Zurab Shermadini, Rustem Khasanov, Matthias Elender en Alex Amato van PSI hebben gekeken naar het ontwerp van een dubbelwandige zuiger-cilinder-drukcel die speciaal is ontworpen voor experimenten met muon-spin-rotatie (μSR).

De eerste stap was om zowel de binnen- als buitencilinders van een dubbelwandig drukcelontwerp te maken van koperberyllium (CuBe), een veel voorkomende legering die wordt gebruikt voor μSR-drukcellen. Dit materiaal heeft goed gedefinieerde lage-achtergrondbijdragen aan het μSR-signaal die bijna temperatuuronafhankelijk zijn en daarom gunstig voor gebruik in μSR-onderzoeken bij lage temperaturen. De mechanische eigenschappen werden vervolgens geanalyseerd met behulp van de eindige-elementenanalyse (FEA)-software ANSYS die optimalisatie van de celafmetingen mogelijk maakte om te proberen de hoogst mogelijke druk te bereiken terwijl experimenten veilig bleven.

Er werd een prototype gebouwd dat een druk van ongeveer 18 kbar mogelijk maakte, in overeenstemming met de ANSYS-simulaties, maar na een derde opeenvolgende druktoepassing, de buitenste cilinder brak toen de spanningen zich daarin ophoopten.

Om het ontwerp te verbeteren, een tweede prototype werd geconstrueerd met behulp van een andere niet-magnetische legering die gewoonlijk wordt gebruikt voor μSR-drukcellen:MP35N. Dit materiaal werd gebruikt voor de buitenste cilinder in plaats van de CuBe. Uit tests bleek dat een druk van ~2,6 GPa kon worden bereikt zonder onomkeerbare schade aan de cel. Gelukkig, omdat de muonen tijdens experimenten voornamelijk in de CuBe-binnencilinder stoppen, was er nog steeds een SR-signaal met een lage achtergrond, ondanks de verandering in materiaal van de buitenste cilinder.

Het werk is nu gepubliceerd in het Journal of High Pressure Research en μSR-gebruikers hebben nu toegang tot een pistoncel voor μSR-technieken die een druk bereikt die 1,5 keer hoger is dan voorheen mogelijk was.