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二所中子衍射原位高压加载技术获得重要突破

发表于:2019-08-06 12:23 来源:本站原创

二所中子衍射原位高压加载技术获得重要突破

  近日,二所在中国绵阳研究堆中子科学平台上成功获得了30GPa的中子衍射原位高压加载实验数据,目前国际上先进中子源在同等加载力和同等样品尺寸上的最高压力为26GPa的,标志着二所209室高压团队中子衍射原位高压加载能力达到国际领先水平。

  高压中子衍射谱仪团队近年来在高压中子衍射谱仪(凤凰)升级、在线高压加载装置能力的建设、高压压砧及组装等方面都开展了大量的工作。

在谱仪方面,通过对高压中子衍射谱仪(凤凰)的聚焦导管、单色器、电子学与屏蔽等方面的升级改造,使样品处的束流强度提高20倍,使谱仪获得了开展高压实验(测试小样品的能力)的能力;在压机方面,研制了与高压中子衍射谱仪匹配的系列在线高压加载装置(30吨、150吨/带加热系统、200吨)和样品定位系统,实现了高压加载和样品定位的精确控制、全自动控制与远程控制;在材料方面,与四川大学贺端威教授合作,研制了大尺寸高硬度聚晶金刚石压砧,通过大量实验测试选取不同封垫材料、优化布局,最终实现了具有强支撑能力、可阻止样品侧向流动的高压组装。

  研究人员通过这一系列的改进和努力,最终利用PE压机(最大为200吨)所产生的150吨加载力,获得了最高在30GPa压力下Ni的中子衍射谱,如图所示,实现了30GPa的中子衍射原位高压加载能力。

实验样品体积为12mm3,略大于美国SNS获得26GPa的样品体积。 标压结果显示产生的压力与负载有很好的线性关系,说明压力具有进一步提高的能力。 根据标压结果,预计负载达到200吨时,可产生40GPa的压力。     高压中子衍射谱仪上获得的30GPa压力下的中子衍射谱(2018年9月13日)  世界上几乎所有先进的中子源都建有专门的高压线站或者原位高压加载装置。

相对同步辐射上X射线、中子源的中子束流通量很低,只能对大体积的样品进行探测,大体积的样品制约了高压力的产生,所以堆中子源的高压线站上最高压力范围一般为10-20GPa。

美国散裂中子源(SNS)是全世界产生中子通量最高的中子源,其高压线站所能达到的压力范围如下表所示。

他们利用大单晶的碳化硅或者金刚石做为压砧,利用其特有的高通量中子束流,实现了30GPa以上甚至90GPa的中子衍射高压加载能力。 但由于样品体积太小(以下),对大部分样品都不适用,且实验成功率很低,无法对用户开放。 因此,美国SNS中子衍射的最高压力为26GPa,样品体积为10mm3。     美国SNS与CMRR中子衍射高压加载能力(压机、压砧、应用领域、样品尺寸)一览  本工作是在中物院中子物理学重点实验室课题(2014AB02)、国家自然科学基金重大科学仪器专项(11427810)等项目支持下进行的。

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