RU178805U1

RU178805U1 - Cell of a multi-punch apparatus of high pressure and temperature for the study of substances using synchrotron radiation

Info

Publication number: RU178805U1
Application number: RU2017135029U
Authority: RU
Inventors: Константин Дмитриевич Литасов; Антон Фарисович Шацкий
Priority date: 2017-10-04
Filing date: 2017-10-04
Publication date: 2018-04-19

Abstract

Полезная модель относится к области изучения P-V-T уравнений состояния вещества при давлениях до 10 ГПа и температурах до 2000°С с использованием синхротронного излучения для применения в области наук о Земле и материаловедения. Ячейка многопуансонного аппарата высокого давления и температуры выполнена в виде пятисегментного октаэдра с усеченными ребрами и вершинами из керамического тугоплавкого материала с низкой теплопроводностью, содержит соосно установленные в трех центральных сегментах октаэдра вертикальный цилиндрический нагреватель с размещенными по краям токовводными пластинами и изолированную от нагревателя кассету с исследуемыми веществами, размещенную в выполненном из рентгенопрозрачной керамики центральном сегменте ячейки. Кассета состоит из двух или четырех, запираемых крышками, вертикально расположенных друг над другом цилиндров, в каждом из которых выполнены три вертикальных отверстия для заполнения исследуемыми веществами, при этом плоскость, проходящая через центр всех отверстий цилиндров, расположена перпендикулярно направлению прохождения рентгеновского луча. В нижней части центрального сегмента ячейки и нагревателя выполнено сквозное горизонтальное отверстие для размещения изолированных от нагревателя термоэлектродов термопары, спай которой расположен по оси нагревателя под кассетой с исследуемыми веществами. Техническим результатом является создание возможности одновременного исследования фазовых диаграмм и уравнений состояния от шести до двенадцати различных веществ с использованием синхротронного излучения при давлениях до 10 ГПа и температурах до 2000°С, что позволяет сократить время эксперимента и затраты на изготовление ячеек в шесть-двенадцать раз, а также получение качественных дифрактограмм исследуемых веществ.The utility model relates to the field of studying P-V-T equations of state of matter at pressures up to 10 GPa and temperatures up to 2000 ° C using synchrotron radiation for use in the field of earth sciences and materials science. The cell of the multi-punch apparatus of high pressure and temperature is made in the form of a five-segment octahedron with truncated ribs and vertices made of ceramic refractory material with low heat conductivity, contains a vertical cylindrical heater coaxially mounted in the three central segments of the octahedron with current-conducting plates placed at the edges and the cassette with the material being studied from the heater located in the central segment of the cell made of radiolucent ceramic. The cassette consists of two or four lockable cylinders, vertically arranged one above the other cylinders, each of which has three vertical openings for filling with the substances under study, while the plane passing through the center of all cylinder openings is perpendicular to the direction of passage of the x-ray beam. A horizontal through hole is made in the lower part of the central segment of the cell and the heater to accommodate thermocouples isolated from the heater thermoelectrodes, the junction of which is located along the axis of the heater under the cartridge with the studied substances. The technical result is the creation of the possibility of simultaneous study of phase diagrams and equations of state from six to twelve different substances using synchrotron radiation at pressures of up to 10 GPa and temperatures up to 2000 ° C, which reduces the experiment time and the cost of manufacturing cells by six to twelve times, as well as obtaining high-quality diffractograms of the investigated substances.

Description

Полезная модель относится к области изучения P-V-T уравнений состояния вещества при давлениях до 10 ГПа и температурах до 2000°С с использованием синхротронного излучения для применения в области наук о Земле и материаловедения. Это позволяет определить упругие модули веществ при высокой температуре и оценить их прочностные характеристики под воздействием давления.The utility model relates to the field of studying P-V-T equations of state of matter at pressures up to 10 GPa and temperatures up to 2000 ° C using synchrotron radiation for use in the field of earth sciences and materials science. This allows you to determine the elastic moduli of substances at high temperatures and evaluate their strength characteristics under the influence of pressure.

Одним из основных методов исследования состояния вещества при высоком давлении и температуре в большом объеме образца (не менее 0.5 мм³) являются эксперименты с использованием многопуансонных аппаратов, представляющих собой гидравлический пресс, который сжимает рабочий блок с ячейкой высокого давления. С помощью таких аппаратов возможно проведение как лабораторных экспериментов для исследования закаленных продуктов опытов после снятия высоких температуры и давления, так и экспериментов с использованием синхротронного излучения, когда образец можно наблюдать при высоком давлении и температуре с помощью рентгеновской дифрактометрии. В многопуансонном аппарате используются твердосплавные пуансоны, которые образуют в центре кубическую или октаэдрическую полость. В конфигурации рабочего блока внешняя ступень состоит из шести стальных пуансонов, а внутренняя - из восьми твердосплавных кубических пуансонов со срезанными углами. Соответственно они образуют октаэдрическую полость в центре, куда помещается ячейка высокого давления. Рабочие площадки кубических пуансонов представляют собой правильный треугольник. Максимальная величина генерируемого давления зависит от размера рабочей площадки и размер ячейки. Для поддержки ячейки между твердосплавными пуансонами помещают деформируемые уплотнения (прокладки) из пирофиллита. В качестве материала ячейки высокого давления используют тугоплавкую керамику, допированную связующими компонентами, например, ZrO₂+8%CaO.One of the main methods for studying the state of a substance at high pressure and temperature in a large sample volume (at least 0.5 mm ³ ) is experiments using multi-punch apparatuses, which are a hydraulic press that compresses the working unit with a high-pressure cell. Using such devices, it is possible to carry out laboratory experiments to study the hardened experimental products after removal of high temperature and pressure, as well as experiments using synchrotron radiation, when the sample can be observed at high pressure and temperature using x-ray diffractometry. In a multi-punch apparatus, carbide punches are used that form a cubic or octahedral cavity in the center. In the configuration of the working unit, the outer step consists of six steel punches, and the inner one consists of eight carbide cubic punches with cut corners. Accordingly, they form an octahedral cavity in the center where the high-pressure cell is placed. The working platforms of the cubic punches are a regular triangle. The maximum value of the generated pressure depends on the size of the working platform and the size of the cell. To support the cell between the carbide punches placed deformable seals (gaskets) of pyrophyllite. Refractory ceramics doped with binding components, for example, ZrO ₂ + 8% CaO, are used as the material of the high-pressure cell.

Для исследований с использованием синхротронного излучения в керамической ячейке, слабопрозрачной для рентгеновских лучей делают вставки из чистого MgO, графита, алмазного или борного порошка. В качестве нагревателя используют графит (до давлений 10 ГПа), хромит лантана, диборид титана, рений [Shatskiy, A., Katsura, T., 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].For studies using synchrotron radiation in a ceramic cell, poorly transparent for x-rays, inserts of pure MgO, graphite, diamond or boron powder are made. Graphite (up to pressures of 10 GPa), lanthanum chromite, titanium diboride, rhenium [Shatskiy, A., Katsura, T., Litasov, KD, Shcherbakova, AV, Borzdov, YM, Yamazaki, D., Yoneda, A, are used as a heater ., 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].

Известна ячейка многопуансонного аппарата высокого давления и температуры в виде трехсегментного октаэдра для изучения состояния вещества с помощью синхротронного рентгеновского излучения при давлениях до 34 ГПа и температурах до 2000°С [патент на полезную модель №1653160, МПК: B01J 3/06, C01B 31/06, C30B 29/04, опубл. 27.03.2016] Ячейка выполнена из керамического тугоплавкого материала с низкой теплопроводностью, содержит, соосно установленные в центральном сегменте вертикальный цилиндрический нагреватель с токовводными пластинами, и капсулу (ампулу) с разделенными вертикальной перегородкой исследуемым веществом и маркером давления. Для прохождения рентгеновских лучей вдоль горизонтальной оси центрального сегмента ячейки выполнен канал, заполненный рентгенопрозрачным материалом. Ячейка предназначена для съемки рентгенограмм высокого качества при давлениях 10-34 ГПа. При меньших давлениях ячейка работает только на обратном ходу (после измерений при 10-34 ГПа), однако отличается сильной нестабильностью за счет возникновения девиаторных стрессов, а также деформаций и разрушения нагревателя из LaCrO₃. Частичное разрушение нагревателя приводит либо к его потере, либо к неравномерному нагреву и искажению результатов эксперимента. Поэтому ее использование в области давлений до 10 ГПа ограничено. Кроме этого, существенным недостатком является то, что в области таких давлений одновременно измеряется только один образец. Исследования с использованием синхротронного излучения обычно ограничены по времени, поэтому использования ячейки с одним или двумя исследуемыми веществами ограничивает количество экспериментов за единицу времени. Это является существенным недостатком при исследовании фазовых диаграмм и уравнений состояния веществ близких по химическому составу и свойствам.Known cell multi-punch apparatus of high pressure and temperature in the form of a three-segment octahedron for studying the state of a substance using synchrotron X-ray radiation at pressures up to 34 GPa and temperatures up to 2000 ° C [utility model patent No. 1653160, IPC: B01J 3/06, C01B 31/06, C30B 29/04, publ. 03/27/2016] The cell is made of a ceramic refractory material with low thermal conductivity, contains a vertical cylindrical heater coaxially mounted in the central segment with current-conducting plates, and a capsule (ampoule) with a test substance and a pressure marker separated by a vertical partition.For the passage of x-rays along the horizontal axis of the central segment of the cell, a channel is filled with x-ray transparent material. The cell is designed for shooting high-quality x-rays at pressures of 10-34 GPa. At lower pressures, the cell operates only on the reverse stroke (after measurements at 10-34 GPa), however, it is highly unstable due to the occurrence of deviator stresses, as well as deformations and destruction of the LaCrO heater₃. Partial destruction of the heater leads either to its loss, or to uneven heating and distortion of the experimental results. Therefore, its use in the pressure range up to 10 GPa is limited. In addition, a significant drawback is that in the region of such pressures only one sample is measured at a time. Studies using synchrotron radiation are usually limited in time, so using a cell with one or two test substances limits the number of experiments per unit time. This is a significant drawback in the study of phase diagrams and equations of state of substances close in chemical composition and properties.

Известны работы по использованию ячейки многопуансонного аппарата высокого давления и температуры для исследования твердых веществ в многоампульных кассетах для лабораторных экспериментов [Shatskiy, A., Sharygin, I.S., Gavryushkin, P.N., Litasov, K.D., Borzdov, Y.M., Shcherbakova, A.V., Higo, Y., Funakoshi, K., Palyanov Y.N., Ohtani E., 2013. The system K₂CO₃-MgCO₃ at 6 GPa and 900-1450°C. American Mineralogist, 2013, v. 98, p. 1593-1603]. Ячейка выполнена из тугоплавкой керамики ZrO₂ + 8%CaO и представляет собой пятисегментный октаэдр с усеченными вершинами и ребрами. Ячейка сжимается восемью треугольными площадками кубических пуансонов из твердого сплава. Длина ребра рабочей площадки составляет 12 мм. Ячейка содержит цилиндрический нагреватель из графита, внутрь которого помещены 2 графитовые ампулы, изолированные от нагревателя втулкой из отожженного талька. Контроль температуры осуществляют с помощью вольфрам-рениевой термопары с термоэлектродами двух составов W_97%Re_3% и W_75%Re_25%. Термоэлектроды термопары установлены в сквозном отверстии, в центральном сегменте ячейки таким образом, чтобы спай термопары располагался осесимметрично в центральной части нагревателя. Ячейка позволяет создавать давления до 10 ГПа при одновременном нагреве до 2000°C. Описанная ячейка принята за прототип.Known works on the use of a cell of a multi-punch apparatus of high pressure and temperature for the study of solids in multi-ampule cassettes for laboratory experiments [Shatskiy, A., Sharygin, IS, Gavryushkin, PN, Litasov, KD, Borzdov, YM, Shcherbakova, AV, Higo, Y ., Funakoshi, K., Palyanov YN, Ohtani E., 2013. The system K ₂ CO ₃ -MgCO ₃ at 6 GPa and 900-1450 ° C. American Mineralogist, 2013, v. 98, p. 1593-1603]. The cell is made of refractory ceramics ZrO ₂ + 8% CaO and is a five-segment octahedron with truncated vertices and edges. The cell is compressed by eight triangular pads of cubic carbide punches. The length of the rib of the platform is 12 mm. The cell contains a cylindrical graphite heater, inside of which are placed 2 graphite ampoules, isolated from the heater by an annealed talcum bush. 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 the through hole, in the central segment of the cell so that the thermocouple junction is located axisymmetrically in the central part of the heater. The cell allows you to create pressures up to 10 GPa while heating to 2000 ° C. The described cell is taken as a prototype.

Недостатком этой ячейки является невозможность проводить измерения с использованием синхротронного излучения всех образцов, так как они расположены таким образом, что при съемке рентгенограммы с разных образцов будут перекрываться между собой. Следовательно, невозможно получить рентгенограмму с каждого образца.The disadvantage of this cell is the inability to carry out measurements using the synchrotron radiation of all samples, since they are located in such a way that when shooting x-ray from different samples will overlap. Therefore, it is impossible to obtain an x-ray from each sample.

Технической задачей является создание ячейки многопуансонного аппарата для исследования фазовых диаграмм и уравнений состояния веществ с использованием синхротронного излучения при давлениях до 10 ГПа и температурах до 2000°C с максимально возможной одновременной загрузкой исследуемых веществ и получением качественных дифрактограмм.The technical task is to create a cell of a multi-punch apparatus for studying phase diagrams and equations of state of substances using synchrotron radiation at pressures of up to 10 GPa and temperatures up to 2000 ° C with the maximum possible simultaneous loading of the studied substances and obtaining high-quality diffraction patterns.

Технический результат полезной модели заключается в создании возможности одновременного исследования фазовых диаграмм и уравнений состояния до двенадцати различных веществ с использованием синхротронного излучения при давлениях до 10 ГПа и температурах до 2000°C. Соответственно, это позволяет сократить время эксперимента и затраты на изготовление ячеек. А также позволяет получить качественные дифрактограммы путем обеспечения субпараллельности при размещении исследуемых веществ в ячейке и отсутствия пересечения друг с другом в плоскости перпендикулярной направлению распространения рентгеновского луча.The technical result of the utility model is to create the possibility of simultaneous study of phase diagrams and equations of state for up to twelve different substances using synchrotron radiation at pressures up to 10 GPa and temperatures up to 2000 ° C. Accordingly, this reduces the time of the experiment and the cost of manufacturing cells. And it also allows to obtain high-quality diffraction patterns by ensuring subparallelism when placing the investigated substances in the cell and the absence of intersection with each other in a plane perpendicular to the direction of propagation of the x-ray beam.

Для достижения технического результата ячейка многопуансонного аппарата, высокого давления и температуры, выполненная в виде пятисегментного октаэдра с усеченными ребрами и вершинами из керамического тугоплавкого материала с низкой теплопроводностью, содержит соосно установленные в трех центральных сегментах октаэдра вертикальный цилиндрический нагреватель с размещенными по краям токовводными пластинами и изолированную от нагревателя кассету с исследуемыми веществами, размещенную в выполненном из рентгенопрозрачной керамики центральном сегменте ячейки, кассета состоит из четырех, запираемых крышками, вертикально расположенных друг над другом цилиндров, в каждом из которых выполнены три вертикальных отверстия для заполнения исследуемыми веществами, при этом плоскость, проходящая через центр всех отверстий цилиндров расположена перпендикулярно направлению прохождения рентгеновского луча, в нижней части центрального сегмента ячейки и нагревателя выполнено сквозное горизонтальное отверстие для размещения изолированных от нагревателя термоэлектродов термопары, спай которой расположен по оси нагревателя под кассетой с исследуемыми веществами.To achieve a technical result, a cell of a multi-punch apparatus, high pressure and temperature, made in the form of a five-segment octahedron with truncated fins and peaks of ceramic refractory material with low heat conductivity, contains a vertical cylindrical heater coaxially mounted in the three central segments of the octahedron with current-conducting plates placed at the edges and insulated from the heater, a cassette with the studied substances, placed in an X-ray ceramic made of c the neutral segment of the cell, the cassette consists of four lockable cylinders, vertically arranged one above the other cylinders, each of which has three vertical holes for filling with the investigated substances, while the plane passing through the center of all cylinder openings is perpendicular to the direction of the x-ray, in a horizontal horizontal hole is made in the lower part of the central segment of the cell and the heater to accommodate thermo-electrodes dough, the junction of which is located on the axis of the heater under the cartridge with the investigated substances.

Сущность полезной модели и примеры ее использования проиллюстрированы на фиг. 1-3. На фиг. 1 представлена схема предложенной ячейки многопуансонного аппарата высокого давления и температуры с одновременной загрузкой двенадцати образцов для исследований с использованием синхротронного излучения. На фиг. 2 - показан пример дифрактограмм металлов для Ag и W при 8.2 ГПа и 1000°C для загрузки с двенадцатью образцами. На фиг. 3 показан пример РТ-профиля эксперимента с несколькими циклами нагрева в интервале давлений 0-10 ГПа и 25-1600°CThe essence of the utility model and examples of its use are illustrated in FIG. 1-3. In FIG. 1 shows a diagram of the proposed cell of a multi-punch apparatus of high pressure and temperature with simultaneous loading of twelve samples for studies using synchrotron radiation. In FIG. 2 - shows an example of metal diffraction patterns for Ag and W at 8.2 GPa and 1000 ° C for loading with twelve samples. In FIG. Figure 3 shows an example of an RT profile of an experiment with several heating cycles in the pressure range 0-10 GPa and 25-1600 ° C

Ячейка (фиг. 1) представляет собой октаэдр с усеченными вершинами и ребрами. Керамический октаэдр состоит из пяти сегментов: двух крышек 1 с молибденовыми токовводными пластинами 2, двух промежуточных сегментов 3 и центрального сегмента 4. Сегменты 1 и 3 выполнены из полуспеченой ZrO₂ + 8%CaO, сегмент 4 - из MgO, прозрачного для рентгеновского излучения. Промежуточные и центральный сегменты ячейки имеют отверстие для цилиндрического нагревателя из графита 5. В центральном сегменте выполнены симметричные наклонные отверстия диаметром 0.7 мм для термоэлектродов термопары. Вход отверстия расположен в центре сегмента 4, а наклон отверстия выбран таким образом, чтобы спай термопары располагался по оси нагревателя под кассетой с исследуемыми веществами на уровне нижнего края центрального сегмента 4 (фиг. 1). Таким образом, термопара смещена от центра по вертикальной оси, чтобы находиться вне поля действия входящего рентгеновского луча. Термопара состоит из термоэлектродов двух составов W_97%Re_3% и W_75%Re_25%. Термоэлектроды термопары состоят из внешних 6 и внутренних 7 проволок. Внешние проволоки заводятся в ячейку через прокладки между пуансонами (не показаны) до электроизолирующей втулки из Al₂O₃ 8. Внутренние проволоки сложены вдвое и сочленены в виде петли. Место сочленения внутренних проволок соответствует вертикальной оси нагревателя. При сжатии ячейки внутренние проволоки в месте сочленения образуют рабочий спай термопары. Края внутренних проволок загнуты у торцов центрального сегмента 4, чтобы термопара не смещалась от центра ячейки. Внешняя и внутренняя проволоки совмещены внахлест в наклонных прорезях центрального сегмента ячейки. Такой способ соединения позволяет внешним проволокам скользить во время сжатия ячейки относительно внутренних проволок, не разрываясь под действием сильных деформаций на контакте ячейки и прокладки между пуансонами и не теряя контакта с внутренними проволоками. Электроизолирующая трубка из Al₂O₃ отделяет нагреватель от проволоки термопары. Графитовая кассета 9 вставляется внутрь нагревателя 5 и изолируется от него цилиндрической втулкой 10 из MgO или отожженного талька. Кассета и термопара изолируются от токовводных пластин термоизолирующими вставками из ZrO₂ 11.The cell (Fig. 1) is an octahedron with truncated vertices and edges. The ceramic octahedron consists of five segments: two covers 1 with molybdenum current-conducting plates 2, two intermediate segments 3 and a central segment 4. Segments 1 and 3 are made of semi-sintered ZrO ₂ + 8% CaO, segment 4 is made of MgO, transparent for x-ray radiation. The intermediate and central segments of the cell have an opening for a cylindrical heater made of graphite 5. Symmetrical inclined holes with a diameter of 0.7 mm are made in the central segment for thermocouple thermoelectrodes. The hole inlet is located in the center of segment 4, and the slope of the hole is selected so that the thermocouple junction is located along the axis of the heater under the analyte cassette at the level of the lower edge of the central segment 4 (Fig. 1). Thus, the thermocouple is offset from the center along the vertical axis to be outside the field of action of the incoming x-ray. The thermocouple consists of thermoelectrodes of two compositions W _97% Re _3% and W _75% Re _25% . Thermocouples thermocouples consist of external 6 and internal 7 wires. External wires are inserted into the cell through gaskets between punches (not shown) to an electrical insulating sleeve of Al ₂ O ₃ 8. The internal wires are doubled and articulated in a loop. The junction of the inner wires corresponds to the vertical axis of the heater. When the cell is compressed, the internal wires at the junction form a working junction of the thermocouple. The edges of the inner wires are bent at the ends of the central segment 4 so that the thermocouple does not move from the center of the cell. The outer and inner wires are overlapped in the inclined slots of the central segment of the cell. This connection method allows the outer wires to slip during compression of the cell relative to the inner wires, without breaking under the action of strong deformations at the contact of the cell and the gasket between the punches and without losing contact with the inner wires. An Al ₂ O ₃ electrical insulating tube separates the heater from the thermocouple wire. The graphite cartridge 9 is inserted inside the heater 5 and isolated from it by a cylindrical sleeve 10 of MgO or annealed talc. The cassette and thermocouple are isolated from the current-conducting plates by thermally insulating inserts from ZrO ₂ 11.

Кассета состоит из вертикальных цилиндров (цилиндрических таблеток) 12, запираемых крышками 13, в каждом из которых выполнены три вертикальных отверстия для заполнения исследуемыми веществами 14. Каждый блок кассеты имеет диаметр 3 мм и высоту 0.6 мм. В каждом цилиндре сделаны три отверстия для образцов диаметром 0.6 мм и расстоянием между ними 0.3 мм. Крышка имеет диаметр 3 мм и высоту 0.4 мм.The cartridge consists of vertical cylinders (cylindrical tablets) 12, locked by covers 13, each of which has three vertical holes for filling with the test substances 14. Each block of the cartridge has a diameter of 3 mm and a height of 0.6 mm. Three holes were made in each cylinder for samples with a diameter of 0.6 mm and a distance between them of 0.3 mm. The lid has a diameter of 3 mm and a height of 0.4 mm.

Сборку ячейки осуществляют в следующей последовательности. К крышкам ячейки 1 приклеивают токовводные пластины из молибдена 2, с краями, загнутыми и прижатыми к граням ячейки. В центральный сегмент 4 вставляется нагреватель 5, после этого на концы нагревателя с двух сторон надевают промежуточные сегменты 3 и закрепляют их на поверхности центрального сегмента 4 клеем. Точно по центру центрального сегмента и нагревателя выполнено наклонное отверстие диаметром 0.7 мм. Электроизолирующие втулки 8 надевают на концы внутренней проволоки термопары 7 и далее заводят внутрь ячейки через наклонные отверстия в сегменте 4. Спай термопары располагается по оси нагревателя, а внешние концы проволоки загибаются и закрепляются на торцах центрального сегмента ячейки. Далее в нагреватель вставляют нижний теплоизолирующий цилиндр из ZrO₂ 11. После этого к центральной части ячейки (состоящей из двух сегментов 3 и центрального сегмента 4) приклеивают нижнюю крышку 1 с токовводной пластиной 2 таким образом, чтобы пластина была перпендикулярна сквозному отверстию для термопары. Далее по обе стороны термопары размещают MgO вкладыши, изготовленные в форме полумесяцев толщиной 0.6 мм и диаметром 3,5 мм (не показаны на фиг. 1), чтобы заполнить пространство, остающееся по краям электроизолирующей втулки из Al₂O₃ 8. Перед вставкой кассеты с образцами в нагреватель помещают изолирующую втулку 10.The cell assembly is carried out in the following sequence. The current-conducting plates of molybdenum 2 are glued to the lids of the cell 1, with the edges bent and pressed to the edges of the cell. Heater 5 is inserted into the central segment 4, after which intermediate segments 3 are put on the ends of the heater on both sides and fixed to the surface of the central segment 4 by glue. Precisely in the center of the central segment and the heater, an inclined hole with a diameter of 0.7 mm was made. The insulating sleeves 8 are put on the ends of the inner wire of the thermocouple 7 and then lead inside the cell through the inclined holes in the segment 4. The junction of the thermocouple is located along the axis of the heater, and the outer ends of the wire are bent and fixed at the ends of the central segment of the cell. Next, the lower heat-insulating cylinder of ZrO ₂ 11 is inserted into the heater. After that, the lower cover 1 with the current-conducting plate 2 is glued to the central part of the cell (consisting of two segments 3 and the central segment 4) so that the plate is perpendicular to the through hole for the thermocouple. Next, MgO liners made in the form of crescents with a thickness of 0.6 mm and a diameter of 3.5 mm (not shown in Fig. 1) are placed on both sides of the thermocouple in order to fill the space remaining at the edges of the electrical insulating sleeve of Al ₂ O ₃ 8. Before inserting the cartridge with samples in the heater is placed an insulating sleeve 10.

Следующим этапом является подготовка кассеты с образцами и расположение ее в нагревателе. Образцы запрессовывают в пресс-формах и размещают в отверстиях графитовых цилиндров 12. После этого производят последовательную вставку деталей кассеты внутрь изолирующей втулки 10. Сначала вставляют крышку, затем цилиндр с образцами первого уровня. Для каждого цилиндра с образцами необходимо соблюдать следующее условие. Плоскость, проходящая через центр всех отверстий цилиндров с образцами, должна располагаться строго перпендикулярно направлению прохождения рентгеновского луча. Далее вставляют следующую крышку и цилиндр с образцами второго уровня и т.д. После этого вставляют верхние части ячейки: верхнюю теплоизолирующую втулку из ZrO₂ 11 и наклеивают верхнюю крышку 1 с токовводной пластиной 2. Заключительной процедурой перед помещением в блок из восьми кубических пуансонов является ввод внешней термопарной проволоки 6 в наклонное отверстие центрального сегмента 4 на расстояние до электроизолирующей втулки 8.The next step is to prepare the sample cartridge and place it in the heater. The samples are pressed into the molds and placed in the holes of the graphite cylinders 12. After this, the cartridge parts are sequentially inserted into the insulating sleeve 10. First, the cover is inserted, then the cylinder with first-level samples. For each cylinder with samples, the following condition must be observed. The plane passing through the center of all the holes of the cylinders with the samples should be located strictly perpendicular to the direction of passage of the x-ray beam. Next, insert the next cover and cylinder with samples of the second level, etc. After that, the upper parts of the cell are inserted: the upper heat-insulating sleeve of ZrO ₂ 11 and the upper cover 1 is glued with the current-conducting plate 2. The final procedure before putting into the block of eight cubic punches is to insert the external thermocouple wire 6 into the inclined hole of the central segment 4 to a distance from the electrically insulating bushings 8.

Устройство работает следующим образом. Собранную ячейку помещают в рабочую полость многопуансонного блока аппарата высокого давления (не показана). Путем медленной нагрузки гидравлического пресса на рабочий блок в течение 2-4 часов увеличивают давление до заданной величины. Далее при заданной нагрузке производят поступательный нагрев (со скоростью 50-100°C/мин.) до заданной температуры. В опытах, направленных на изучение уравнений состояния вещества, проводится дифракционная съемка через каждые 100-200°C с выдержкой при каждой температуре, достаточной для накопления качественной дифрактограммы с каждого образца, и несколькими циклами нагрева при последовательном ступенчатом сбросе давления.The device operates as follows. The assembled cell is placed in the working cavity of the multi-punch block of the high-pressure apparatus (not shown). By slowly loading the hydraulic press on the working unit for 2-4 hours, increase the pressure to a predetermined value. Then, at a given load, translational heating is performed (at a speed of 50-100 ° C / min.) To a predetermined temperature. In experiments aimed at studying the equations of state of a substance, a diffraction survey is performed every 100-200 ° C with exposure at each temperature sufficient to accumulate a high-quality diffraction pattern from each sample and several heating cycles with successive stepwise pressure relief.

Предложенное устройство было применено для исследования уравнений состояния широкого спектра металлов Al, Co, Ni, Cu, Nb, Mo, Ag, Ta, W, Re, Pt и их соединений в системах Fe-N, Fe-C, W-C. На фиг. 2 показаны дифрактограммы образцов Ag и W при 8.2 ГПа и 1000°C с выдержкой 180 секунд. Выполнение субпараллельности при размещении исследуемых веществ в расположенных друг над другом цилиндрах кассеты и отсутствие пересечения исследуемых веществ друг с другом в плоскости перпендикулярной направлению распространения рентгеновского луча обеспечивает возможность использования образцов достаточного размера, что позволяет получить качественные дифрактограммы, по которым можно рассчитать параметры элементарной ячейки. На фиг. 3 показан РТ-профиль эксперимента в интервале давлений 0.9-8.5 ГПа с одновременной загрузкой одиннадцати веществ и маркера давления (золото + MgO) с четырьмя циклами нагрева до 1600°C при давлениях около 8, 5, 3 и 1 ГПа. Давление в ячейке определяли по уравнению состояния золота [Sokolova T.S., Dorogokupets P.I., Dymshits A.M., Danilov, B.S., Litasov K.D. Microsoft excel spreadsheets for calculation of PVT relations and thermodynamic properties from equations of state of MgO, diamond and nine metals as pressure markers in high-pressure and high-temperature experiments // Computers and Geosciences, 2016, v. 94, p.162-169].The proposed device was used to study the equations of state of a wide range of metals Al, Co, Ni, Cu, Nb, Mo, Ag, Ta, W, Re, Pt and their compounds in Fe-N, Fe-C, W-C systems. In FIG. Figure 2 shows the diffraction patterns of Ag and W samples at 8.2 GPa and 1000 ° C with a holding time of 180 seconds. Performing subparallelism when placing the test substances in the cylinders of the cartridge located one above the other and the absence of the test substances crossing each other in a plane perpendicular to the direction of X-ray propagation makes it possible to use samples of sufficient size, which makes it possible to obtain high-quality diffraction patterns by which unit cell parameters can be calculated. In FIG. Figure 3 shows the RT profile of the experiment in the pressure range 0.9–8.5 GPa with the simultaneous loading of eleven substances and a pressure marker (gold + MgO) with four heating cycles to 1600 ° C at pressures of about 8, 5, 3, and 1 GPa. The pressure in the cell was determined by the equation of state of gold [Sokolova T.S., Dorogokupets P.I., Dymshits A.M., Danilov, B.S., Litasov K.D. Microsoft excel spreadsheets for calculation of PVT relations and thermodynamic properties from equations of state of MgO, diamond and nine metals as pressure markers in high-pressure and high temperature experiments // Computers and Geosciences, 2016, v. 94, p. 162-169].

Claims

A cell of a multi-punch apparatus of high pressure and temperature for the study of substances using synchrotron radiation in the form of a five-segment octahedron with truncated edges and vertices made of ceramic refractory material with low heat conductivity, containing a vertical cylindrical heater coaxially mounted in three central segments of the octahedron with current leads placed along the edges of the wires and an analyte cassette isolated from the heater, housed in X-ray transparent ceramics in the central segment of the cell, characterized in that the cassette consists of four lockable cylinders, vertically arranged one above the other cylinders, each of which has three vertical openings for filling with the substances under study, with the plane passing through the center of all cylinder openings perpendicular to the direction of passage of the x-ray, in the lower part of the Central segment of the cell and the heater there is a through horizontal hole for If thermocouples are isolated from the thermoelectrodes, the thermocouple junction is located along the axis of the heater under the cartridge with the test substances.