резисторных обогревателей для различных типов ДК илиэкспери?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Мы благодарим Siheng Wang, Цинься Ван, Цзин Гао, Yingxin Лю за их помощь в экспериментах. В этом исследовании использовались ресурсы Advanced Photon Source (APS), Управления по работе с научными пользователями Министерства энергетики США (DOE), функционируют для Управления науки Министерства энергетики США по Аргоннской национальной лаборатории в соответствии с контрактом No. DE-AC02-06CH11357. GeoSoilEnviroCARS (сектор 13) поддерживается NSF-Earth Sciences (EAR-1128799) и Министерством энергетики, геонауки (DE-FG02-94ER14466). Разработка EHDAC была поддержана внешне нагретой Diamond Anvil Cell Experimentation (EH-DANCE) проектом Б. Чена в рамках программы информационно-пропагандистской работы и развития инфраструктуры (EOID) от COMPRES в рамках соглашения о сотрудничестве с NSF EAR-1606856. X. Lai признает поддержку со стороны стартап-финансирования Китайского университета геонаук (Ухань) (No162301202618). Б. Чен признает поддержку Национального научного фонда США (NSF) (EAR-1555388 и EAR-1829273). J.S. Чжан признает поддержку со стороны США NSF (EAR-1664471, EAR-1646527 и EAR-1847707).
Materials
| Au | N/A | N/A | for pressure calibration |
| Deionized water | Fisher Scientific | 7732-18-5 | for the starting material of ice-VII synthesis |
| Diamond anvil cell | SciStar, Beijing | N/A | for generating high pressure |
| K-type thermocouple | Omega | L-0044K | for measuring high temperature |
| Mica | Spruce Pine Mica Company | N/A | for electrical insulation |
| Pt 10wt%Rh | Alfa Aesar | 10065 | for heater |
| Pyrophyllite | McMaster-Carr | 8479K12 | for fabricating the heater base |
| Re | Sigma-Aldrich | 267317 | for the gasket of diamond anvil cell |
| Resbond 919 Ceramic Adhesive | Cotronics Corp | Resbond 919-1 | for insulating heating wires and mounting diamonds on seats |
| Ruby | N/A | N/A | for pressure calibration |
| Ultra-Temp 2300F ceramic tape | McMaster Carr Supply | 390-23M | for thermal insulation |
References
- Shen, G., Mao, H. K., Hemley, R. J. Laser-heated diamond anvil cell technique: double-sided heating with multimode Nd: YAG laser. Computer. 1, 2 (1996).
- Zhang, J. S., Bass, J. D., Zhu, G. Single-crystal Brillouin spectroscopy with CO2 laser heating and variable q. Review of Scientific Instruments. 86 (6), 063905 (2015).
- Benedetti, L. R., Loubeyre, P. Temperature gradients, wavelength-dependent emissivity, and accuracy of high and very-high temperatures measured in the laser-heated diamond cell. High Pressure Research. 24 (4), 423-445 (2004).
- Goncharov, A. F., Crowhurst, J. C. Pulsed laser Raman spectroscopy in the laser-heated diamond anvil cell. Review of Scientific Instruments. 76 (6), 063905 (2005).
- Meng, Y., Hrubiak, R., Rod, E., Boehler, R., Shen, G. New developments in laser-heated diamond anvil cell with in situ synchrotron x-ray diffraction at High Pressure Collaborative Access Team. Review of Scientific Instruments. 86 (7), 072201 (2015).
- Prakapenka, V., et al. Advanced flat top laser heating system for high pressure research at GSECARS: application to the melting behavior of germanium. High Pressure Research. 28 (3), 225-235 (2008).
- Du, Z., Miyagi, L., Amulele, G., Lee, K. K. Efficient graphite ring heater suitable for diamond-anvil cells to 1300 K. Review of Scientific Instruments. 84 (2), 024502 (2013).
- Bassett, W. A., Shen, A., Bucknum, M., Chou, I. M. A new diamond anvil cell for hydrothermal studies to 2.5 GPa and from- 190 to 1200° C. Review of Scientific Instruments. 64 (8), 2340-2345 (1993).
- Kantor, I., et al. BX90: A new diamond anvil cell design for X-ray diffraction and optical measurements. Review of Scientific Instruments. 83 (12), 125102 (2012).
- Dubrovinsky, L., et al. Stability of ferropericlase in the lower mantle. Science. 289 (5478), 430-432 (2000).
- Komabayashi, T., Hirose, K., Sata, N., Ohishi, Y., Dubrovinsky, L. S. Phase transition in CaSiO3 perovskite. Earth and Planetary Science Letters. 260 (3-4), 564-569 (2007).
- Datchi, F., Loubeyre, P., LeToullec, R. Extended and accurate determination of the melting curves of argon, helium, ice (H 2 O), and hydrogen (H 2). Physical Review B. 61 (10), 6535 (2000).
- Lai, X., et al. The high-pressure anisotropic thermoelastic properties of a potential inner core carbon-bearing phase, Fe7C3, by single-crystal X-ray diffraction. American Mineralogist. 103 (10), 1568-1574 (2018).
- Yang, J., Mao, Z., Lin, J. F., Prakapenka, V. B. Single-crystal elasticity of the deep-mantle magnesite at high pressure and temperature. Earth and Planetary Science Letters. 392, 292-299 (2014).
- Zhang, D., et al. High pressure single crystal diffraction at PX^ 2. Journal of Visualized Experiments. (119), e54660 (2017).
- Sinogeikin, S., et al. Brillouin spectrometer interfaced with synchrotron radiation for simultaneous X-ray density and acoustic velocity measurements. Review of Scientific Instruments. 77 (10), 103905 (2006).
- Dubrovinskaia, N., Dubrovinsky, L. Whole-cell heater for the diamond anvil cell. Review of Scientific Instruments. 74 (7), 3433-3437 (2003).
- Fan, D., et al. A simple external resistance heating diamond anvil cell and its application for synchrotron radiation X-ray diffraction. Review of Scientific Instruments. 81 (5), 053903 (2010).
- Jenei, Z., Cynn, H., Visbeck, K., Evans, W. J. High-temperature experiments using a resistively heated high-pressure membrane diamond anvil cell. Review of Scientific Instruments. 84 (9), 095114 (2013).
- Shinoda, K., Noguchi, N. An induction heating diamond anvil cell for high pressure and temperature micro-Raman spectroscopic measurements. Review of Scientific Instruments. 79 (1), 015101 (2008).
- Zha, C. S., Mao, H. -. k., Hemley, R. J., Duffy, T. S. Recent progress in high-pressure Brillouin scattering: olivine and ice. The Review of High Pressure Science and Technology. 7, 739-741 (1998).
- Zhang, J. S., Hao, M., Ren, Z., Chen, B. The extreme acoustic anisotropy and fast sound velocities of cubic high-pressure ice polymorphs at Mbar pressure. Applied Physics Letters. 114 (19), 191903 (2019).
