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  • 强大如斯!这种设备能以每秒:16亿大气压的速度压缩样品

    在DESY的x射线光源PETRA III上,一种新的超高速高压设备可以让科学家在实验室中更真实地模拟和研究地震及小行星撞击。新一代动态金刚石砧芯(dDAC)由劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)、DESY、欧洲同步加速器辐射源ESRF以及牛津大学、拜罗伊特大学和法兰克福/Main大学的科学家开发,比以往任何类似设备压缩样品的速度都要快。该仪器能以创纪录的16亿大气压/秒(TPa/s)的速度提高压力,可用于大范围的动态高压研究。

    强大如斯!这种设备能以每秒:16亿大气压的速度压缩样品

    开发人员在《科学仪器评论》上展示了他们的新设备,该设备已经在各种材料实验中证明了它的能力。来自LLNL的首席作者Zsolt Jenei说:半个多世纪以来,金刚石砧芯或DAC一直是制造静态高压的主要工具,用于研究在那些极端条件下材料的物理和化学性质,例如探索地球中心350万大气压下材料的物理特性。为了在实验室中更真实地模拟地震和小行星撞击等快速动态过程,并获得更高的压缩率,Jenei团队与DESY的科学家合作。

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    受开创性原始LLNL设计的启发,现在开发了新一代动态驱动金刚石砧芯(dDAC),并将其与PETRA III的Beamline P02.2极端条件下新的快速x射线衍射设置相结合。新动态金刚石砧单元由两个小的修改辉煌的钻石,由一个强大的压电电力驱动推到一起。由于改进,如更强的压电驱动器和快速,高峰值电流放大器,新设备能够压缩钻石砧之间微小样本比以前的仪器快一千多倍。为了研究材料在高压下物理性质的变化,科学家们用x射线照射小样本,并记录x射线被材料衍射的方式。

    强大如斯!这种设备能以每秒:16亿大气压的速度压缩样品

    这些衍射图样可以用来计算材料的内部结构。然而,要拍摄高速动态过程的快照,x射线闪光必须足够亮,而相机(探测器)必须足够快。自从dDAC在实验室首次发明以来,近十年来,由于缺乏光子通量和更重要的快速、高灵敏度的高能x射线衍射探测器,进行快速衍射实验变得极其困难。只有随着像PETRA III这样非常明亮的第三代x射线源出现,以及像DESY探测器组发明的砷化镓(GaAs) Lambda探测器这样的高灵敏度相机发展,才有可能收集具有足够短曝光时间和时间分辨率的衍射图像。

    DESY极端条件波束线(ECB)拥有世界上最早的两个GaAs Lambda探测器。负责欧洲央行的beamline科学家汉斯-彼得•利尔曼(hans - peter Liermann)表示:通过延迟0.25毫秒触发它们,每秒能够收集多达4000帧图像。探测器是由德国联邦教育和研究部BMBF授予法兰克福歌德大学的一项联合研究项目资助。该项目的研究人员通过对金、铋等重金属、冰(H2O)等轻化合物以及铁周长石(Mg0.8Fe0.2)O等行星材料的快速压缩研究,证明了该实验装置的性能和通用性。

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    在对金进行快速衍射实验的过程中,研究小组发现压力在2.5毫秒内就从1000个大气压增加到了140万个大气压,最大压缩速率为160 TPa/s。在这极短的时间内,探测器在整个压缩路径上收集了8个衍射图样。相信,利用现有的设备,可以把压缩速率提高到每秒几千兆帕。然而,这将需要更明亮的x射线闪光和更快的照相机,如计划将PETRA III升级为下一代x射线源PETRA IV和欧洲x射线激光器欧洲XFEL的高能密度实验站(HED), DESY正在参与建立一个dDAC装置,作为Helmholtz国际极限场束线(HIBEF)的一部分。

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