Een nieuw supersnel hogedrukapparaat bij DESY's röntgenlichtbron PETRA III stelt wetenschappers in staat aardbevingen en meteorietinslagen realistischer te simuleren en te bestuderen in het laboratorium. De nieuwe generatie dynamische diamanten aambeeldcel (dDAC), ontwikkeld door wetenschappers van het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), DESY, de Europese Synchrotron Stralingsbron ESRF, en de universiteiten van Oxford, Bayreuth en Frankfurt/Main, comprimeert samples sneller dan enig ander vergelijkbaar apparaat. Het instrument kan de druk verhogen met een recordsnelheid van 1,6 miljard atmosfeer per seconde (160 terapascal per seconde, TPa/s) en kan worden gebruikt voor een breed scala aan dynamische hogedrukstudies. De ontwikkelaars presenteren hun nieuwe apparaat, dat zijn capaciteiten al heeft bewezen in verschillende materiaalexperimenten, in het journaal Beoordeling van wetenschappelijke instrumenten .

"Al meer dan een halve eeuw is de diamanten aambeeldcel of DAC het belangrijkste hulpmiddel om statische hoge drukken te creëren om de fysica en chemie van materialen onder die extreme omstandigheden te bestuderen, bijvoorbeeld om de fysieke eigenschappen van materialen in het centrum van de aarde op 3,5 miljoen atmosfeer te onderzoeken, " zei hoofdauteur Zsolt Jenei van LLNL. Om snelle dynamische processen zoals aardbevingen en asteroïde-inslagen realistischer te simuleren met hoge compressiesnelheden in het laboratorium, Jenei's team, in samenwerking met DESY-wetenschappers, heeft nu een nieuwe generatie dynamisch aangedreven diamanten aambeeldcellen (dDAC) ontwikkeld, geïnspireerd door het baanbrekende originele LLNL-ontwerp, en gekoppeld aan de nieuwe snelle röntgendiffractie-opstelling van de Extreme Conditions Beamline P02.2 bij PETRA III.

De nieuwe dynamische diamanten aambeeldcel bestaat uit twee kleine gemodificeerde briljante diamanten die tegen elkaar worden gedrukt door een krachtige piëzo-elektrische aandrijving. Dankzij verbeteringen zoals de veel sterkere piëzo-actuatoren en snelle, versterkers met hoge piekstroom het nieuwe apparaat is in staat om de kleine monsters tussen de diamanten aambeelden meer dan duizend keer sneller te comprimeren dan eerdere instrumenten.

Om de veranderingen in fysische eigenschappen van materialen onder hoge druk te bestuderen, wetenschappers schijnen röntgenstralen op de kleine monsters en registreren de manier waarop de röntgenstralen door het materiaal worden afgebogen. Deze diffractiepatronen maken het mogelijk om de inwendige structuur van het materiaal te berekenen. Echter, om snapshots te maken van snelle dynamische processen, de röntgenflits moet helder genoeg zijn en de camera, de detector, moet snel genoeg zijn.

"Al bijna tien jaar sinds de eerste uitvinding van de dDAC in ons laboratorium, het was buitengewoon moeilijk om snelle diffractie-experimenten uit te voeren vanwege het gebrek aan fotonenflux en, belangrijker nog, snelle en zeer gevoelige röntgendiffractiedetectoren met hoge energie, ", legt Jenei uit. Alleen met de komst van de extreem heldere derde generatie röntgenbronnen zoals PETRA III en de ontwikkeling van zeer gevoelige camera's zoals de gallium-arsenide (GaAs) Lambda-detector, uitgevonden door de DESY-detectorgroep, werd het mogelijk om diffractiebeelden te verzamelen met voldoende korte belichtingstijden en temporele resolutie.

De Extreme Conditions Beamline (ECB) bij DESY heeft 's werelds eerste twee GaAs Lambda-detectoren. "Door ze te activeren met een vertraging van 0,25 milliseconden, we kunnen tot 4000 frames per seconde verzamelen, " zei Hanns-Peter Liermann, de beamline-wetenschapper die verantwoordelijk is voor de ECB. De detectoren werden gefinancierd via een gezamenlijk onderzoeksproject dat is toegekend door het Duitse federale ministerie van Onderwijs en Onderzoek BMBF aan de Goethe-universiteit Frankfurt, waar Björn Winkler de hoofdonderzoeker is.

Onderzoekers die aan het project werken, hebben de prestaties en veelzijdigheid van de experimentele opstelling aangetoond met snelle compressiestudies van zware metalen zoals goud en bismut, evenals lichte verbindingen zoals ijs (H2O), en planetaire materialen zoals ferroperiklaas ((Mg0.8Fe0.2)O). Tijdens het uitvoeren van snelle diffractie-experimenten op goud, het team toonde een toename van de druk van 1000 atmosfeer tot 1, 400, 000 atmosfeer in slechts 2,5 milliseconden (duizendste van een seconde), wat resulteert in een maximale compressiesnelheid van 160 TPa/s. Gedurende deze extreem korte tijd, de detectoren verzamelden acht diffractiepatronen over het volledige compressiepad.

"We zijn van mening dat we met de bestaande opstelling de compressiesnelheden kunnen verbeteren tot misschien wel duizenden terapascals per seconde, " zei Liermann. Echter, hiervoor zijn nog helderdere röntgenflitsen en nog snellere camera's nodig, zoals door beide wordt geleverd, de geplande upgrade van PETRA III naar een röntgenbron van de volgende generatie PETRA IV en het High Energy Density-experimentstation (HED) bij de Europese röntgenlaser European XFEL, waar DESY deelneemt aan het bouwen van een dDAC-opstelling als onderdeel van het Helmholtz International Beamline for Extreme Fields (HIBEF) consortium.