Den diamant ambolt celle er en eksperimentell anordning som gjør at et materiale som skal utsettes for meget høye trykk og temperaturer og for å utføre en rekke fysiske målinger som under disse betingelser.
Dens ytelse og relative brukervennlighet har gjort det til en viktig enhet i studier av oppførselen til materialer under høyt trykk. Det er spesielt mye brukt i geologi der forholdene som finnes i jordens kappe kan reproduseres.
Begrepet er også funnet innskrevet diamond ambolt celle ( engelsk : diamond ambolt celle eller DAC ) eller diamond ambolt trykk også skrevet diamant ambolt trykk )
DAC ble utviklet i USA i 1958 og teknikken for måling av trykk ved fluorescens av rubin i 1972 . Begge disse teknikkene ble utviklet ved National Bureau of Standards (NBS), nå kjent som National Institute of Standards and Technology (NIST), av Charles E. Weir , Alvin Van Valkenburg , Ellis R. Lippincott og Elmer N. Bunting .
NBS er en amerikansk føderal institusjon, og Alvin Van Valkenburg skaffer gratis diamanter for å designe sin ambolt. Disse diamantene ble konfiskert av den amerikanske regjeringen fra diamantsmuglere. Dette er viktig fordi utviklingen av diamantamboltcellen absolutt ville blitt bremset hvis forskere hadde blitt tvunget til å betale for diamantene, ettersom ganske mange ble ødelagt før de med hell kunne designe et arbeidsinstrument.
På 1970-tallet ble det opprettet i universitetslaboratorier med utstyr for lavere trykk som brukes til prøver med større volumer: fleramboltpresser (in) , stempelsylindresystemer. Kobling med en kontinuerlig infrarød laserstråle for gradvis å øke temperaturen utviklet på 1990-tallet.
Den trykk er en kraft påført på en overflate , er formelen:
For å oppnå høyt trykk kan vi handle på to aspekter:
Diamantambolten spiller hovedsakelig på dette andre aspektet ved å redusere overflatearealet. Dermed påføres en stor kraft over et lite område, og produserer høyt trykk.
Prøven som skal studeres plasseres i en metallhylse (eller pakning ) for å sikre tettheten av mediet, og to diamanter fungerer som ambolter ved å trykke prøven.
The diamond har flere egenskaper som gjør det ideelt for denne typen bruk:
Dermed kan man oppnå trykk på opptil 425 GPa (4,25 millioner ganger atmosfæretrykk ) og temperaturer på 5000 Kelvin (over 4700 ° C ).
De to motsatte diamantene er vanligvis kuttet av natursteiner uten feil, men syntetiske diamanter (monokrystallinske eller nanokrystallinske) brukes også. Ofte i et strålende snitt med 16 fasetter, veier de vanligvis mellom 1/8 og 1/3 av en karat (25 til 70 mg ). Sylinderhodet (spissen) er kuttet og polert parallelt med bordet (motsatt side), og dets diameter (så vel som sideforholdet til bordet) er grunnleggende for å bestemme celleens maksimale arbeidstrykk. Hodene til de to diamantene må være justert optisk for å garantere deres parallellitet. Spesifikasjonene til diamanter inkluderer ofte begrensninger for deres optiske absorpsjon eller fluorescensegenskaper som må tilpasses i henhold til eksperimentene som skal utføres.
Tetningen er laget av rustfritt stål , berylliumbronse eller rhenium for veldig høyt trykk.
Vi starter med et tykkelsesstykke 100 til 250 mikrometer som først er innrykket mellom de to diamantene, og reduserer tykkelsen til mellom 30 og 80 mikrometer. Et hull (trykkammeret) blir deretter boret i tetningen med en mikrobor eller ved gnist erosjon . Hullets diameter er åpenbart mindre enn den innrykkede delen av pakningen. Generelt sett er de minste hullene de mest stabile.
For å sikre så hydrostatiske trykkforhold som mulig, er det nødvendig å bade prøven i et trykkoverførende medium. Et ideelt overføringsmedium må forbli flytende og ikke forstyrre målingene som skal utføres, og dette over hele utforsket trykk- og temperaturområde.
Det beste overføringsmediet er edelgasser . De må innføres i flytende tilstand i trykkammeret. For argon og krypton er det mulig å fortsette bare ved omgivelsestrykk ved kondensering ved hjelp av flytende nitrogen . På den annen side må en helium- eller neonbelastning gjøres under et trykk på 100 til 200 MPa ved bruk av en kompressor. Alle disse gassene stivner ved relativt lavt trykk, men danner veldig myke faste stoffer som gir god hydrostatikk .
Et annet veldig vanlig overføringsmedium er en blanding av etanol og metanol i forholdet 1: 4. Denne, væske ved romtemperatur, stivner ved rundt 10 GPa og kan forårsake store trykkgradienter i kammeret. Det brukes likevel ofte til målinger ved lavt trykk. Visse faste medier (CsJeg, KBr) brukes noen ganger også.
Måling av trykket som ble utøvd på prøven var i lang tid et stort problem som bremset bruken av diamantambolter. Kalibreringen av utviklingen av en stripe fluorescens av rubin avhengig av trykket i slutten av 1970-tallet har gjort det mulig å fjerne denne hindringen og bidratt til utviklingen av denne teknikk.
I dag utføres måling av trykket som utøves i kammeret på to måter:
Gode standarder for denne typen målinger er krystaller eller pulver som holder seg stabile i området for trykk og temperaturer.
Cellen oppvarmes av resistive ovner for temperaturer opp til 1500 Kelvin (litt over 1200 ° C ) eller 2000 Kelvin (litt over 1700 ° C ), avhengig av oppsettet. Med denne teknikken måles temperaturen med et termoelement .
Denne teknikken kan ikke brukes utover det, fordi diamanten deretter blir grafitt . For høyere temperaturer bruker vi de optiske egenskapene til diamant som gjør den gjennomsiktig for en stor del av det elektromagnetiske spekteret . Dette er hvordan strålen til en kraftig infrarød laser er rettet mot prøven og passerer gjennom diamanten uten å overopphetes. Dermed kan temperaturer opp til 4000 Kelvin ( 3700 ° C ) nås. I dette tilfellet måles temperaturen ved å studere lyset som prøven sender ut.