A legelérhetőbb és legkompaktabb berendezés az in situ kísérletekhez ( latinul - „helyben”), amely egy anyag adott hőmérsékleten és nyomáson történő közvetlen vizsgálatából áll, egy gyémánt üllőcellákkal ellátott cella ( angol diamond anvil cell, DAC ). Egy ilyen cella kialakítása magában foglalja két kúpos gyémánt jelenlétét, amelyek nyomóerőt adnak át egy milliméternél kisebb átmérőjű munkafelületekre. A gyémánt kivételes keménysége miatt akár több millió atmoszféra nyomás is elérhető ily módon , és a gyémántok átlátszósága széles spektrális tartományban lehetővé teszi a minta különböző módszerekkel történő tanulmányozását. Figyelembe véve a modern mintamelegítési módszereket, a gyémántcellás módszernek nincs analógja a rendelkezésre álló hőmérséklet- és nyomástartományban.
Az első gyémánt üllőcellát az 1950-es évek végén hozták létre Charles E. Weir és munkatársai az Egyesült Államok Nemzeti Szabványügyi Hivatalánál [1] . Ennek a sejtnek a létrejöttében döntő szerepet játszott az a tény, hogy fejlesztőinek joguk volt szabadon felhasználni a lefoglalt csempészáru állami tárházából származó gyémántokat . Ellenkező esetben a kísérletek költsége, amelyek során a felhasznált gyémántok nagy részét feldarabolták, indokolatlanul magas lett volna. A kutató még most sem mentes a gyémánt üllők meghibásodásától, annak ellenére, hogy a módszert kidolgozták. Ezenkívül a rekordnyomások és hőmérsékletek elérésével kapcsolatos kísérletekben elkerülhetetlen az üllők megsemmisülése a kirakodás szakaszában, ami az ilyen vizsgálatok magas költségeit okozza.
Az 1970-es évekig azonban a gyémánt üllőcella nem terjedt el széles körben a nagynyomású kísérletekben. Ennek fő oka a cellában keletkező nyomás gyors és pontos felmérésére szolgáló módszer hiánya volt. Az akkoriban létező módszerek vagy pontatlanok (nyomásszámítás a P=F/S képlettel ), vagy túlságosan fáradságosak voltak (az akkori diffrakciós standardok használata többnapos felméréseket igényelt). A kiutat 1971-ben találták meg, amikor R. Forman ( Richard Forman ) és munkatársai azt javasolták, hogy a rubin lumineszcencia spektrumának vonaleltolódását használják a cellában uralkodó nyomás becslésére [2] . Ennek az egyszerű és kifejezett módszernek a megjelenése hozzájárult a gyémántcellás módszer gyors elterjedéséhez és fejlődéséhez.
A cella fő részlete a gyémánt üllők. Gyártásukhoz természetes és mesterséges gyémántokat is használnak látható hibák nélkül. Ugyanakkor a lumineszcencia nélküli gyémántokat a Raman-spektroszkópiához (Raman), és csak a nitrogénmentes gyémántok ( II. típus ) alkalmasak infravörös spektroszkópiára . Mivel a II-es típusú gyémántok rendkívül ritkák a természetben (nem több, mint a teljes mennyiség 2%-a), a mesterséges gyémántokat széles körben használják gyémánt üllők gyártásához. Ezenkívül úgy gondolják, hogy a mesterséges gyémánt üllők, amelyek mentesek a belső feszültségektől és hibáktól, tartósabbak. Az üllőgyémánt krisztallográfiai orientációja is jelentős szerepet játszik: a gyémánt tökéletes hasítása az oktaéder mentén, a (100) síkkal párhuzamos munkafelületű üllők mutatják a legnagyobb stabilitást .
A gyémánt üllők vágása sok tekintetben hasonlít a közönséges drágakő gyémántok vágásához. Részletei közül a munkaállvány vagy culet átmérője ( angolul culet ) befolyásolja a legnagyobb mértékben az üllő számára elérhető nyomástartományt . Minél kisebb ez az érték, annál nagyobb nyomást tud létrehozni az üllő a tönkremenetel veszélye nélkül. Így 20 GPa-ig terjedő nyomás létrehozásához 0,6-0,8 mm átmérőjű üllőket használnak, míg 100 GPa-t meghaladó nyomások létrehozásához a golyók átmérője nem haladhatja meg a 0,1-0,2 mm-t [3] .
Külön vívmány a gyémánt üllők tervezésében az elektródák munkafelületre történő felvitelének technológiája [4] . Ehhez egy adott konfigurációjú vékony fémréteget visznek fel a gyémánt felületére litográfiával . Ezután a gyémánt epitaxiális növekedéssel nő a gázfázisból . Az így létrejövő több tíz mikrométer vastag réteg befedi a fémelektródákat, „lezárva” azokat az üllő belsejében. Az így módosított üllőket kísérletekben használják fizikai tulajdonságok, például elektromos ellenállás és mágneses szuszceptibilitás vizsgálatára , valamint a minta melegítésére.
Megjegyzendő, hogy nem a gyémánt az egyetlen anyag, amely alkalmas nagynyomású cellás üllők készítésére. A mai napig számos alternatív anyag ismert, bár az elérhető nyomások tartománya szempontjából alacsonyabbak a gyémántnál, de sokkal olcsóbbak. Közülük a legelterjedtebb a szintetikus zafír , a moissanit és a cirkónia .
Magukon az üllőkön kívül azok támasztékai ( angol ülés, hátlap ) is jelentős terhelésnek vannak kitéve a cellában , melynek anyagának és konfigurációjának megválasztása szintén fontos szempont a cella gyártásánál. A támasz egyrészt mechanikus funkciót lát el, megtámasztja az üllőt. Ennek megfelelően a tartó gyártása során előnyben kell részesíteni a legkeményebb anyagokat. Hagyományosan volfrámkarbidot használnak ehhez , és bizonyos esetekben csak kemény minőségű acélt . Másrészt az üllőtámasz korlátozza a cella szögnyílását. Ezért a mintához való nagy hozzáférési szöget igénylő diffrakciós kísérleteknél a hordozónak vagy átlátszónak kell lennie a sugárzás számára, vagy meghatározott konfigurációjúnak kell lennie. Először használták a berilliumot röntgensugár átlátszó hordozóanyagként . Nyilvánvaló hátrányai közé tartozik a rendkívüli toxicitás és a puhaság: a kísérlet során az üllők átnyomják a támaszt, fokozatosan használhatatlanná téve azt. A könnyű elemek ( bór , szén és nitrogén ) alapú szuperkemény anyagokból készült támasztékok nélkülözik ezt a hátrányt . Ezek közé tartozik az elemi bór , a köbös bór-nitrid (c-BN), a bór-karbid (B 4 C) és számos más vegyület, valamint valójában a gyémánt . Ezen anyagok keménysége és röntgenátlátszósága lehetővé teszi, hogy sikeresen használják gyémánt üllők alátámasztására, de nagy ridegségük korlátozza az elérhető nyomástartományt. A cella szögapertúrájának növelésének alapvetően más módszerét javasolta 2004-ben R. Boehler ( Reinhard Boehler ), az üllő tartófelületének kúp formájában megmunkált koronára való mozgatásával [5] .
A gyémánt üllőcella kulcseleme a nyomásmechanizmus. Az üllőkre gyakorolt nyomóerő alkalmazásának módja szerint a cellákat három típusra osztják:
KarcellákA karcellákban az üllőket egy csavarral működtetett kar hozza össze. Ennek a mechanizmusnak az a hátránya, hogy a kar nem mozdul előre, hanem forog. Éppen ellenkezőleg, az üllőknek közeledniük kell egymáshoz, szigorúan párhuzamosak és koaxiálisak maradva egymással. Ennek a követelménynek a teljesítése érdekében az üllők egy dugattyús hengeres szerkezetben ( angolul piston-cylinder ) vannak elhelyezve, amelyet viszont egy kar támaszt meg egy csuklópánt segítségével. A csuklópánt és a hengerrel szorosan illeszkedő dugattyú lehetővé teszi az üllők szigorúan progresszív mozgását. A megfelelő cellatervet, amelyet először 1975-ben Mao és Bell [6] írt le részletesen , Mao -Bell tervnek nevezték . Most fokozatosan használaton kívül van.
Csavaros cellákA spirális cellákban az üllők összehozásához szükséges erő a csavarok meghúzásával jön létre. Ennek fontos követelménye a csavarok gördülékeny menete (azaz kis menetemelkedés) és meghúzásuk szinkronizálása. Ez utóbbi speciális átviteli mechanizmusok használatával érhető el, amelyek lehetővé teszik több csavar egyidejű meghúzását. A dugattyús-hengeres konstrukció a szinkronon kívüli csavarozás miatti üllőtorzulás elkerülésére is használható. A megfelelő cellák ( eng. dugattyús-henger DAC ) megbízhatóbbak, és páros számú csavar esetén lehetővé teszik a nyomás létrehozását átviteli mechanizmus nélkül, az ellentétes csavarok páros meghúzásával. A dugattyús-henger rendszerű cellák hátránya, hogy nagy érintkezési felületre van szükség a henger és a dugattyú között (ellenkező esetben a pontos illeszkedés lehetetlen). Ez a szerkezet jelentős (az üllők méreteihez képest) magasságát jelenti, ami elkerülhetetlenül korlátozza a cella legalább egyik szögnyílását. Ez a számos módszernél jelentéktelen hátrány nem teszi lehetővé a dugattyús hengeres cellák sikeres alkalmazását az egykristály diffrakciós kísérletekben , ahol a cella mindkét oldalán maximális szögnyílás szükséges. Az utolsó követelményt azonban a lemezes cellák ( lemez DAC ) teljesítik . Az ilyen cellákban az üllők azonos, csavarokkal meghúzott lemezekre vannak rögzítve. Először 1974-ben javasoltak ilyen tervet [7] , és Merrill - Basset tervezésnek nevezték el . A transzlációs mozgás biztosítására csapokat használtak benne, amelyek az egyik lemez felületéből jöttek ki, és szorosan illeszkedtek a másik lemez lyukaiba. Viszonylag a közelmúltban (2006-ban) R. Böhler módosította ezt a kialakítást úgy, hogy kúpos vágású üllőket adott hozzá, és kiküszöbölte a lemezek szembejövő mozgását (az üllők megközelítése a lemezek középső részének rugalmas elhajlása miatt következik be) [8] . Az így kapott cella messze a legjobban megfelel az egykristályos diffraktometria igényeinek.
MembráncellákElső alkalommal R. Le Toullec és munkatársai javasolták 1988-ban gázmembrán alkalmazását nyomóerő létrehozására gyémántcellában [ 9] . A gázmembrán egy üreges fémgyűrű (általában rozsdamentes acél ), amely "duzzad", amikor gázt (általában héliumot ) fecskendeznek belé legfeljebb 200 atmoszféra nyomáson. A membránnak ez a deformációja felhasználható a sejt nyomás alá helyezésére.
A membránsejtek közös része a test, amely üllőkkel mereven rögzíti a membránt a szerkezeten. Az üllők transzlációs mozgásának biztosítására szabványos módszereket alkalmaznak: vezetőcsapok vagy dugattyú-henger rendszer. A membránsejteket gyakran csavarmechanizmussal egészítik ki. A membráncellák fő előnye, hogy képesek a nyomást a sejttel való közvetlen érintkezés nélkül beállítani. Ez nagyban leegyszerűsíti a magas és alacsony hőmérsékleten végzett kísérleteket, valamint az időigényes beállítást igénylő kísérleteket (például a minta lézeres melegítésének módszerével). Külső fűtéssel végzett magas hőmérsékletű kísérleteknél (vagyis amikor az egész cellát felmelegítjük) a gázmembrán elkerüli a hőmérséklet emelkedésével járó meredek nyomásesést, ami a csavaros szerkezetű cellákra jellemző (utóbbi jelenség a hő hatására jelentkezik a csavarok tágulása ). Ezenkívül a gázmembrán lehetővé teszi a nyomás sokkal gördülékenyebb megváltoztatását, mint egy csavaros mechanizmus. Napjainkig a membrán típusú gyémánt üllőcellák a legmodernebb berendezések a nagynyomású kísérletekhez.
Az első kísérletekben a vizsgált anyagot közvetlenül gyémánt üllők közé préselték. Ez a megközelítés csak szilárd anyagok vizsgálatát tette lehetővé, és volt egy nyilvánvaló hátránya: a minta erősen anizotróp egytengelyű kompressziót tapasztalt. Néhány évvel a gyémántcella létrehozása után azonban ezt a problémát sikeresen megoldották: 1962-ben E. Van Valkenburg ( Alvin Van Valkenburg ) [10] javasolta egy vékony fémlemezen lévő lyuk használatát mintakamra - tömítésként ( angol tömítés ) gyémánt üllők közé helyezve. A zárt munkatérfogat lehetővé teszi a folyadék- és gázfázisú rendszerek nagynyomású vizsgálatát, valamint hidrosztatikus és pszeudohidrosztatikus körülmények között végzett kísérletezést.
A tömítés előkészítése általában két szakaszból áll: préselésből ( angol behúzás ) és fúrásból. A préselési szakaszban a 0,2-0,5 mm vastag tömítést összenyomják az üllők között, így 20-120 µm vastagságú lenyomatot kapnak. Ezután a felesleges fémet kinyomják, gyűrű alakú gyöngyöt képezve, amely stabilizálja a tömítés és az üllők helyzetét. A préselés után mintalyukat fúrunk a kapott nyomatba. A tömítőfém keménységétől és a kívánt furatátmérőtől függően a fúrás hagyományos mikrofúrókkal és lézeres és szikrafúrással egyaránt elvégezhető.
A tömítés anyagának megválasztását több szempont határozza meg. Először is, a tömítésnek kellően merevnek kell lennie ahhoz, hogy magas nyomáson biztosítsa a munkatérfogat szükséges vastagságát. Ugyanakkor a tömítésnek bizonyos plaszticitással kell rendelkeznie, vagyis képesnek kell lennie törés nélkül deformálódni. Mindkét követelménynek megfelel a fém tömítések. Szobahőmérsékleten végzett kísérletekhez az acél az optimális tömítőanyag . Magas hőmérsékletű kísérletekben azonban az acél alkalmatlan, mert néhány száz fok fölé hevítve elveszíti rugalmas tulajdonságait. A magas hőmérsékletű ötvözetek , például az Inconel megfizethető alternatívát jelentenek . 800 °C feletti hőmérsékleten tűzálló fémekből ( Ta , Nb , W , Mo , Re ) és ezeken alapuló ötvözetekből készült tömítések alkalmazása szükséges. Emlékeztetni kell azonban arra, hogy magas hőmérsékleten a gyémánt már nem inert anyag, és kölcsönhatásba léphet a fém tömítéssel. Ebben az esetben fémkarbidok képződnek, és a tömítést az üllőkre „hegesztik” ( angolul gasket welding ). Az egyetlen tűzálló fém, amely nem képez karbidokat, a rénium, amelyet joggal tartanak a legjobb anyagnak a tömítések készítéséhez.
Ha egy gyémántcellában lévő anyagot röntgensugaras módszerekkel vizsgálunk, felmerül a tömítőanyaggal való kölcsönhatás problémája. Ez a kölcsönhatás a sugárzás elnyelésében vagy erős hamis jel generálásában fejeződik ki, ami megnehezíti a kísérleti adatok megszerzését és feldolgozását. A probléma megoldása a tömítések gyártására alkalmas röntgen átlátszó anyag. Sokáig a berillium volt az egyetlen ilyen anyag . A lágy berilliumból készült tömítések azonban alkalmatlanok több GPa feletti nyomásra, és még inkább a magas hőmérsékletű kísérletekre. Bár a fém speciális feldolgozása lehetővé teszi, hogy a berillium tömítések kellő merevséget biztosítsanak ahhoz, hogy GPa első tízes nyomásán működjenek, a berillium toxicitása még mindig erősen korlátozza a laboratóriumi felhasználást. A megabar tartományban stabil röntgen átlátszó tömítések iránti igény nem fémes tömítések létrehozásához vezetett. Lágyítószerrel, például epoxival kevert, por alakú alap préselésével készülnek . Alapként könnyű elemeken alapuló szuperkemény anyagokat használnak, mint például amorf bór , köbös bór-nitrid (c-BN) és gyémánt . A kapott tömítéseket a szokásos módon préselik és fúrják. A szuperkemény anyagokból készült préselt tömítések jellemzője a megnövekedett merevség, amely lehetővé teszi a munkatérfogat vastagságának túlzott csökkenését 50 GPa feletti nyomáson.
Mechanikai szempontból a gyémánt cella kialakítása úgy van kialakítva, hogy egytengelyű tömörítést hozzon létre. Az ilyen összenyomás nem hidrosztatikus , vagyis amikor egy mintára alkalmazzák, az utóbbiban nyírófeszültségek lépnek fel . A kristályos fázisokban a nyírófeszültségek lokális rács alakzatok megjelenéséhez vezetnek , amelyek a diffrakciós és spektrális csúcsok kiszélesedésében nyilvánulnak meg. A leírt hatások kiküszöbölésére az egytengelyű kompressziót átfogó, azaz hidrosztatikussá kell alakítani. A gyakorlatban ezt úgy érik el, hogy a munkakamrát folyékony nyomóközeggel ( nyomásátvivő közeggel ) töltik fel a mintával . Ennek a megközelítésnek azonban van egy jelentős korlátja: kellően magas nyomáson bármilyen folyadék kristályosodik. Különösen a szobahőmérsékleten végzett kísérleteknél egyetlen olyan anyag sem ismert, amely 15 GPa-nál nagyobb nyomáson képes folyékony halmazállapotot fenntartani.
Azokban az esetekben, amikor a hidrosztatikus körülmények között történő kompresszió valamilyen okból nem lehetséges, helyette pszeudo-hidrosztatikus kompressziót lehet megvalósítani . Ez azt jelenti, hogy kis nyírószilárdságú nyomóközegeket kell használni , vagyis olyanokat, amelyekben a nyírófeszültség relaxációja a kísérlet időtartamához képest meglehetősen rövid időtartam alatt következik be. A nyírófeszültségek lazulása melegítéssel is felgyorsítható. Számos kompressziós közeg képes pszeudohidrosztatikus körülményeket biztosítani a kristályosodási nyomásnál jóval magasabb nyomáson:
| Kristályosodási nyomás, GPa | Pszeudohidrosztaticitási határérték, GPa | |
|---|---|---|
| szilikon olaj | < 2 | |
| Víz | 0.9 | 2.5 |
| Izopropil-alkohol | 4.3 | |
| Glicerin + víz (3:2) | 5.3 | |
| Pentán + izopentán (1:1) | 7.4 | |
| metanol | 8.6 | |
| Metanol + etanol (4:1) | 10.4 | |
| Metanol + etanol + víz (16:3:1) | 14.5 | |
| Hidrogén | 5.7 | 177 |
| Nitrogén | 2.4 | 13.0 |
| Hélium | 11.8 | 60-70 |
| Neon | 4.7 | 16 |
| Argon | 1.2 | 9 |
| Xenon | 55 |
A használt kompressziós közegeket, szabványos állapotuk szerint, három csoportra oszthatjuk:
FolyadékokIde tartozik minden olyan folyadék, amely szobahőmérsékleten speciális berendezés használata nélkül kezelhető. Ide tartoznak a következők: víz , szerves, szerves fluortartalmú és szerves szilícium folyadékok, valamint ezek keverékei. Előnyük a cellába való könnyű betöltés, hátrányuk pedig a (pszeudo)hidrosztaticitás kis nyomásvesztesége.
Cseppfolyósított gázokEbbe a csoportba tartozik a hidrogén , a nitrogén és a nemesgázok . Mivel ezeket a gázokat a cellába való betöltés előtt cseppfolyósítani kell, kezelésük speciális hűtő- vagy kompressziós berendezést igényel. Az ilyen közegek előnye a széles nyomástartomány, amelyen a pszeudohidrosztatikus feltételek fennmaradnak. A cseppfolyósított gázok, mint nyomóközeg hiányosságai közül meg kell említeni a hélium és a hidrogén minta- és gyémánt üllőbe való bediffundáló képességét, valamint a röntgensugarak erős abszorpcióját a nehéz kripton és xenon által .
Szilárd adathordozóBár a szilárd közegek eleve alkalmatlanok hidrosztatikus körülmények létrehozására, számos kis nyírószilárdságú vegyület használható pszeudo-hidrosztatikus nyomóközegként. Leggyakrabban ionos halogenideket ( NaCl , KCl , KBr , AgCl ) használnak erre, amelyekben a nyírófeszültségek 500 °C feletti hőmérsékleten szinte teljesen ellazulnak. Mivel ezeknek a vegyületeknek a hátránya a reakciókészség számos anyaggal szemben, alternatívaként a közömbösebb magnézium- és alumínium -oxidok használhatók . A MgO és az Al 2 O 3 mechanikai tulajdonságai azonban erősen nem hidrosztatikus körülmények kialakulásához vezetnek, amelyek relaxációjához 1000 °C körüli hőmérsékletre kell felmelegedni. A szilárd nyomóközeg fontos előnye, hogy diffrakciós szabványként használhatók a cellában uralkodó nyomás becsléséhez.
A nyomóközeg kiválasztásakor a kívánt (pszeudo) hidrosztaticitási tartomány mellett fontos figyelembe venni a vizsgált anyaggal, a tömítéssel és az üllőkkel való kölcsönhatás lehetőségét is. Ez a kölcsönhatás kifejezhető kémiai reakciók formájában, valamint egy specifikusabb jelenség formájában - a kompressziós közeg molekuláinak behatolása a vele érintkező szilárd fázisokba nagy nyomás hatására. Jól ismert példák közé tartozik a zeolitok túlhidratálása vizes közegben történő préselés során [12] , hélium beépülése a forszterit szerkezetébe [13] stb. A leírt jelenség a héliumot és hidrogént áteresztő gyémánt üllőkre a legveszélyesebb. Úgy gondolják, hogy a hélium a munkafelület polírozásának hibái révén hatol be a gyémántokba [14] . Ennek eredményeként 15-30 GPa nyomáson (vagyis héliumkristályosodás után) fennáll a gyémánt üllők felhasadásának lehetősége. Ez a valószínűség csökkenthető a polírozás minőségének javításával, vagy az üllők folyékony nitrogén hőmérsékletre történő hűtésével. A folyékony hidrogén magas hőmérsékleten könnyen behatol a gyémántba, nagymértékben növelve az üllő megrepedésének kockázatát, függetlenül a felületi polírozás minőségétől.
Az eredetileg szobahőmérsékleten történő működésre tervezett gyémánt üllőcellát gyorsan továbbfejlesztették az alacsony és magas hőmérsékletű kísérletekhez. A gyémántcellás módszernek a mai napig nincs analógja a rendelkezésre álló hőmérséklet- és nyomástartományban: az egyik legújabb rekord az volt, hogy japán tudósok 377 GPa nyomást hoztak létre 5700 K hőmérsékleten, hogy szimulálják a Föld magjának megfelelő körülményeket. [15] . A minta melegítése gyémánt üllőkkel ellátott cellában két fő módon történhet:
Külső fűtésA mintakamrán kívül elhelyezett rezisztív fűtőelem szolgál hőforrásként a külső fűtéshez . Fel tudja melegíteni az egész cellát és csak a belső részét, az üllők közvetlen közelében. A második esetben kompaktabb gyűrű alakú fűtőtesteket használnak, és a fűtés általában hatékonyabb. A külső fűtés fő hátránya, hogy a minta mellett a cellarészletek erősen felmelegednek: üllők, tartóik, ház stb., ami miatt a cella kialakításánál speciális hőálló anyagokat kell alkalmazni . A spirális celláknál a ház felmelegedése a késcsavarok hőtágulása miatt kontrollálatlan nyomáskibocsátáshoz is vezet . Ezenkívül a gyémánt üllők és fém alkatrészek oxidációjának elkerülése érdekében a fűtött cellának vákuum alatt vagy redukáló atmoszférában kell lennie . Ez utóbbi létrehozásához általában argon - hidrogén keverékkel (1-5 térfogat% H 2 ) történő fújást alkalmaznak. A külső fűtésű cellák stabil működésének hőmérsékleti tartományát a gyémántgrafitozás korlátozza , amely 1000 °C-hoz közeli hőmérsékleten megy végbe.
Belső fűtésA belső fűtés hőforrása közvetlenül a mintával ellátott munkatérben található . Ez egyrészt növeli a fűtési hatékonyságot, mivel sokkal kevesebb hőt fordítanak magának a cellának a fűtésére. Másrészt egy mikroszkopikus hőforrás jelenléte a gyémánt üllők közvetlen közelében, amelyek nagyon magas hővezető képességgel rendelkeznek, elkerülhetetlenül termikus gradienseket generálnak , amelyek egyes esetekben akár több száz fokot is elérnek mikrométerenként. A belső fűtés hőforrása lehet rezisztív mikrofűtő vagy precíziós fókuszú infravörös lézersugár .
A rezisztív mikrohevítő egy vékony fémhuzal, amelyet a munkatérben vezetnek át, és áramforráshoz csatlakoznak. Ennek a kialakításnak egy fontos eleme a fűtőelem leválasztása a fémtömítéstől. Ehhez különféle tömítéseket, többrétegű és nem fém tömítéseket, valamint belső elektródákkal ellátott üllőket használnak. A leírt séma fő hátránya, hogy szükség van egy külső fázisra (fűtőelemre) a munkakamrában. Ebben az esetben nincs kizárva annak lehetősége, hogy a fűtőelem reakcióba lép a mintával, valamint hamis jelet generáljon. Ebben az esetben a legjobb megoldás egy kísérlet, amelyben a fűtőtest is minta. Az ellenállásos belső fűtéssel elért maximális hőmérséklet 2000-3500 K [16] .
A belső fűtés legerősebb eszköze ma az infravörös lézer ( Nd:YAG , hélium-neon , szén-dioxid stb.). A gyémánt infravörös sugárzás átlátszósága lehetővé teszi, hogy a lézersugár több tíz mikrométer átmérőjű folt formájában a mintára fókuszáljon. A lézeres melegítés fontos feltétele a minta infravörös sugárzás elnyelő képessége. Ha ez a követelmény nem teljesül, speciális abszorbereket ( Pt , TiC , B ) kell elhelyezni a munkatérben. A lézeres hevítésnél jelentős technikai nehézséget jelent a minta hőszigetelése az üllőktől, ami az utóbbiak hőveszteségének és grafitosításának megakadályozásához szükséges. Ennek érdekében a minta és az üllők közé hőszigetelő réteget ( NaCl , KBr , CsCl , Al 2 O 3 , MgO , BN ) helyeznek el , amely egyes esetekben nyomóközegként is működik. A lézerfűtés által generált maximális hőmérséklet meghaladja a 6000 K-t.
Megjegyzendő, hogy a belső fűtésű cellában a hőmérséklet becslése nem triviális feladat, mivel rendkívül bonyolult a hőelem közvetlenül a fűtési ponton történő elhelyezése. A megoldás a spektrális módszer, amely lehetővé teszi az utóbbi hőmérsékletének kiszámítását a minta hősugárzási spektrumából . A módszer korlátja az alacsony pontosság (±100 °C), amely a termikus spektrum idealizált hőmérsékletfüggésének az alkalmazásából adódik.
Mint fentebb említettük, a gyémánt üllőcellás módszer csak a mintában lévő nyomás gyors és pontos mérésére szolgáló módszerek megjelenése után vált széles körben elterjedtté. A meglévő módszerek a következő csoportokra oszthatók:
Lumineszcens szabványokE csoport etalonjai olyan vegyületek, amelyek lumineszcencia spektruma ismert nyomásfüggőséggel rendelkezik. A lumineszcenciát lézersugárzás gerjeszti 400-500 nm tartományban. A jól ismert lumineszcens szabványok közé tartozik a rubin (Cr 3+ :Al 2 O 3 ), az alexandrit (BeAl 2 O 4 ), valamint számos ritkaföldfém elemekkel adalékolt vegyület . Először használták a rubint lumineszcens szabványként [2] , amelyet ma is széles körben használnak. A rubin hátránya a spektrumvonalak erős kiszélesedése és intenzitásuk csökkenése a hőmérséklet emelkedésével, ami korlátozza ennek a szabványnak a használatát a magas hőmérsékletű kísérletekben [17] . A legjobb viselkedést magas hőmérsékleten az Sm 2+ :SrB 4 O 7 mutatja , amely 900 K-ig rögzített erős, egyetlen vonallal rendelkező spektrumot ad.
Raman szabványokA Raman-standardok olyan fázisok, amelyeknek a Raman -spektrum vonalai a nyomás növekedésével természetesen eltolódnak. A Raman-szabványok példái a köbös bór - nitrid és a 13 C -os gyémánt (ez utóbbi azért szükséges, hogy elkerüljük az átfedést a gyémánt üllők jelével). Ezeknek a vegyületeknek az egyik előnye stabilitásuk és tehetetlenségük széles hőmérséklet- és nyomástartományban.
Diffrakciós standardokDiffrakciós standardként jól ismert állapotegyenlettel (EoS ) rendelkező kristályos fázisokat használnak . A röntgensugárzás standardtól való diffrakciójából könnyen kiszámítható elemi cellájának paraméterei , amelyek viszont egyedileg határozzák meg a nyomást. Amellett, hogy nagy nyomáson és hőmérsékleten stabil és inert, a diffrakciós standardnak egyszerű diffrakciós mintát kell mutatnia, amely nem zavarja a közvetlenül a mintából történő diffrakció elemzését. Az utolsó követelményt leginkább a köbös szingónia fázisai elégítik ki . A diffrakciós standardok közül kiemelkednek az ionos halogenidek ( NaCl , CaF2 , CsCl ), a kovalens oxidok ( SiO2 , Al2O3 , MgO ) , valamint a fémek ( Al , Cu , Au , Pd , Pt ) . Mivel a felsorolt fázisokat meglehetősen sűrű szerkezet jellemzi, több GPa és annál nagyobb nyomáson is észrevehető kompresszió figyelhető meg bennük. Egyes diffrakciós standardok használhatók nyomóközegként (lásd fent), és fordítva, a nagy nyomáson kristályosodó nemesgázok diffrakciós etalonként használhatók. A mai napig a diffrakciós standardokat tekintik a legmegbízhatóbb módszernek a nagynyomású készülékekben a nyomás mérésére a legszélesebb hőmérséklet- és nyomástartományban. Különösen az optikai (lumineszcens és Raman) standardok kalibrálása diffrakciós standard skálák alapján történik.
FázisátmenetekA fázisátmenetek nyomásjelzőként is használhatók. Bár az ilyen mutatók csak a minta jelenlétét teszik lehetővé a szabvány egyik vagy másik módosításának stabilitása terén , széles körben használják őket a nagynyomású berendezések kalibrálásakor. A fázisátalakulások rögzítése diffrakciós, optikai és elektromos módszerekkel, stb. A fázisátalakulással etalonként használt vegyületek köre igen széles, választásuk erősen függ a kísérletben tervezett hőmérséklet- és nyomástartománytól. A gyémántelemekkel végzett munka során az ilyen szabványokat ritkán használják.
A fő alkalmazási terület az anyagok tulajdonságainak vizsgálata (a kristályrács változásai, az elektromos vezetőképesség mérése , a vezető vagy a félvezető tulajdonságainak megjelenése stb.) nagy nyomások hatására (például fémes hidrogén , átlátszó nátrium , atomos nitrogén [18] stb.) [19] [20] .