Ученые МНИЦ «Когерентная рентгеновская оптика для установок Мегасайенс» (МНИЦ РО) совместно с коллегами из Института кристаллографии им. А. В. Шубникова (ИК РАН) и Европейского Центра Синхротронного Излучения (ESRF) опубликовали статью по результатам исследования качества кристаллической структуры алмазной наковальни, используемой в ячейках для создания высоких статических давлений. Работа «X-ray diffraction imaging of the diamond anvils based on the microfocus x-ray source with a liquid anode» была опубликована в престижном американском журнале Review of Scientific Instrumetns.
Физика высоких давлений является быстроразвивающейся междисциплинарной областью науки, изучающей структурные, электрические и магнитные свойства веществ, зависящие от оказываемого на их давления. Эксперименты в данной области позволяют моделировать условия, нетипичные для нашей повседневной жизни и тем самым ответить на вопрос каким будет вещество, например, в центре Земли или других небесных тел. Поэтому получаемые результаты играют важную роль в области прикладной физики, материаловедении, химии твердого тела, биологи, археологии и, конечно, наук о Земле. Заглянуть в вещество, сжатое и разогретое до колоссальных давления и температуры, позволяет синхротронное излучение, которое генерируется в современных циклических ускорителях при повороте заряженных частиц в магнитном поле. В связи с высокой значимостью данного направления исследований одна из шести синхротронных станций первой очереди строящейся мегасайнс установки СКИФ (г. Новосибирск) будет оснащаться оборудованием, обеспечивающим многостороннее сжатие объемных образцов.
Создание высоких статических давлений производится за счет использования различных устройств от многотонных прессов до компактных ячеек с алмазными наковальнями (см.рисунок). Последние являются рекордсменами из-за очень маленькой площади воздействия на образец (от десятков до нескольких сотен квадратных микрометров).
Принципиальная схема ячейки с алмазными наковальнями и фотография ячейки с помещенным внутрь образцом.
Благодаря этому с помощью таких ячеек удается достичь давлений в 1 ТПа, что в 10 миллионов раз больше атмосферного. Помимо исследуемого образца компрессионную нагрузку испытывают и сами алмазные наковальни. При этом наличие в них дефектов кристаллической структуры, особенно вблизи граней, контактирующих с образцом, негативно сказывается на их прочности. Это приводит к преждевременному разрушению кристаллов при увеличении давления в процессе эксперимента. Как правило, исследование самих наковален производится на синхротронах методом рентгеновской топографии, который позволяет выявлять не только бездефектные кристаллы, но и исследовать зависимость между характером дефектов и максимальным давлением, которое может выдержать наковальня. Однако, исследователям из МНИЦ РО удалось впервые реализовать такой эксперимент в лабораторных условиях на уникальной научной установке «SynchrotronLike». Благодаря рентгеновскому источнику с жидким анодом и высокоразрешающей камере удалось получить изображения (топограммы) таких дефектов как полосы роста и дислокации с пространственным разрешением 5 и 1.5 мкм.
Топограмма всей наковальни (слева) и её кончика (справа). Не левом изображении наблюдаются полосы роста и дислокации, а на правом граница секторов роста, проходящая сквозь кончик наковальни.
Александр Баранников, аспирант МНИЦ РО:
«Синхротроны предоставляют уникальные возможности для проведения экспериментов. Однако, чтобы попасть на такие установки необходимо пройти сложную процедуру конкурсного отбора из-за чего с момента подачи заявки до самого эксперимента может пройти целый год. При этом довольно часто можно получить отказ, потому что пучковое время было отдано на более приоритетные исследования. В этом плане лабораторные источники, несмотря на менее интенсивное излучение более доступны, что позволяет получать предварительные результаты еще до поездки на «большие источники». Результаты, получаемые на установке «SynchrotronLike» на протяжении нескольких лет, демонстрируют возможность переноса некоторых типов исследований с синхротрона в лабораторию. В этот раз нам удалось методом рентгеновской топографии проверить качество кристаллической структуры алмазной наковальни, которая является практически самым основным элементом ячеек для создания высоких давлений. При этом, несмотря на относительно долгое время накопления данных, пространственное разрешение собранной оптической схемы оказалось ничуть не хуже, чем на синхротроне».
Анатолий Снигирев директор МНИЦ РО:
«Исследования российских ученых в области физики высоких давлений находятся на самом передовом мировом уровне. Здесь активно работает не менее 10 групп, занимающихся исследованием вещества в экстремальных условиях с использованием метода алмазных наковален. До недавнего времени эксперименты проводились главным образом на зарубежной синхротронной инфраструктуре. Большой проблемой стало ограничение доступа российских учёных к зарубежным установкам. В этой связи поиски любых возможностей проведения подготовительных работ в лабораторных условиях создают основу успешных исследований на отечественных источниках, таких как Курчатовский Источник Синхротронного Излучения (КИСИ) в настоящее время и Сибирский кольцевой источник фотонов (ЦКП «СКИФ») в будущем.»
Данное исследование было поддержано из средств программы стратегического академического лидерства “Приоритет 2030” БФУ им. И. Канта
