激光加温DAC径向X射线衍射技术

2013-04-09  来源:

  立项年度:2010     负责人:李晓东

  完成年度:2011     完成单位:中国科学院高能物理研究所

  一、科学意义、主要作用:

  高温高压下的X射线衍射研究可以测量物质的晶体结构相变、状态方程、熔化曲线、热膨胀系数、弹性、织构、流变等性质。研究领域主要涉及材料、地学、物理、化学、国家安全等相关研究,尤其适用于多学科交叉的研究。

  基于DAC的径向X射线衍射,可以测量材料在高压下的强度、织构、弹性和塑性参数等。这些信息对材料基本物理性质测量、材料服役能力、地质矿物成因、地球科学研究都有着重要的意义。项目完成后的“激光加温DAC径向衍射实验技术”对研究高温高压条件下材料的强度、织构、弹性、塑性等性质提供更为直接和有力的工具。特别是在模拟地球内部高温高压环境上有着不可比拟的优势。

  二、仪器部件构成(一到两张图片):

  

  

  图一径向衍射激光加温系统光路图。

  激光加温DAC径向衍射技术的开发是在高压实验站原有的激光加温光路基础上,结合同步辐射角色散X射线衍射系统,经过必要的改进和升级实现的。在光路总体布局阶段,我们在常规加温方式的基础上根据实验站现有设备和空间,对激光加温光路的上游(Upstream)和下游(Downstream)聚焦光束传输路径进行了修改(如图一所示),并按照实际尺寸规划了主要光学元件布局。

  

  

  图二激光加温系统上游加温光路聚焦镜工作位置

三、主要指标或先进功能性

通过2011年11月专用光期间的实验测试可知,项目申请时所设定的三个指标均已实现:利用激光加温DAC径向衍射技术,已经实现了同时达到2000K温度及30GPa压力,实现了双面测温,并可以控制样品两侧温度梯度小于10%,完成了原位高温高压径向衍射实验。但是,因为在线原位激光加温径向衍射实验难度比较高,因此实验成功率较低,这也是我们需要努力提高的地方。

四、在科研工作中发挥的作用

项目完成之后,根据用户的课题需求安排了部分实验,并有一些结果已经整理为文章进行发表。

已完成的样品、压力及温度范围如下:

  样品名称

  压力范围

  温度范围

  已发表

  Er2O3

  30.1 GPa

  1500-2000 K

  EuInO3

  22.3 GPa

  1500-2000 K

  Gd3Sc2Ga3O12

  24-60 GPa

  1500-2000 K

  *

  Eu3Ga5O12

  24.2 GPa

  1500-2000 K

  GdMnO3

  50.1 GPa

  1500-2000 K

  **

  ErMnO3

  17.2 GPa

  1500-2000 K

  ***

  GdInO3

  16 and 32 GPa

  1500-2000 K

  * Chuanlong Lin, Jing Liu, Jung-Fu Lin, Xiaodong Li, Yanchun Li, Qingli Zhang, Lun Xiong, and Rui Li. Garnet-to-Perovskite Transition in Gd3Sc2Ga3O12 at High Pressure and High Temperature. (accepted by Inorg. Chem. (2012), DOI: 10.1021/ic302245x)

  ** Chuanlong Lin, Yufeng Zhang, Jing Liu, Xiaodong Li, Yanchun Li, Lingyun Tang, and Lun Xiong. Pressure-induced structural change in orthorhombic perovskite GdMnO3. J. Phys.: Condens. Matter 24, 115402 (2012).

  *** Chuanlong Lin, Jing Liu, Xiaodong Li, Yanchun Li, Lun Xiong, and Rui Li. Phase transformation in hexagonal ErMnO3 under high pressure. J. Appl. Phys. 112, 113512 (2012)

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