Röntgenbeugungsmessungen unter lasergetriebener dynamischer Kompression ermöglichen es Forschern, die atomare Struktur von Materie bei Hunderttausenden von Atmosphärendruck und Temperaturen von Tausenden von Grad zu untersuchen, mit weitreichenden Auswirkungen auf die Physik der kondensierten Materie, die Planetenwissenschaft und die Astronomie.
Die Druckbestimmung in diesen Experimenten beruht häufig auf Geschwindigkeitsmessungen in Verbindung mit Modellen, die eine genaue Kenntnis der optischen und thermomechanischen Eigenschaften eines Fenstermaterials erfordern, was zu einer erheblichen systematischen Unsicherheit führt.
In neuen Forschungsergebnissen, veröffentlicht in Körperliche Überprüfung B, Wissenschaftler des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) berichten über eine Reihe von Röntgenbeugungsexperimenten an fünf Metallen, die dynamisch auf 600 GPa (6.000.000 Atmosphären Druck) komprimiert wurden. Zusätzlich zum Sammeln von Atomstrukturinformationen für mehrere komprimierte Proben demonstrierte das Team einen anderen Ansatz zur Druckbestimmung, der auf Röntgenbeugungsexperimente unter quasi-isentropischer Rampenkompression anwendbar ist.
„Letztendlich wird dies unser Verständnis der Materialeigenschaften unter extremen Druck- und Temperaturbedingungen verbessern, einem strategischen Forschungsbereich des Labors“, sagte die LLNL-Physikerin Federica Coppari, Hauptautorin der Studie.
In den letzten Jahren hat der Einsatz dynamischer Kompressionen zur Erzeugung extremer Druck- und Temperaturbedingungen im Labor stark zugenommen. In Kombination mit Röntgenbeugungsmessungen haben diese Experimente beispiellose Entdeckungen mit weitreichenden Auswirkungen auf die Planetenwissenschaft und die Physik der kondensierten Materie ermöglicht. Beispiele hierfür sind der lange vorhergesagte Fest-Fest-Phasenübergang in Magnesiumoxid und Eisenoxid, die Existenz der exotischen superionischen Phase von warmem, dichtem Wassereis und die außergewöhnliche Stabilität von FC8-Diamant bis zu einem Druck von 2 TPa. In der Materialwissenschaft wurden diese Experimente verwendet, um das Schmelzen von Tantal unter extremen Bedingungen zu dokumentieren und die Hochdruck/Hochtemperatur-Phasenübergänge in Gold zu charakterisieren.
In der neuen Arbeit testeten Wissenschaftler und Mitarbeiter des LLNL die Verwendung von In-situ-Kalibriermitteln als neuartigen Ansatz zur Druckbestimmung in Röntgenbeugungsexperimenten unter dynamischer Kompression. Ähnlich dem Ansatz, der bei Hochdruck-Röntgenbeugungsmessungen mit Diamantstempelzellen verwendet wird, beruht dieses Verfahren auf der Verwendung von Materialien, deren Druck-Dichte-Zustandsgleichung als Manometer bekannt ist.
„Durch das Sammeln ihrer Beugungsmuster zusätzlich zu dem der untersuchten Probe kann man die Dichte bestimmen und den auf die Probe ausgeübten Druck unter Verwendung der zuvor bestimmten Druck-Dichte-Beziehung ableiten“, sagte Coppari.
In der Omega Laser Facility der University of Rochester wurden mehrere Materialien (eine Kombination aus Platin, Tantal, Gold, Wolfram und Eisen) gleichzeitig entlang eines quasi-isentropischen Weges auf Drücke von mehreren hundert GPa (mehrere Millionen Atmosphären) komprimiert. Die Sammlung von Röntgenbeugungsmustern des Kalibriermittels und simultane Velocimetriemessungen ermöglichten es dem Team, nicht nur die beiden Methoden zur Druckbestimmung zu validieren, sondern auch die Verwendung von In-situ-Kalibriermitteln als praktikable Alternative zum Velocity Interferometer zu etablieren System for Any Reflector (VISAR)-Messungen in dynamischen Rampenkompressionsexperimenten.
Neben der Bereitstellung einer neuen Fähigkeit, die die Genauigkeit der Druckbestimmung um den Faktor vier verbessert, validiert diese Arbeit eine Methode, die in früheren dynamischen Kompressionsexperimenten weit verbreitet war und dazu beitragen wird, die Lücke zwischen dynamischen und statischen Kompressionsexperimenten zu verringern .
Andere LLNL-Autoren sind Dayne Fratanduono, Marius Millot, Richard Kraus, Amy Lazicki, Ray Smith und Jon Eggert sowie Forscher des Laboratory for Laser Energetics an der University of Rochester. Dieses Projekt profitierte auch von den Beiträgen von Eric Folsom, Renee Posadas und Russell Wallace, die bei der Target-Montage und Messtechnik behilflich waren.
Mehr Informationen:
F. Coppari et al, Röntgenbeugungsmessungen und Druckbestimmung bei Nanosekunden-Kompression von Festkörpern bis 600 GPa, Körperliche Überprüfung B (2022). DOI: 10.1103/PhysRevB.106.134105