Det mest tilgængelige og kompakte udstyr til in situ eksperimenter (fra latin - "på plads"), som består i studiet af et stof direkte ved en given temperatur og tryk , er en celle med diamantamboltceller ( engelsk diamond ambolt cell, DAC ). Designet af en sådan celle involverer tilstedeværelsen af to koniske diamanter , der overfører trykkraft til arbejdsplatforme med en diameter på mindre end en millimeter. På grund af diamantens exceptionelle hårdhed kan tryk på op til flere millioner atmosfærer opnås på denne måde., og gennemsigtigheden af diamanter i en bred vifte af spektret gør det muligt at studere prøven ved hjælp af en række forskellige metoder. Under hensyntagen til moderne metoder til prøveopvarmning har diamantcellemetoden ingen analoger i det tilgængelige temperatur- og trykområde.
Den første diamantamboltcelle blev skabt i slutningen af 1950'erne af Charles E. Weir og kolleger ved US National Bureau of Standards [1] . En afgørende rolle i oprettelsen af denne celle blev spillet af det faktum, at dens udviklere havde ret til frit at bruge diamanter fra statens lager for konfiskeret smuglergods . Ellers ville omkostningerne ved eksperimenterne, hvor de fleste af de anvendte diamanter blev flækket, have været urimeligt høje. Selv nu, på trods af at metoden er blevet udviklet, er forskeren ikke immun over for svigt af diamantambolte. Desuden, i eksperimenter forbundet med at nå rekordtryk og temperaturer, er ødelæggelsen af ambolte på lossestadiet uundgåelig, hvilket forårsager de høje omkostninger ved sådanne undersøgelser.
Indtil 1970'erne blev diamantamboltcellen dog ikke udbredt i højtryksforsøg. Hovedårsagen til dette var manglen på en metode til hurtigt og præcist at vurdere det tryk, der skabes i cellen. De metoder, der eksisterede på det tidspunkt, var enten unøjagtige (beregning af tryk ved hjælp af formlen P=F/S ) eller for besværlige (brugen af diffraktionsstandarder på det tidspunkt krævede flerdages undersøgelser). En udvej blev fundet i 1971, da R. Forman ( Richard Forman ) og kolleger foreslog at bruge linjeskiftet i rubinluminescensspektret til at estimere trykket i cellen [2] . Fremkomsten af denne enkle og ekspressive metode bidrog til den hurtige spredning og udvikling af diamantcellemetoden.
Cellens vigtigste detalje er diamantambolte. Til deres fremstilling bruges både naturlige og kunstige diamanter uden synlige defekter. Samtidig udvælges diamanter uden luminescens til Raman-spektroskopi (Raman), og kun nitrogenfrie diamanter ( type II ) er egnede til infrarød spektroskopi . Da type II-diamanter er ekstremt sjældne i naturen (ikke mere end 2% af det samlede antal), er kunstige diamanter meget brugt til fremstilling af diamantambolte. Derudover menes det, at kunstige diamantambolte, fri for indre spændinger og defekter, er mere holdbare. Den krystallografiske orientering af amboltdiamanten spiller også en væsentlig rolle: på grund af den perfekte spaltning af diamant langs oktaederet viser amboltene, hvis arbejdsplatform er parallel med (100)-planet , den største stabilitet .
Slibningen af diamantambolte ligner på mange måder slibningen af almindelige ædelstensdiamanter. Af alle dens detaljer har diameteren af arbejdsplatformen eller culet ( engelsk culet ) den største indflydelse på det trykområde, der er tilgængeligt for ambolten . Jo mindre denne værdi er, jo større tryk kan ambolten skabe uden risiko for dens ødelæggelse. For at skabe tryk på op til 20 GPa bruges ambolte med en kuletdiameter på 0,6-0,8 mm, mens for at generere tryk over 100 GPa, bør kuletdiameteren ikke overstige 0,1-0,2 mm [3] .
En separat præstation i designet af diamantambolte er teknologien til at bringe elektroder til arbejdsplatformen [4] . For at gøre dette påføres et tyndt lag metal af en given konfiguration på diamantoverfladen ved litografi . Derefter vokser diamanten ved epitaksial vækst fra gasfasen . Det resulterende lag flere titusvis af mikrometer tykt dækker metalelektroderne og "forsegler" dem inde i ambolten. Ambolte modificeret på denne måde bruges i eksperimenter til at studere fysiske egenskaber såsom elektrisk modstand og magnetisk modtagelighed og til at opvarme prøven.
Det skal bemærkes, at diamant ikke er det eneste materiale, der er egnet til fremstilling af højtrykscelleambolte. Til dato er en række alternative materialer kendt, selvom de er ringere end diamant med hensyn til rækken af opnåelige tryk, men meget billigere. De mest udbredte blandt dem er syntetisk safir , moissanite og cubic zirconia .
Ud over selve amboltene er deres understøtninger ( eng. sæde, bagplade ) også udsat for en betydelig belastning i cellen , hvis materialevalg og konfiguration også er et vigtigt punkt i fremstillingen af cellen. På den ene side udfører støtten en mekanisk funktion, der understøtter ambolten. I overensstemmelse hermed bør de hårdeste materialer foretrækkes ved fremstillingen af støtten. Traditionelt bruges wolframcarbid til dette , og i nogle tilfælde kun hårde stålkvaliteter . På den anden side er det amboltstøtten, der begrænser cellens vinkelåbning . Til diffraktionseksperimenter, der kræver en stor adgangsvinkel til prøven, skal støtten derfor enten være gennemsigtig for stråling eller have en specifik konfiguration. For første gang blev beryllium brugt som et røntgengennemsigtigt støttemateriale . Dens åbenlyse ulemper inkluderer ekstrem toksicitet og blødhed: under eksperimentet skubber amboltene gennem støtten, hvilket gradvist gør den ubrugelig. Understøtninger lavet af superhårde materialer baseret på lette elementer ( bor , kulstof og nitrogen ) er frataget denne ulempe . Disse omfatter elementært bor , kubisk bornitrid (c-BN), borcarbid (B 4 C) og en række andre forbindelser, såvel som faktisk diamant . Disse materialers hårdhed og røntgengennemsigtighed gør det muligt med succes at bruge dem som understøtninger til diamantambolte, men deres høje skørhed begrænser rækkevidden af opnåelige tryk. En fundamentalt anderledes måde at øge cellens vinkelåbning blev foreslået i 2004 af R. Boehler ( Reinhard Boehler ), ved at flytte amboltstøttefladen til en krone bearbejdet i form af en kegle [5] .
En nøglekomponent i diamantamboltcellen er trykmekanismen. Ifølge metoden til at påføre trykkraften på amboltene er cellerne opdelt i tre typer:
Håndtag cellerI vægtstangsceller samles amboltene af et håndtag , der betjenes af en skrue. Ulempen ved denne mekanisme er, at håndtaget ikke bevæger sig fremad, men roterer. Amboltene skal tværtimod nærme sig hinanden og forblive strengt parallelle og koaksiale med hinanden. For at overholde dette krav er amboltene placeret i en stempel-cylinder- struktur ( engelsk stempel-cylinder ), som igen er understøttet af en løftestang ved hjælp af et hængsel. Hængslet og det tætsiddende stempel med cylinderen gør det muligt at gøre bevægelsen af amboltene strengt progressiv. Det tilsvarende celledesign, som først blev beskrevet i detaljer i 1975 af Mao og Bell [6] , blev kaldt Mao -Bell- designet . Nu er den så småt ved at gå ud af brug.
SkruecellerI spiralformede celler skabes kraften til at bringe amboltene sammen ved at stramme skruerne. Vigtige krav til dette er skruernes jævne løb (det vil sige en lille gevindstigning) og synkroniseringen af deres tilspænding. Sidstnævnte opnås ved at bruge specielle transmissionsmekanismer, der giver dig mulighed for at stramme flere skruer på samme tid. Stempel-cylinder konstruktion kan også bruges for at undgå amboltforvrængning på grund af usynkroniseret skruning. Tilsvarende celler ( eng. stempel-cylinder DAC ) er mere pålidelige og giver dig i tilfælde af et lige antal skruer mulighed for at skabe tryk uden en transmissionsmekanisme ved blot at stramme modsatte skruer parvis. Ulempen ved celler med et stempel-cylinder-system er behovet for en stor kontaktflade af cylinderen og stemplet (ellers er deres nøjagtige pasform umulig). Dette indebærer en betydelig (sammenlignet med amboltenes dimensioner) højde af strukturen, hvilket uundgåeligt begrænser mindst én af cellens vinkelåbninger. Denne ulempe, som er ubetydelig for en række metoder, tillader ikke vellykket brug af stempel-cylinderceller i eksperimenter med enkeltkrystaldiffraktion , hvor der kræves en maksimal vinkelåbning på begge sider af cellen. Det sidste krav opfyldes dog af celler med plader ( plade DAC ) . I sådanne celler er amboltene fastgjort på identiske plader strammet med skruer. For første gang blev et sådant design foreslået i 1974 [7] og blev kaldt Merrill - Basset-designet . For at sikre translationel bevægelse blev der brugt stifter i den, som kom ud af overfladen af en af pladerne og passede tæt ind i hullerne på den anden. Relativt for nylig (i 2006) modificerede R. Böhler dette design ved at tilføje ambolte med et konisk snit og eliminere den modkørende bevægelse af pladerne (ambolten tilgang opstår på grund af den elastiske afbøjning af pladerne i den centrale del) [8] . Den resulterende celle er langt den bedst egnede til behovene for enkeltkrystaldiffraktometri.
MembrancellerFor første gang blev brugen af en gasmembran til at skabe en trykkraft i en diamantcelle foreslået i 1988 af R. Le Toullec og kolleger [ 9] . En gasmembran er en hul metalring (normalt rustfrit stål ), der "svulmer", når en gas (normalt helium ) sprøjtes ind i den ved tryk på op til 200 atmosfærer. Denne deformation af membranen kan bruges til at sætte cellen under tryk.
En almindelig del af membranceller er kroppen, som stift fikserer membranen på strukturen med ambolte. For at sikre amboltenes translationelle bevægelse anvendes standardmetoder: styrestifter eller et stempel-cylindersystem. Ofte suppleres membranceller med en skruemekanisme. Den største fordel ved membranceller er evnen til at justere trykket uden direkte kontakt med cellen. Dette forenkler i høj grad eksperimenter ved høje og lave temperaturer, såvel som eksperimenter, der kræver tidskrævende justering (for eksempel ved hjælp af metoden til laseropvarmning af prøven). I højtemperaturforsøg med ekstern opvarmning (det vil sige når hele cellen opvarmes) undgår gasmembranen det kraftige trykfald med stigende temperatur, som er karakteristisk for celler med skruemekanisme (sidstnævnte fænomen opstår pga. termisk udvidelse af skruerne). Derudover giver gasmembranen dig mulighed for at ændre trykket meget mere jævnt end en skruemekanisme. Til dato er diamantamboltceller af membrantypen det mest moderne udstyr til højtrykseksperimenter.
I de første forsøg blev teststoffet komprimeret direkte mellem diamantambolte. Denne tilgang gjorde det muligt kun at studere faste stoffer og havde en åbenlys ulempe: prøven oplevede meget anisotropisk enakset kompression. Et par år efter skabelsen af diamantcellen blev dette problem imidlertid løst med succes: i 1962 foreslog E. Van Valkenburg ( Alvin Van Valkenburg ) [10] at bruge et hul i en tynd metalplade som et prøvekammer - pakning ( Engelsk pakning ) placeret mellem diamantambolte. Det lukkede arbejdsvolumen gør det muligt at studere systemer med flydende og gasformige faser ved højt tryk, samt at udføre eksperimenter under hydrostatiske og pseudo-hydrostatiske forhold.
Forberedelsen af en gasquette omfatter generelt to trin: presning ( engelsk indrykning ) og boring. På pressestadiet komprimeres pakningen 0,2-0,5 mm tyk mellem amboltene for at opnå et aftryk på 20-120 µm tykt. Overskydende metal presses derefter ud og danner en ringformet vulst, der stabiliserer positionen af pakningen og amboltene. Efter presning bores et prøvehul i det resulterende print. Afhængig af hårdheden af gasquetmetallet og den ønskede huldiameter kan boring udføres både med konventionelle mikrobor og med laser- og gnistboring.
Valget af materiale til gasquetten er dikteret af flere overvejelser. For det første skal pakningen være tilstrækkelig stiv til at give den nødvendige tykkelse af arbejdsvolumenet ved høje tryk. Samtidig skal gasketten have en vis plasticitet, det vil sige evnen til at deformere uden at gå i stykker. Begge disse krav opfyldes af metalpakninger. Til forsøg ved stuetemperatur er stål det optimale gasquetmateriale . I højtemperaturforsøg er stål dog uegnet på grund af tabet af elastiske egenskaber, når det opvarmes over et par hundrede grader. Højtemperaturlegeringer såsom Inconel er et overkommeligt alternativ . Ved temperaturer over 800 °C er det nødvendigt at bruge pakninger lavet af ildfaste metaller ( Ta , Nb , W , Mo , Re ) og legeringer baseret på dem. Det skal dog huskes, at ved høje temperaturer ophører diamant med at være et inert materiale og kan interagere med en metalpakning. I dette tilfælde opstår dannelsen af metalcarbider, og pakningen "svejses" til amboltene ( engelsk pakningssvejsning ). Det eneste ildfaste metal, der ikke danner karbider, er rhenium, som med rette betragtes som det bedste materiale til fremstilling af pakninger.
Når man studerer et stof i en diamantcelle ved hjælp af metoder, der bruger røntgenstråler , opstår problemet med dets interaktion med gasquet-materialet. Denne interaktion kommer til udtryk i absorption af stråling eller generering af et stærkt falsk signal, hvilket gør det vanskeligt at opnå og behandle eksperimentelle data. Løsningen på problemet er et røntgengennemsigtigt materiale, der er egnet til fremstilling af pakninger. I lang tid var beryllium det eneste sådant materiale . Pakninger lavet af blødt beryllium er imidlertid uegnede ved tryk over flere GPa, og endnu mere i højtemperaturforsøg. Selvom speciel bearbejdning af metallet gør det muligt at give berylliumpakninger tilstrækkelig stivhed til at fungere ved tryk på de første tiere af GPa, begrænser toksiciteten af beryllium stadig dets anvendelse i laboratorier. Behovet for røntgengennemsigtige pakninger, stabile i megabar-serien, førte til skabelsen af ikke-metalliske pakninger. De fremstilles ved at presse en pulveriseret base blandet med et blødgøringsmiddel såsom epoxy . Superhårde materialer baseret på lette elementer såsom amorft bor , kubisk bornitrid (c-BN) og diamant anvendes som base . De resulterende pakninger presses og bores på sædvanlig måde. Et karakteristisk træk ved pressede pakninger lavet af superhårde materialer er øget stivhed, hvilket gør det muligt at undgå en overdreven reduktion i tykkelsen af arbejdsvolumenet ved tryk over 50 GPa.
Ud fra et mekanisk synspunkt er designet af diamantcellen designet til at skabe enakset kompression. En sådan kompression er ikke hydrostatisk , det vil sige, når den påføres en prøve, opstår der forskydningsspændinger i sidstnævnte . I krystallinske faser fører forskydningsspændinger til fremkomsten af lokale gitterstammer , som viser sig i udvidelsen af diffraktion og spektraltoppe. For at eliminere de beskrevne effekter er det nødvendigt at omdanne enakset kompression til en omfattende, dvs. hydrostatisk. I praksis opnås dette ved at fylde arbejdskammeret med prøven med et flydende kompressionsmedium ( trykoverførende medium ) . Denne fremgangsmåde har imidlertid en væsentlig begrænsning: ved et tilstrækkeligt højt tryk krystalliserer enhver væske. Især til forsøg ved stuetemperatur kendes der ikke et eneste stof, der er i stand til at opretholde en flydende tilstand ved tryk større end 15 GPa.
I tilfælde, hvor kompression under hydrostatiske forhold er umulig af en eller anden grund, kan pseudo-hydrostatisk kompression implementeres i stedet . Det indebærer brugen af trykmedier med lav forskydningsstyrke , det vil sige dem, hvor forskydningsspændingsrelaksation forekommer over en tidsperiode, der er ret kort sammenlignet med eksperimentets varighed. Relaksationen af forskydningsspændinger kan også fremskyndes ved opvarmning. Mange kompressionsmedier kan give pseudo-hydrostatiske forhold ved tryk meget højere end krystallisationstrykket:
| Krystallisationstryk, GPa | Pseudohydrostaticitetsgrænse, GPa | |
|---|---|---|
| silikone olie | < 2 | |
| Vand | 0,9 | 2.5 |
| Isopropylalkohol | 4.3 | |
| Glycerin + vand (3:2) | 5.3 | |
| Pentan + isopentan (1:1) | 7.4 | |
| methanol | 8.6 | |
| Methanol + ethanol (4:1) | 10.4 | |
| Methanol + ethanol + vand (16:3:1) | 14.5 | |
| Brint | 5.7 | 177 |
| Nitrogen | 2.4 | 13,0 |
| Helium | 11.8 | 60-70 |
| Neon | 4.7 | 16 |
| Argon | 1.2 | 9 |
| Xenon | 55 |
Kompressive medier, der anvendes, i henhold til deres tilstand under standardbetingelser, kan opdeles i tre grupper:
VæskerDette omfatter alle væsker, der kan håndteres ved stuetemperatur uden brug af specialudstyr. Disse omfatter: vand , organiske, organiske fluor og organiske silicium væsker, samt deres blandinger. Deres fordel er den lette indlæsning af cellen, og ulempen er det lille tryktab af (pseudo)hydrostaticitet.
Flydende gasserDenne gruppe omfatter brint , nitrogen og ædelgasser . Da disse gasser skal gøres flydende, før de fyldes i cellen, kræver håndteringen af dem særligt køle- eller komprimeringsudstyr. Fordelen ved sådanne medier er et bredt trykområde, ved hvilket pseudo-hydrostatiske betingelser opretholdes. Blandt manglerne ved flydende gasser som et kompressionsmedium skal heliums og brints evne til at diffundere ind i prøven og diamantamboltene samt den stærke absorption af røntgenstråler fra tung krypton og xenon nævnes .
Solid mediaSelvom faste medier i sagens natur er uegnede til at skabe hydrostatiske forhold, kan en række forbindelser med lav forskydningsstyrke anvendes som pseudo-hydrostatiske kompressionsmedier. Oftest bruges ioniske halogenider ( NaCl , KCl , KBr , AgCl ) til dette, hvor forskydningsspændinger slapper næsten fuldstændig af ved temperaturer over 500 °C. Da ulempen ved disse forbindelser er reaktiviteten over for en række stoffer, kan de mere inerte oxider af magnesium og aluminium bruges som et alternativ . De mekaniske egenskaber af MgO og Al 2 O 3 fører imidlertid til skabelsen af stærkt ikke-hydrostatiske forhold, hvis afslapning kræver opvarmning til temperaturer i størrelsesordenen 1000 °C. En vigtig fordel ved faste kompressionsmedier er muligheden for at bruge dem som en diffraktionsstandard til at estimere trykket i en celle.
Ud over det ønskede område af (pseudo) hydrostaticitet, når du vælger et kompressionsmedium, er det vigtigt at tage højde for muligheden for dets interaktion med stoffet under undersøgelse, pakning og ambolte. Denne interaktion kan udtrykkes i form af kemiske reaktioner såvel som i form af et mere specifikt fænomen - indtrængning af molekyler af et kompressionsmedium i faste faser i kontakt med det under påvirkning af højt tryk. Kendte eksempler omfatter overhydrering af zeolitter under kompression i et vandigt medium [12] , inkorporering af helium i strukturen af forsterit [13] osv. Det beskrevne fænomen er mest farligt for diamantambolte, der er permeable for helium og brint. Det menes, at helium trænger ind i diamanter gennem defekter i poleringen af arbejdsplatformen [14] . Som følge heraf er der ved tryk på 15-30 GPa (det vil sige efter heliumkrystallisation) mulighed for spaltning af diamantambolte. Denne sandsynlighed kan reduceres ved at forbedre kvaliteten af kuletpolering eller ved at afkøle amboltene til flydende nitrogentemperaturer. Flydende brint trænger let igennem diamant ved forhøjede temperaturer, hvilket i høj grad øger risikoen for at revne ambolten, uanset kvaliteten af dens overfladepolering.
Oprindeligt designet til at fungere ved stuetemperatur, blev diamantamboltcellen hurtigt opgraderet til lav- og højtemperatureksperimenter. Til dato har diamantcellemetoden ingen analoger i det tilgængelige område af temperaturer og tryk: en af de seneste optegnelser var oprettelsen af japanske forskere af et tryk på 377 GPa ved en temperatur på 5700 K for at simulere forhold svarende til jordens kerne [15] . Prøveopvarmning i en celle med diamantambolte kan udføres på to hovedmåder:
Ekstern opvarmningEt resistivt varmelegeme placeret uden for prøvekammeret bruges som varmekilde til ekstern opvarmning . Den kan opvarme både hele cellen og kun dens indre del i umiddelbar nærhed af amboltene. I det andet tilfælde anvendes mere kompakte ringformede varmelegemer, og opvarmningen er generelt mere effektiv. Den største ulempe ved ekstern opvarmning er, at celledetaljerne ud over prøven er stærkt opvarmede: ambolte, deres understøtninger, hus osv., på grund af hvilke specifikke varmebestandige materialer skal bruges i celledesignet . I tilfælde af spiralformede celler fører opvarmningen af huset også til en ukontrolleret frigivelse af tryk på grund af den termiske udvidelse af lagskruerne. For at undgå oxidation af diamantambolte og metaldele skal den opvarmede celle desuden være under vakuum eller i en reducerende atmosfære. For at skabe sidstnævnte anvendes normalt blæsning med en argon - brintblanding (1-5 vol.% H 2 ). Temperaturområdet for stabil drift af celler med ekstern opvarmning er begrænset af diamantgrafitisering , som forekommer ved temperaturer tæt på 1000 °C.
Intern opvarmningVarmekilden til intern opvarmning er placeret direkte inde i arbejdsvolumenet med prøven. På den ene side øger dette opvarmningseffektiviteten, da der bruges meget mindre varme på at opvarme selve cellen. På den anden side genererer tilstedeværelsen af en mikroskopisk varmekilde i umiddelbar nærhed af diamantambolte, som har meget høj varmeledningsevne, uundgåeligt termiske gradienter , som i nogle tilfælde når op på flere hundrede grader pr. mikrometer. Varmekilden til intern opvarmning kan enten være en resistiv mikrovarmer eller en præcisionsfokuseret infrarød laserstråle .
En resistiv mikrovarmer er en tynd metaltråd, der føres gennem arbejdsvolumenet og forbundet til en strømkilde. En vigtig komponent i dette design er isoleringen af varmeren fra metalgasquet. Til dette bruges forskellige pakninger, flerlags og ikke-metalliske pakninger samt ambolte med interne elektroder. Den største ulempe ved den beskrevne ordning er behovet for tilstedeværelsen af en uvedkommende fase (varmelegeme) i arbejdskammeret. I dette tilfælde er muligheden for, at varmelegemet reagerer med prøven, såvel som generering af et falsk signal, ikke udelukket. Den bedste mulighed i dette tilfælde er et eksperiment, hvor varmeren også er en prøve. De maksimale temperaturer opnået ved brug af resistiv intern opvarmning er 2000–3500 K [16] .
Det mest kraftfulde værktøj til intern opvarmning i dag er infrarøde lasere ( Nd:YAG , helium-neon , kuldioxid osv.). Gennemsigtigheden af diamant til infrarød stråling gør det muligt at fokusere laserstrålen på prøven i form af en plet med en diameter på flere titus af mikrometer. En vigtig betingelse for laseropvarmning er prøvens evne til at absorbere infrarød stråling. Hvis dette krav ikke er opfyldt, skal der placeres specielle absorbere ( Pt , TiC , B ) i arbejdsvolumenet. En væsentlig teknisk vanskelighed ved laseropvarmning er den termiske isolering af prøven fra amboltene, hvilket er nødvendigt for at forhindre varmetab og grafitisering af sidstnævnte. For at gøre dette anbringes et varmeisolerende lag ( NaCl , KBr , CsCl , Al 2 O 3 , MgO , BN ) mellem prøven og amboltene , som i nogle tilfælde også fungerer som et kompressionsmedium. De maksimale temperaturer genereret ved laseropvarmning overstiger 6000 K.
Det skal bemærkes, at estimering af temperaturen i en celle med intern opvarmning er en ikke-triviel opgave på grund af den ekstreme kompleksitet ved at placere termoelementet direkte ved opvarmningspunktet. Løsningen er den spektrale metode, som gør det muligt at beregne temperaturen af sidstnævnte ud fra spektret af prøvens termiske stråling . Metodens begrænsning er den lave nøjagtighed (±100 °C) på grund af brugen af idealiserede afhængigheder af det termiske spektrum af temperatur.
Som nævnt ovenfor blev diamantamboltcellemetoden først udbredt efter fremkomsten af metoder til hurtigt og præcist at vurdere trykket i prøven. De eksisterende metoder kan opdeles i følgende grupper:
Luminescerende standarderStandarderne for denne gruppe er forbindelser, hvis luminescensspektre har en kendt trykafhængighed . Luminescens exciteres af laserstråling i området 400-500 nm. Blandt de velkendte luminescerende standarder er rubin (Cr 3+ :Al 2 O 3 ), alexandrit (BeAl 2 O 4 ), samt en række forbindelser dopet med sjældne jordarters grundstoffer . For første gang blev rubin brugt som en selvlysende standard [2] , som stadig er meget udbredt i dag. Ulempen ved rubin er en kraftig udvidelse af spektrallinjerne og et fald i deres intensitet med stigende temperatur, hvilket begrænser brugen af denne standard i højtemperaturforsøg [17] . Den bedste adfærd ved høje temperaturer demonstreres af Sm 2+ :SrB 4 O 7 , som giver et spektrum med en stærk enkelt linje fast op til 900 K.
Raman-standarderRaman-standarder er faser, hvis linjer i Raman- spektret naturligt skifter med stigende tryk. Eksempler på Raman-standarder er kubisk bornitrid og 13 C - diamant (sidstnævnte er nødvendigt for at undgå overlapning med signalet fra diamantambolte). En af fordelene ved disse forbindelser er deres stabilitet og inerthed over et bredt område af temperaturer og tryk.
DiffraktionsstandarderKrystallinske faser med en velkendt tilstandsligning (EoS ) bruges som diffraktionsstandarder . Fra diffraktionen af røntgenstråler fra standarden er det nemt at beregne parametrene for dens elementære celle , som igen entydigt bestemmer trykket. Ud over at være stabil og inert ved høje tryk og temperaturer skal diffraktionsstandarden vise et simpelt diffraktionsmønster, der ikke forstyrrer analysen af diffraktion direkte fra prøven. Det sidste krav opfyldes bedst af faserne af den kubiske syngoni . Ioniske halogenider ( NaCl , CaF2 , CsCl ), kovalente oxider ( SiO2 , Al2O3 , MgO ) og metaller ( Al , Cu , Au , Pd , Pt ) skiller sig ud blandt diffraktionsstandarderne . Da de anførte faser er karakteriseret ved en ret tæt struktur, observeres mærkbar kompression i dem ved tryk på flere GPa og højere. Nogle af diffraktionsstandarderne kan bruges som et kompressionsmedium (se ovenfor), og omvendt kan ædelgasser, der krystalliserer ved høje tryk, bruges som diffraktionsstandarder. Til dato er det diffraktionsstandarder, der anses for at være den mest pålidelige metode til at vurdere tryk i højtryksapparater i det bredeste temperatur- og trykområde. Især udføres kalibreringen af optiske (luminescerende og Raman) standarder på basis af diffraktionsstandardskalaer.
FaseovergangeFaseovergange kan også bruges som en indikator for tryk. Selvom sådanne indikatorer gør det muligt kun at bedømme tilstedeværelsen af en prøve inden for stabilitetsområdet for en eller anden ændring af standarden, bruges de i vid udstrækning til kalibrering af højtryksudstyr. Faseovergange fikseres ved hjælp af diffraktion, optiske og elektriske metoder osv. Udvalget af forbindelser, der anvendes som standarder med faseovergange, er meget omfattende, og deres valg afhænger stærkt af det temperatur- og trykområde, der er planlagt i forsøget. Når man arbejder med diamantceller, bruges sådanne standarder sjældent.
Hovedapplikationen er studiet af materialers egenskaber (ændringer i krystalgitteret , måling af elektrisk ledningsevne , udseendet af egenskaberne af en leder eller halvleder osv.) under påvirkning af høje tryk (for eksempel metallisk brint , transparent natrium , atomært nitrogen [18] osv.) [19] [20] .