RU160653U1

RU160653U1 - CELL OF MULTIPOPSON HIGH PRESSURE AND TEMPERATURE DEVICE

Info

Publication number: RU160653U1
Application number: RU2015145331/05U
Authority: RU
Inventors: Константин Дмитриевич Литасов; Антон Фарисович Шацкий; Игорь Сергеевич Шарыгин; Анна Михайловна Дымшиц
Priority date: 2015-10-21
Filing date: 2015-10-21
Publication date: 2016-03-27

Abstract

1. Ячейка многопуансонного аппарата высокого давления и температуры в виде трехсегментного октаэдра с усеченными ребрами и вершинами, выполненная из керамического тугоплавкого материала с низкой теплопроводностью, содержащая соосно установленные в центральном сегменте вертикальный цилиндрический нагреватель, по торцам которого размещены токовводные пластины, и капсулу с исследуемым веществом и маркером давления, выполненный вдоль горизонтальной оси центрального сегмента ячейки канал для прохождения рентгеновских лучей, заполненный рентгенопрозрачным материалом, керамические вставки, запирающие капсулу, и канал для прохождения рентгеновских лучей, термопару, термоэлектроды которой установлены в сквозной прорези, выполненной в центральном сегменте ячейки вдоль плоскости, перпендикулярной каналу для прохождения рентгеновских лучей таким образом, чтобы рабочий спай термопары располагался над или под капсулой, отличающаяся тем, что в качестве рентгенопрозрачного материала использован порошок алмаза, каждый термоэлектрод термопары выполнен составным из внешней проволоки диаметром 0,15 мм и внутренней проволоки диаметром 0,05 мм, совмещенных внахлест и установленных в выполненной в центральном сегменте ячейки сквозной прорези с возможностью скольжения относительно друг друга при сжатии ячейки, причем один конец внутренней проволоки закреплен на наружной стороне центрального сегмента ячейки, а капсула имеет вертикальную перегородку, изолирующую исследуемое вещество от маркера давления.2. Ячейка по п. 1, отличающаяся тем, что вдоль совмещенных внутренней и внешней проволок установлены дополнительные отрезк1. A cell of a multi-punch apparatus of high pressure and temperature in the form of a three-segment octahedron with truncated ribs and peaks, made of ceramic refractory material with low heat conductivity, containing a vertical cylindrical heater coaxially mounted in the central segment, at the ends of which are placed the current-conducting plates, and a capsule with the test substance and a pressure marker made along the horizontal axis of the central segment of the cell channel for the passage of x-rays filled filled with X-ray transparent material, ceramic inserts locking the capsule, and an X-ray passage channel, a thermocouple whose thermoelectrodes are installed in a through slot made in the central segment of the cell along a plane perpendicular to the X-ray channel so that the working junction of the thermocouple is located above or under the capsule, characterized in that diamond powder is used as an X-ray transparent material, each thermocouple thermoelectrode is made of externally a wire with a diameter of 0.15 mm and an inner wire with a diameter of 0.05 mm, overlapped and installed in a through slot made in the central segment of the cell with the possibility of sliding relative to each other when the cell is compressed, one end of the inner wire being fixed to the outside of the central segment of the cell, and the capsule has a vertical septum that isolates the test substance from the pressure marker. 2. The cell according to claim 1, characterized in that an additional length is installed along the combined inner and outer wires

Description

Полезная модель относится к области изучения состояния вещества при высоких давлениях и температурах в связи с реконструкцией строения и состава глубинных частей Земли и других планет, а также для исследования фазовых переходов в технологических материалах для физики высоких давлений путем использования рентгеновского синхротронного излучения, а именно к устройству ячейки многопуансонного аппарата высокого давления и температуры с двухступенчатой конфигурацией многопуансонного блока, совмещенного с источником синхротронного излучения.The utility model relates to the field of studying the state of matter at high pressures and temperatures in connection with the reconstruction of the structure and composition of the deep parts of the Earth and other planets, as well as for studying phase transitions in technological materials for high pressure physics by using x-ray synchrotron radiation, namely, a device cells of a multi-punch high-pressure and temperature apparatus with a two-stage configuration of a multi-punch unit combined with a synchrotron radiation source cheniya.

Использование рентгеновского синхротронного излучения позволяет непосредственно (in situ) наблюдать за состоянием исследуемого вещества при высоких давлениях и температурах в ячейке многопуансонного аппарата высокого давления и температуры. Кроме того, по объему элементарной ячейки эталонного вещества - маркера давления, которое помещается в ячейку вместе с исследуемым веществом, можно оценивать давление с точностью до ±0,1 ГПа. В качестве материала ячейки многопуансонного аппарата высокого давления и температуры используют керамические тугоплавкие материалы с низкой теплопроводностью, такие как MgO+10%CoO, MgO+5%Cr₂O₃ и ZrO₂+8%CaO, которые делают ее слабопрозрачной для рентгеновского синхротронного излучения. В связи с этим в ячейку монтируют канал для прохождения рентгеновских лучей из рентгенопрозрачных материалов - MgO, аморфного бора, В₄С, графита и алмаза. В качестве нагревателей используют либо рентгенопрозрачные материалы - графит (до давления 8 ГПа) и TiB₂ (до температуры 1400°С), либо непрозрачные - Re и LaCrO₃. В последнем случае в нагреватель монтируют канал для прохождения рентгеновских лучей из MgO или графита [Tange Y., Takahashi Е., Nishihara Y., Funakoshi К., Sata N. Phase relations in the system MgO-FeO-SiO₂ to 50 GPa and 2000°C: An application of experimental techniques using multianvil apparatus with sintered diamond anvils // Journal of Geophysical Research: Solid Earth. 2009. V. 114. P. В2].The use of X-ray synchrotron radiation makes it possible to directly (in situ) monitor the state of the test substance at high pressures and temperatures in the cell of a multi-punch apparatus of high pressure and temperature. In addition, by the volume of the unit cell of the reference substance — the pressure marker, which is placed in the cell together with the test substance, it is possible to estimate the pressure with an accuracy of ± 0.1 GPa. Ceramic refractory materials with low thermal conductivity, such as MgO + 10% CoO, MgO + 5% Cr ₂ O ₃ and ZrO ₂ + 8% CaO, which make it poorly transparent for X-ray synchrotron radiation, are used as the cell material of a multi-punch apparatus of high pressure and temperature. . In this regard, a channel is mounted in the cell for the passage of X-rays from X-ray transparent materials - MgO, amorphous boron, B ₄ C, graphite and diamond. Either X-ray transparent materials — graphite (up to a pressure of 8 GPa) and TiB ₂ (up to a temperature of 1400 ° C), or opaque — Re and LaCrO _3, are used as heaters. In the latter case, a channel is mounted in the heater for the passage of X-rays from MgO or graphite [Tange Y., Takahashi E., Nishihara Y., Funakoshi K., Sata N. Phase relations in the system MgO-FeO-SiO ₂ to 50 GPa and 2000 ° C: An application of experimental techniques using multianvil apparatus with sintered diamond anvils // Journal of Geophysical Research: Solid Earth. 2009. V. 114. P. B2].

Для исследования состояния вещества in situ, в настоящее время, применяется многопуансонный аппарат высокого давления и температуры с двухступенчатой конфигурацией многопуансонного блока типа «Каваи». В этой конфигурации внешняя ступень состоит из шести стальных пуансонов, а внутренняя - из восьми кубических пуансонов со срезанными углами из карбида вольфрама или спеченного синтетического алмаза, которые образуют октаэдрическую полость. В эту полость помещается ячейка октаэдрической формы. Рабочая площадка кубических пуансонов представляет собой правильный треугольник. Размер ячеек характеризуется длинной ребра этого треугольника. Использование пуансонов из спеченного синтетического алмаза позволяет создавать наибольшие давления внутри ячейки (до 120 ГПа), однако пуансоны из спеченного синтетического алмаза значительно дороже пуансонов из карбида вольфрама. С помощью пуансонов из карбида вольфрама максимально возможные давления внутри ячейки (до 30 ГПа) достигаются при длине ребра рабочей площадки пуансона 2 мм [Shatskiy A., Katsura Т., Litasov K.D., Shcherbakova A.V., Borzdov Y.M., Yamazaki D., Yoneda A., Ohtani E., Ito E. High pressure generation using scaled-up Kawai-cell // Physics of the Earth and Planetary Interiors. 2011. V. 189. P. 92-108.]. Использование ячеек меньшего размера нецелесообразно, так как дальнейшее уменьшение длины ребра рабочей площадки пуансона не приводит к увеличению давления внутри ячейки.To study the state of matter in situ, at present, a multi-punch apparatus of high pressure and temperature is used with a two-stage configuration of a multi-punch block of the Kawai type. In this configuration, the outer step consists of six steel punches, and the inner one consists of eight cubic punches with cut corners of tungsten carbide or sintered synthetic diamond, which form an octahedral cavity. An octahedral cell is placed in this cavity. The working platform of the cubic punches is a regular triangle. The size of the cells is characterized by the long edges of this triangle. The use of sintered synthetic diamond punches allows you to create the highest pressure inside the cell (up to 120 GPa), however, sintered synthetic diamond punches are much more expensive than tungsten carbide punches. Using tungsten carbide punches, the maximum possible pressure inside the cell (up to 30 GPa) is achieved with a rib length of the punch working platform of 2 mm [Shatskiy A., Katsura T., Litasov KD, Shcherbakova AV, Borzdov YM, Yamazaki D., Yoneda A. , Ohtani E., Ito E. High pressure generation using scaled-up Kawai-cell // Physics of the Earth and Planetary Interiors. 2011. V. 189. P. 92-108.]. The use of smaller cells is impractical, since a further decrease in the length of the rib of the working platform of the punch does not increase the pressure inside the cell.

Известна ячейка, предназначенная для многопуансонного аппарата высокого давления и температуры с двухступенчатой конфигурацией многопуансонного блока типа «Каваи», совмещенного с источником синхротронного излучения, позволяющая создавать давления до 30 ГПа [Litasov, K., Ohtani, Е., Sano, A., Suzuki, A., Funakoshi, K., 2005. In situ X-ray diffraction study of post-spinel transformation in a peridotite mantle: implication for the 660-km discontinuity // Earth and Planetary Science Letters. 2005. V. 238. P. 311-328.]. Ячейка выполнена из тугоплавкого керамического материала с низкой теплопроводностью MgO+10%CoO и представляет собой трехсегментный октаэдр с усеченными ребрами и вершинами, сжимаемая 8 треугольными площадками кубических пунсонов из карбида вольфрама, длина ребра рабочей площадки которых составляет 2 мм. Ячейка содержит вертикальный цилиндрический нагреватель из EaCrO₃, в центральной зоне которого размещена капсула из графита с исследуемым веществом и маркером давления, смешанными друг с другом. Вдоль горизонтальной оси центрального сегмента ячейки выполнен канал для прохождения рентгеновских лучей, заполненный MgO. Нагреватель также содержит горизонтальный канал для прохождения рентгеновских лучей, заполненный графитом. Контроль температуры осуществляется с помощью вольфрам-рениевой термопары с термоэлектордами двух составов - W_97%Re_3% и W_75%/Re_25%. Термоэлектроды термопары установлены в сквозной прорези, выполненной в центральном сегменте ячейки вдоль плоскости, перпендикулярной каналу для прохождения рентгеновских лучей, таким образом, чтобы рабочий спай термопары располагался над или под капсулой. Ячейка позволяет создавать давления до 30 ГПа при одновременном нагреве до 2000°С, что является максимальными параметрами для экспериментов с использованием пуансонов из карбида вольфрама. Описанная ячейка принята за прототип.A well-known cell is designed for a multi-punch apparatus of high pressure and temperature with a two-stage configuration of a multi-punch block of the Kawai type, combined with a synchrotron radiation source, which allows creating pressures up to 30 GPa [Litasov, K., Ohtani, E., Sano, A., Suzuki , A., Funakoshi, K., 2005. In situ X-ray diffraction study of post-spinel transformation in a peridotite mantle: implication for the 660-km discontinuity // Earth and Planetary Science Letters. 2005. V. 238. P. 311-328.]. The cell is made of a refractory ceramic material with low thermal conductivity MgO + 10% CoO and is a three-segment octahedron with truncated edges and vertices, compressed by 8 triangular platforms of cubic tungsten carbide punches, the length of the working platform edge of which is 2 mm. The cell contains a vertical cylindrical heater of EaCrO ₃ , in the central zone of which there is a graphite capsule with the test substance and a pressure marker mixed with each other. Along the horizontal axis of the central segment of the cell is made the channel for the passage of x-rays filled with MgO. The heater also contains a horizontal channel for the passage of x-rays, filled with graphite. Temperature control is carried out using a tungsten-rhenium thermocouple with thermoelectrodes of two compositions - W _97% Re _3% and W _75% / Re _25% . Thermocouple thermoelectrodes are installed in a through slot made in the central segment of the cell along a plane perpendicular to the channel for the passage of x-rays, so that the working junction of the thermocouple is located above or below the capsule. The cell allows you to create pressures up to 30 GPa while heating to 2000 ° C, which is the maximum parameters for experiments using punches made of tungsten carbide. The described cell is taken as a prototype.

Известное устройство имеет два существенных недостатка. Первым недостатком является то, что канал для прохождения рентгеновских лучей в нагревателе заполнен графитом. При полной нагрузке многопуансонного аппарата высокого давления и температуры это приводит к схлопыванию канала для прохождения рентгеновских лучей в связи с уменьшением объема при трансформации графита в алмаз, что сопровождается неконтролируемым снижением давления в ячейке. Особенно критичным для ячейки небольшого размера является то, что схлопывание канала для прохождения рентгеновских лучей приводит к уменьшению его ширины. Это не позволяет размещать на пути прохождения рентгеновских лучей исследуемое вещество и маркер давления, изолированно друг от друга, для того, чтобы снимать их дифрактограммы отдельно, как это возможно в ячейках большего размера. По этой причине исследуемое вещество и маркер давления смешивают друг с другом. Небольшая ширина канала для прохождения рентгеновских лучей также приводит к тому, что в полученной дифрактограмме почти всегда присутствуют рефлексы от материала нагревателя, что нежелательно для съемки качественной дифрактограммы исследуемого вещества. Таким образом, с помощью известного устройства получают дифрактограммы, одновременно содержащие рефлексы от исследуемого вещества, маркера давления и материала нагревателя, которые могут перекрываться. Это затрудняет расшифровку дифрактограмм и понижает точность расчетов параметров элементарных ячеек исследуемого вещества и маркера давления. Неточность в расчетах параметров элементарный ячейки маркера давления выражается в неточности определения давления. Кроме того, многие вещества реагируют с маркерами давления, что полностью исключает возможность их изучения.The known device has two significant drawbacks. The first disadvantage is that the channel for the passage of x-rays in the heater is filled with graphite. At full load of the multi-punch high-pressure apparatus and temperature, this leads to the collapse of the channel for the passage of x-rays due to a decrease in volume during the transformation of graphite into diamond, which is accompanied by an uncontrolled decrease in pressure in the cell. Especially critical for a small cell is that the collapse of the channel for the passage of x-rays leads to a decrease in its width. This does not allow the test substance and pressure marker to be placed on the path of the X-rays in isolation from each other in order to record their diffraction patterns separately, as is possible in larger cells. For this reason, the test substance and the pressure marker are mixed with each other. The small width of the channel for the passage of x-rays also leads to the fact that in the obtained diffractogram there are almost always reflections from the material of the heater, which is undesirable for shooting a high-quality diffractogram of the test substance. Thus, using a known device, diffraction patterns are obtained that simultaneously contain reflections from the test substance, pressure marker and heater material, which may overlap. This makes it difficult to decipher the diffraction patterns and reduces the accuracy of calculating the parameters of the unit cells of the test substance and the pressure marker. Inaccuracy in the calculation of the parameters of the unit cell of the pressure marker is expressed in the inaccuracy of determining the pressure. In addition, many substances react with pressure markers, which completely excludes the possibility of their study.

Вторым недостатком является то, что в известном устройстве в качестве термоэлектродов термопары используют вольфрам-рениевые (WRe) проволоки диаметром 0,1 мм [Ohtani E., Toma M, Litasov K., Kubo Т., Suzuki A. Stability of dense hydrous magnesium silicate phases and water storage capacity in the transition zone and lower mantle // Physics of the Earth and Planetary Interiors. 2001. V. 124. P. 105-117]. Конструкция рабочего спая термопары выполнена следующим образом. Проволоки складывают вдвое и соединяют петлей. При сжатии ячейки в месте сочленения проволоки образуют рабочий спая термопары. Суммарная толщина проволок в месте сочленения достигает 0,2 мм (а в реальности, до 0,3 мм). Для сравнения высота внутренней полости капсулы, где размещены исследуемое вещество и маркер давления, до сжатия ячейки составляет 0,5-0,6 мм, а зазор между пуансонами, через который проходят рентгеновские лучи, при 27-30 ГПа варьирует в пределах 0,1-0,15 мм. Проблема заключается в том, что при сжатии ячейки WRe проволока диаметром 0,1 мм в силу своей жесткости часто смещается к центру ячейки, разрезает образец и закрывает собой канал для прохождения рентгеновских лучей, не позволяя проводить измерения. Это приводит к большим временным затратам (от суток и более), что недопустимо для экспериментов на источнике синхротронного излучения. Чтобы препятствовать смещению WRe проволоки необходимо использовать капсулы с толстыми стенками, в результате чего уменьшается диаметр внутренний полости капсулы. Это так же не позволяет размещать на пути прохождения рентгеновских лучей исследуемое вещество и маркер давления, изолированно друг от друга. Кроме того, по той же причине в полученной дифрактограмме почти всегда присутствуют рефлексы от материала капсулы, что также нежелательно для съемки качественной дифрактограммы исследуемого вещества. Использование же WRe проволоки меньшего диаметра приводит к тому, что термоэлектрод термопары разрывается в процессе сжатия ячейки. Чтобы препятствовать этому WRe проволоку за пределами нагревателя одевают в рукав из WRe спирали [Shatskiy A., Yamazaki D., Morard G., Cooray Т., Matsuzaki Т., Higo Y., Funakoshi K., Sumiya H., Ito E., Katsura T. Boron-doped diamond heater and its application to large-volume, high-pressure, and high-temperature experiments // Review of Scientific Instruments. 2009. V. 80. P. 023907]. Такой подход существенно увеличивает расход дорогостоящей WRe проволоки и увеличивает вероятность короткого замыкания на пуансоны в силу малого зазора между пуансонами при максимальной нагрузке многопуансонного аппарата высокого давления и температруры. Часто для удешевления вместо WRe спиралей используют спирали из меди [Kawamoto Т. Hydrous phase stability and partial melt chemistry in H₂O-saturated KLB-1 peridotite up to the uppermost lower mantle conditions // Physics of the Earth and Planetary Interiors. 2004. V. 143. P. 387-395]. Однако такая замена приводит к отклонениям в измерении температуры до 150°С [Nishihara Y., Matsukage K.N., Karato S. Effects of metal protection coils on thermocouple EMF in multi-anvil high-pressure experiments // American Mineralogist. 2006. V. 91. P. 111-114].The second disadvantage is that in the known device, thermocouples use tungsten-rhenium (WRe) wires with a diameter of 0.1 mm [Ohtani E., Toma M, Litasov K., Kubo T., Suzuki A. Stability of dense hydrous magnesium silicate phases and water storage capacity in the transition zone and lower mantle // Physics of the Earth and Planetary Interiors. 2001. V. 124. P. 105-117]. The design of the working junction of the thermocouple is as follows. The wires are doubled and connected by a loop. When the cells are compressed, the working junction of the thermocouple forms at the junction. The total thickness of the wires at the junction reaches 0.2 mm (and in reality, up to 0.3 mm). For comparison, the height of the inner cavity of the capsule, where the test substance and pressure marker are located, before the cell is compressed is 0.5-0.6 mm, and the gap between the punches through which the x-rays pass, at 27-30 GPa, varies within 0.1 -0.15 mm. The problem is that when a WRe cell is compressed, a wire with a diameter of 0.1 mm often shifts to the center of the cell due to its rigidity, cuts the sample and closes the channel for the passage of X-rays, preventing measurements. This leads to large time costs (from a day or more), which is unacceptable for experiments on a synchrotron radiation source. To prevent the displacement of the WRe wire, capsules with thick walls must be used, as a result of which the diameter of the inner cavity of the capsule is reduced. It also does not allow the test substance and pressure marker to be placed in isolation from each other on the path of X-rays. In addition, for the same reason, reflections from the capsule material are almost always present in the obtained diffractogram, which is also undesirable for taking a high-quality diffractogram of the test substance. The use of smaller diameter WRe wires leads to the fact that the thermocouple thermoelectrode breaks during the compression of the cell. To prevent this WRe wire outside the heater, wear a sleeve from a WRe spiral [Shatskiy A., Yamazaki D., Morard G., Cooray T., Matsuzaki T., Higo Y., Funakoshi K., Sumiya H., Ito E. , Katsura T. Boron-doped diamond heater and its application to large-volume, high-pressure, and high temperature experiments // Review of Scientific Instruments. 2009. V. 80. P. 023907]. This approach significantly increases the consumption of expensive WRe wire and increases the likelihood of a short circuit to the punches due to the small gap between the punches at the maximum load of the multi-punch high-pressure apparatus and temperature. Often, copper spirals are used instead of WRe spirals to reduce the cost [Kawamoto T. Hydrous phase stability and partial melt chemistry in H ₂ O-saturated KLB-1 peridotite up to the uppermost lower mantle conditions // Physics of the Earth and Planetary Interiors. 2004. V. 143. P. 387-395]. However, this replacement leads to deviations in temperature measurements up to 150 ° C [Nishihara Y., Matsukage KN, Karato S. Effects of metal protection coils on thermocouple EMF in multi-anvil high-pressure experiments // American Mineralogist. 2006. V. 91. P. 111-114].

Технической задачей является создание ячейки многопуансонного аппарата высокого давления и температуры для изучения состояния вещества с помощью синхротронного рентгеновского излучения при давлениях до 34 ГПа и температурах до 2000°С, позволяющей измерять давление in situ с точностью до ±0.1 ГПа и поддерживать температуру постоянной в пределах 1-5°С, осуществлять несколько циклов нагрева при различном давлении в рамках одного эксперимента.The technical task is to create a cell of a multi-punch apparatus of high pressure and temperature for studying the state of a substance using synchrotron X-ray radiation at pressures up to 34 GPa and temperatures up to 2000 ° C, which allows measuring in-situ pressure with an accuracy of ± 0.1 GPa and keeping the temperature constant within 1 -5 ° C, carry out several heating cycles at different pressures in the framework of one experiment.

Технический результат полезной модели заключается в расширении спектра исследуемых веществ, улучшении качества снимаемых дифрактограмм исследуемого вещества и маркера давления при давлениях до 34 ГПа и температурах до 2000°С с использованием ячейки многопуансонного аппарата высокого давления и температуры, совмещенного с источником синхротронного излучения, за счет возможности размещения на пути прохождения рентгеновских лучей изолированных друг от друга исследуемого вещества и маркера давления.The technical result of the utility model consists in expanding the spectrum of the investigated substances, improving the quality of the recorded diffractograms of the studied substance and pressure marker at pressures up to 34 GPa and temperatures up to 2000 ° C using a cell of a multi-punch apparatus of high pressure and temperature combined with a synchrotron radiation source, due to the possibility placing on the path of x-rays isolated from each other the test substance and the pressure marker.

Для достижения технического результата в ячейке многопуансонного аппарата высокого давления и температуры в виде трехсегментного октаэдра с усеченными ребрами и вершинами, выполненная из керамического тугоплавкого материала с низкой теплопроводностью, содержащая соосно установленные в центральном сегменте вертикальный цилиндрический нагреватель, по торцам которого размещены токовводные пластины, и капсулу с исследуемым веществом и маркером давления, выполненный вдоль горизонтальной оси центрального сегмента ячейки канал для прохождения рентгеновских лучей, заполненный рентгенопрозрачным материалом, керамические вставки, запирающие капсулу и канал для прохождения рентгеновского луча, термопару, термоэлектроды которой установлены в сквозной прорези, выполненной в центральном сегменте ячейки вдоль плоскости, перпендикулярной каналу для прохождения рентгеновских лучей, таким образом, чтобы рабочий спай термопары располагался над или под капсулой, в качестве рентгенопрозрачного материала использован порошок алмаза, каждый термоэлектрод термопары выполнен составным из внешней проволоки диаметром 0,15 мм и внутренней проволоки диаметром 0,05 мм, совмещенными внахлест и установленными в выполненной в центральном сегменте ячейки сквозной прорези с возможностью скольжения относительно друг друга при сжатии ячейки, причем один конец внутренней проволоки закреплен на наружной стороне центрального сегмента ячейки, а капсула имеет вертикальную перегородку, изолирующую исследуемое вещество от маркера давления. Дополнительно вдоль совмещенных внутренней и внешней проволок установлены дополнительные отрезки проволоки из такого же материала диаметром 0,1 мм для обеспечения надежности контакта между внутренней и внешней проволоками при их скольжении относительно друг друга при сжатии ячейки.To achieve a technical result in a cell of a multi-punch apparatus of high pressure and temperature in the form of a three-segment octahedron with truncated ribs and vertices, made of ceramic refractory material with low heat conductivity, containing a vertical cylindrical heater coaxially mounted in the central segment, at the ends of which there are current-conducting plates, and a capsule with the test substance and a pressure marker, a channel is made along the horizontal axis of the central segment of the cell for X-ray walking path, filled with X-ray transparent material, ceramic inserts locking the capsule and channel for the passage of the X-ray beam, a thermocouple whose thermoelectrodes are installed in the through slot made in the central segment of the cell along a plane perpendicular to the channel for the passage of X-rays, so that the working junction the thermocouple was located above or below the capsule, diamond powder was used as an X-ray transparent material, each thermocouple thermoelectrode is made with fixed from an external wire with a diameter of 0.15 mm and an internal wire with a diameter of 0.05 mm, overlapping and installed in a through slot made in the central segment of the cell with the possibility of sliding relative to each other when the cell is compressed, one end of the inner wire being fixed to the outside of the central cell segment, and the capsule has a vertical septum that isolates the test substance from the pressure marker. Additionally, along the combined inner and outer wires, additional lengths of wire of the same material with a diameter of 0.1 mm are installed to ensure reliable contact between the inner and outer wires when they slip relative to each other when the cell is compressed.

Предложенное устройство имеет ряд преимуществ. Во-первых, в качестве рентгенопрозрачного материала использован порошок алмаза (размер зерен 0,5 мкм) вместо графита или MgO. Алмаз имеет высокий модуль всестороннего сжатия, что позволяет максимально сохранить ширину канала для прохождения рентгеновских лучей за счет минимизации уменьшения объема рентгенопрозрачного материала при полной нагрузке многопуансонного аппарата высокого давления и температуры, а также повысить максимально возможное давление (до 34 ГПа) внутри ячейки. Во-вторых, предложенная конфигурация составных термоэлектродов термопары позволяет использовать тонкую внутреннюю, например WRe, проволоку диаметром 0.05. Это позволяет использовать капсулы с более тонкой стенкой и соответственно с большим диаметром внутренней полости капсулы, при этом исключая возможность того, что WRe проволока сместится к центру ячейки, разрежет образец и закроет собой канал для прохождения рентгеновских лучей. Сочетание широкого канала для прохождения рентгеновских лучей и большого диаметра внутренней полости капсулы позволяет разместить на пути прохождения рентгеновских лучей одновременно исследуемое вещество и маркер давления таким образом, чтобы они были изолированы друг от друга вертикальной перегородкой. В-третьих, в предложенной конфигурации составных термоэлектродов термопары внутренняя и внешняя проволоки совмещены внахлест, а также установлены дополнительные отрезки проволоки из такого же материала диаметром 0,1 мм. Такой способ соединения позволяет во время сжатия ячейки скользить внешним проволокам относительно внутренних проволок не разрываясь и не теряя контакт, что исключает разрыв термоэлектродов термопары, несмотря на отсутствие WRe спирали.The proposed device has several advantages. First, diamond powder (grain size 0.5 μm) was used instead of graphite or MgO as an X-ray transparent material. Diamond has a high modulus of compression, which allows you to maximize the preservation of the channel width for the passage of X-rays by minimizing the reduction in the volume of X-ray transparent material at full load of the multi-punch high-pressure apparatus and temperature, as well as increasing the maximum possible pressure (up to 34 GPa) inside the cell. Secondly, the proposed configuration of composite thermocouple thermoelectrodes allows the use of a thin internal wire, for example, WRe, with a diameter of 0.05. This allows the use of capsules with a thinner wall and, accordingly, with a larger diameter of the internal cavity of the capsule, while eliminating the possibility that the WRe wire will move to the center of the cell, cut the sample and close the channel for the passage of x-rays. The combination of a wide channel for the passage of X-rays and a large diameter of the internal cavity of the capsule allows you to place simultaneously on the path of the X-rays the test substance and the pressure marker so that they are isolated from each other by a vertical partition. Thirdly, in the proposed configuration of composite thermoelectrodes, the inner and outer wires are overlapped, and additional lengths of wire of the same material with a diameter of 0.1 mm are also installed. This connection method allows the external wires to slide relative to the internal wires during compression of the cell without breaking and without losing contact, which eliminates the breaking of thermocouple thermoelectrodes, despite the absence of a WRe spiral.

Таким образом, использование предложенной ячейки многопуансонного аппарата высокого давления и температуры, позволяет получать дифрактограммы, содержащие рефлексы только от исследуемого вещества, без наложения рефлексов маркера давления, и наоборот. Это делает возможным расшифровку дифрактограмм кристаллических веществ с низкой симметрией и увеличивает точность расчета давления по маркеру давления, а также исключает химическое взаимодействие между исследуемым веществом и маркером давления, что особенно важно для образцов содержащих железо.Thus, the use of the proposed cell of a multi-punch apparatus of high pressure and temperature allows one to obtain diffraction patterns containing reflexes only from the test substance, without imposing reflexes of the pressure marker, and vice versa. This makes it possible to decipher the diffraction patterns of crystalline substances with low symmetry and increases the accuracy of calculating the pressure by the pressure marker, and also eliminates the chemical interaction between the test substance and the pressure marker, which is especially important for samples containing iron.

Сущность полезной модели и пример ее использования проиллюстрированы на фиг. 1-4. На фиг. 1 представлена схема предложенной ячейки многопуансонного аппарата высокого давления и температуры. На фиг. 2 показаны рентгенограммы ячейки при атмосферном давлении и при давлении 34 ГПа. На фиг. 3 показаны дифрактограммы исследуемого вещества (FeO+Fe) и маркера давления (Au+MgO) при максимальном достигнутом давлении (34 ГПа) и при температуре 1200°С. На фиг. 4 приведен пример изменения давления и температуры в предложенной ячейке в ходе эксперимента с несколькими циклами нагрева; показаны давления, определенные по объему элементарной ячейки золота.The essence of the utility model and an example of its use are illustrated in FIG. 1-4. In FIG. 1 shows a diagram of a proposed cell of a multi-punch apparatus of high pressure and temperature. In FIG. 2 shows X-ray diffraction patterns of the cell at atmospheric pressure and at a pressure of 34 GPa. In FIG. Figure 3 shows the diffraction patterns of the test substance (FeO + Fe) and pressure marker (Au + MgO) at the maximum achieved pressure (34 GPa) and at a temperature of 1200 ° C. In FIG. 4 shows an example of changes in pressure and temperature in the proposed cell during the experiment with several heating cycles; shows the pressure determined by the volume of the unit cell of gold.

Ячейка (фиг. 1) представляет собой октаэдр с усеченными вершинами и ребрами, изготовленный из пористой (30 об.%) керамики на основе MgO, легированного 10% СоО. Керамический октаэдр состоит из трех сегментов: двух крышек 1 с молибденовыми токовводными пластинами 2 и центрального сегмента 3 с вертикальным отверстием для цилиндрического нагревателя из LaCrO₃ 4. В центральном сегменте ячейки и в нагревателе выполнены отверстия диаметром 0,5 мм под канал для прохождения рентгеновских лучей 5. Канал 5 заполнен порошком алмаза. В центральной части нагревателя размещена цилиндрическая капсула, состоящая из втулки 6, верхней и нижней крышки 7 и центральной перегородки 8, разделяющей исследуемое вещество 9 и маркер давления 10, имеющих форму полуцилиндров. Элементы капсулы изготовлены из нитрида бора, графита или MgO. С обоих торцов капсулы и канала для прохождения рентгеновских лучей в ячейке установлены цилиндрические вставки из MgO 11. Вдоль плоскости, перпендикулярной каналу для прохождения рентгеновских лучей в центральном сегменте ячейки выполнена сквозная прорезь шириной 0,35 мм для термоэлектродов термопары. Термопара состоит из термоэлектродов двух составов - W_97%Re_3% и W_75%Re_25%. Термоэлектроды термопары выполнены составными из внешних 12 и внутренних 13 проволок. Внешние проволоки имеют диаметр 0,15 мм и длину около 1 м и заводятся в ячейку через прокладки пуансонов (не показаны) до нагревателя. Внутренние проволоки диаметром 0,05 мм 13, с краями загнутыми у торцов центрального сегмента ячейки 3, чтобы термопара не смещалась при сборке ячейки, сложены вдвое и сочленены в виде петли. Место сочленения внутренних проволок 14 расположено по центру на верхней крышке капсулы 7. При сжатии ячейки внутренние проволоки в месте сочленения образуют рабочий спай термопары. Внешняя 12 и внутренняя 13 проволоки совмещены внахлест в сквозной прорези центрального сегмента ячейки. Такой способ соединения позволяет во время сжатия скользить внешним проволокам 12 относительно внутренних проволок 13 не разрываясь и не теряя контакт (наблюдения проводились in situ с использованием рентгенографии). Для дополнительной защиты термоэлектродов термопары от разрывов при сжатии ячейки, в сквозную прорезь центрального сегмента ячейки 3 вставлены два дополнительных отрезка W_97%Re_3% и W_75%Re_25% проволок 15 толщиной 0,1 мм. Изгибы проволок 12, 13, 15 в ячейке не допускаются, потому что это приводят к разрыву термопары при сжатии ячейки.The cell (Fig. 1) is an octahedron with truncated vertices and ribs made of porous (30 vol.%) Ceramic based on MgO doped with 10% CoO. The ceramic octahedron consists of three segments: two covers 1 with molybdenum current-conducting plates 2 and a central segment 3 with a vertical hole for a cylindrical heater made of LaCrO ₃ 4. In the central segment of the cell and in the heater, holes with a diameter of 0.5 mm are made under the channel for the passage of x-rays 5. Channel 5 is filled with diamond powder. In the central part of the heater there is a cylindrical capsule consisting of a sleeve 6, an upper and lower cover 7 and a central partition 8 separating the test substance 9 and a pressure marker 10 having the shape of half-cylinders. The capsule elements are made of boron nitride, graphite or MgO. At both ends of the capsule and the channel for the passage of X-rays, MgO 11 cylindrical inserts are installed in the cell. Along the plane perpendicular to the channel for the passage of X-rays in the central segment of the cell, a through slot 0.35 mm wide is made for thermocouple thermoelectrodes. The thermocouple consists of two thermoelectrodes - W _97% Re _3% and W _75% Re _25% . Thermocouple thermoelectrodes are made of composite of external 12 and internal 13 wires. External wires have a diameter of 0.15 mm and a length of about 1 m and are inserted into the cell through the gasket punches (not shown) to the heater. The inner wires with a diameter of 0.05 mm 13, with the edges bent at the ends of the central segment of cell 3, so that the thermocouple does not move during assembly of the cell, are folded in half and articulated in a loop. The junction of the inner wires 14 is located centrally on the top cover of the capsule 7. When the cell is compressed, the inner wires at the junction form a working junction of the thermocouple. The outer 12 and inner 13 wires are overlapped in the through slot of the central segment of the cell. This connection method allows during compression to slide the outer wires 12 relative to the inner wires 13 without breaking and without losing contact (observations were carried out in situ using x-ray). For additional protection of thermocouple thermoelectrodes from discontinuities during compression of the cell, two additional segments W _97% Re _3% and W _75% Re _{25% of} wires 15 with a thickness of 0.1 mm are inserted into the through slot of the central segment of cell 3. Bends of the wires 12, 13, 15 in the cell are not allowed, because this leads to rupture of the thermocouple during compression of the cell.

Сборку ячейки осуществляют в следующей последовательности. К обеим крышкам ячейки 1 приклеивают токовводные пластины 2 с краями загнутыми и прижатыми к граням ячейки. Для склеивания используют циакриновый клей. В центральный сегмент 3 вставляют цилиндрический нагреватель 4 таким образом, чтобы совпадали отверстия для канала для прохождения рентгеновских лучей 5. После этого, к центральному сегменту ячейки приклеивают нижнюю крышку 1 с токовводной пластиной 2 таким образом, чтобы пластина была параллельна каналу для прохождения рентгеновских лучей 5. Далее в нагреватель вставляют нижнюю MgO вставку 11, нижнюю крышку 7 и втулку 6 капсулы. В капсулу вставляют вертикальную перегородку 8 параллельно оси канала для прохождения рентгеновских лучей и помещают полуцилиндры исследуемого вещества 9 и маркера давления 10, предварительно изготовленные холодным прессованием. Затем капсулу закрывают верхней крышкой 7. Далее в ячейку заводят внутренние WRe проволоки 13. Внутрь нагревателя вставляют верхнюю MgO вставку 11 и приклеивают верхнюю крышка ячейки 1 с токовводной пластиной 2. Канал для прохождения рентгеновских лучей 5 плотно заполняют алмазным порошком и прессуют вручную с помощью стального цилиндра нужного диаметра и закрывают с торцов вставками из MgO 11. В заключении в ячейку заводят внешние WRe проволоки 12 и отрезки WRe проволоки 15, в ходе установки в рабочую полость многопуансонного аппарата высокого давления и температуры (не показана).The cell assembly is carried out in the following sequence. To both covers of cell 1, current-conducting plates 2 are glued with the edges bent and pressed to the faces of the cell. For bonding using cyacrine glue. A cylindrical heater 4 is inserted into the central segment 3 so that the holes for the channel for the passage of X-rays coincide 5. After that, the bottom cover 1 is glued to the central segment of the cell with the current-conducting plate 2 so that the plate is parallel to the channel for the passage of X-rays 5 Next, the lower MgO insert 11, the lower cover 7 and the capsule sleeve 6 are inserted into the heater. A vertical baffle 8 is inserted into the capsule parallel to the axis of the channel for the passage of X-rays, and half-cylinders of the test substance 9 and pressure marker 10, previously made by cold pressing, are placed. Then the capsule is closed with the top cap 7. Next, internal WRE wires 13 are inserted into the cell. Inside the heater, the upper MgO insert 11 is inserted and the top cap of the cell 1 with the current-conducting plate 2 is glued. The X-ray channel 5 is densely filled with diamond powder and pressed manually using steel cylinders of the desired diameter and are closed from the ends with MgO inserts 11. In conclusion, external WRe wires 12 and pieces of WRe wires 15 are inserted into the cell, during installation of a multi-punch high-pressure apparatus in the working cavity I and the temperature (not shown).

Устройство работает следующим образом. Собранную ячейку устанавливают в рабочую полость многопуансонного аппарата высокого давления и температуры (не показана). Путем медленного (в течении 5-7 часов) увеличения нагрузки многопуансонного аппарата высокого давления и температуры в ячейке создают давление до 34 ГПа. Далее при постоянной нагрузке аппарата производят поступательный нагрев (со скоростью 100°С /мин) с выдержкой 1-10 минут через каждые 100-200°С для юстировки пучка рентгеновских лучей на исследуемом веществе и маркере давления, для снятия дифрактограмм и записи данных. Снижение температуры производят по такой же схеме. Существует возможность производить несколько циклов нагрева при разном давлении. После первого и каждого последующего цикла нагрева и измерений нагрузку многопуансонного аппарата высокого давления и температуры медленно снижают в два раза. Возможно производить до 7 циклов нагрева в диапазоне давлений от 34 до 1 ГПа. Температурный интервал варьирует от 27 до 2000°С.The device operates as follows. The assembled cell is installed in the working cavity of a multi-punch apparatus of high pressure and temperature (not shown). By slowly (within 5-7 hours) increasing the load of the multi-punch high-pressure apparatus and temperature in the cell, a pressure of up to 34 GPa is created. Then, at a constant load of the apparatus, translational heating is performed (at a speed of 100 ° C / min) with a shutter speed of 1-10 minutes every 100-200 ° C to align the x-ray beam on the test substance and pressure marker, to take diffraction patterns and record data. The temperature is reduced according to the same scheme. It is possible to produce several heating cycles at different pressures. After the first and each subsequent heating and measurement cycle, the load of the multi-punch high-pressure apparatus and temperature is slowly reduced by half. It is possible to produce up to 7 heating cycles in the pressure range from 34 to 1 GPa. The temperature range varies from 27 to 2000 ° C.

Предложенное устройство применено для изучения состояния вещества in situ при высоких давлениях и температурах на станции BL04B1 источника синхротронного излучения SPring-8 (префектура Хиого, Япония). На фиг. 2а показана рентгенограмма центрального сегмента ячейки при атмосферном давлении без нагрузки аппарата (зазор между пуансонами 16 составляет 2 мм). На рентгенограмме видны нагреватель 4, канал для прохождения рентгеновских лучей 5, исследуемое вещество 9, маркер давления 10, вертикальная перегородка внутри капсулы 8, проволоки составных термоэлектродов термопары 12, 13, 15 и место сочленения внутренних проволок 14. Также видны прокладки пуансонов 17. На фиг. 2б показана рентгенограмма ячейки при максимальном давлении (зазор между пуансонами 16 составляет 0,15 мм), на которой видно, что исследуемое вещество 9 и маркер давления, изолированные друг от друга вертикальной перегородкой 8, располагаются на пути прохождения рентгеновских лучей через канал 5. В предложенной ячейке многопуансонного аппарата высокого давления и температуры с использованием капсулы и перегородки из нитрида бора были изучены термические (P-V-T) уравнения состояния FeO и Fe (эксперимент № М1788). В качестве маркера давления были использованы Au и MgO, смешанные в весовой пропорции 1:15. На фиг. 3а показана дифрактограмма маркера давления при максимальном давлении и температуре 1200°С, на которой видны рефлексы от Au и MgO. Рассчитанный объем элементарной ячейки Аи составляет 60,61 (±0,01), a MgO-65,75 (±0,03) Å³. Согласно уравнениям состояния, такие объемы при температуре 1200°С отвечают давлениям 33,7 (±0,1) и 33,6 (±0,1) ГПа, соответственно [Sokolova T.S., Dorogokupets P.I., Litasov K.D. Self-consistent pressure scales based on the equations of state for ruby, diamond, MgO, B2-NaCl, as well as Au, Pt and other metals to 4 Mbars and 3000 K // Russian Geology and Geophysics. 2013. V. 54. №2. P. 181-199]. На фиг. 3б показана дифрактограмма исследуемых веществ, содержащая рефлексы от Fe и FeO, которые были смешаны в весовой пропорции 1:10. Было произведено несколько циклов нагрева при различной нагрузке аппарата (фиг. 4). Цифрами 1-7 на фиг. 4 обозначены циклы нагрева по порядку от начала к концу эксперимента.The proposed device was used to study the state of matter in situ at high pressures and temperatures at station BL04B1 of a synchrotron radiation source SPring-8 (Hyogo Prefecture, Japan). In FIG. 2a shows an X-ray diffraction pattern of the central segment of the cell at atmospheric pressure without apparatus loading (the gap between punches 16 is 2 mm). The radiograph shows the heater 4, the channel for the passage of X-rays 5, the test substance 9, the pressure marker 10, the vertical baffle inside the capsule 8, the wires of the thermocouple thermocouples 12, 13, 15 and the junction of the inner wires 14. Also visible are the punches 17. FIG. 2b shows the X-ray diffraction pattern of the cell at maximum pressure (the gap between the punches 16 is 0.15 mm), which shows that the test substance 9 and the pressure marker, isolated from each other by a vertical partition 8, are located on the path of the x-rays through channel 5. B The proposed cell of a multi-punch apparatus of high pressure and temperature using capsules and septa made of boron nitride was used to study the thermal (PVT) equations of state of FeO and Fe (experiment No. M1788). Au and MgO mixed in a weight ratio of 1:15 were used as a pressure marker. In FIG. Figure 3a shows the diffraction pattern of a pressure marker at maximum pressure and a temperature of 1200 ° C, in which reflections from Au and MgO are visible. The calculated unit cell volume Au is 60.61 (± 0.01), and MgO-65.75 (± 0.03) Å ³ . According to the equations of state, such volumes at a temperature of 1200 ° C correspond to pressures of 33.7 (± 0.1) and 33.6 (± 0.1) GPa, respectively [Sokolova TS, Dorogokupets PI, Litasov KD Self-consistent pressure scales based on the equations of state for ruby, diamond, MgO, B2-NaCl, as well as Au, Pt and other metals to 4 Mbars and 3000 K // Russian Geology and Geophysics. 2013. V. 54. No. 2. P. 181-199]. In FIG. 3b shows a diffractogram of the studied substances containing reflections from Fe and FeO, which were mixed in a weight ratio of 1:10. Several heating cycles were performed at various loads of the apparatus (Fig. 4). Numbers 1-7 in FIG. Figure 4 shows the heating cycles in order from the beginning to the end of the experiment.

Claims

1. A cell of a multi-punch apparatus of high pressure and temperature in the form of a three-segment octahedron with truncated ribs and peaks, made of ceramic refractory material with low heat conductivity, containing a vertical cylindrical heater coaxially mounted in the central segment, at the ends of which are placed the current-conducting plates, and a capsule with the test substance and a pressure marker made along the horizontal axis of the central segment of the cell channel for the passage of x-rays filled filled with X-ray transparent material, ceramic inserts locking the capsule, and an X-ray passage channel, a thermocouple whose thermoelectrodes are installed in a through slot made in the central segment of the cell along a plane perpendicular to the X-ray channel so that the working junction of the thermocouple is located above or under the capsule, characterized in that diamond powder is used as an X-ray transparent material, each thermocouple thermoelectrode is made of externally wire with a diameter of 0.15 mm and an inner wire with a diameter of 0.05 mm, overlapped and installed in a through slot made in the central segment of the cell with the possibility of sliding relative to each other when the cell is compressed, one end of the inner wire being fixed to the outer side of the central segment of the cell, and the capsule has a vertical septum that isolates the test substance from the pressure marker.

2. The cell according to claim 1, characterized in that along the combined inner and outer wires, additional wire segments of the same material with a diameter of 0.1 mm are installed to ensure reliable contact between the inner and outer wires when they slip relative to each other when the cell is compressed.