Temperatuur is moeilijk te meten, vooral in schokcompressie-experimenten. Een grote uitdaging is om rekening te houden met thermisch transport - de stroom van energie in de vorm van warmte.

Om deze uitdaging beter te begrijpen, onderzoekers van het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hebben belangrijke stappen genomen om aan te tonen dat thermische geleiding belangrijk en meetbaar is bij hoge druk en temperatuur in dit soort experimenten, volgens een recent gepubliceerd artikel in de Tijdschrift voor Toegepaste Natuurkunde . De auteurs van het artikel zijn David Brantley, Ryan Crum en Minta Akin.

"We hebben betere temperatuurmetingen nodig omdat het begrijpen van het hoge temperatuur- en drukgedrag van rotsachtige planetaire materialen essentieel is voor het ontwikkelen van betere modellen van de aarde en andere terrestrische exoplaneten, " zei David Brantley, LLNL-fysicus en hoofdauteur van het artikel.

Brantley zei dat, afhankelijk van hoe ijzer warmte geleidt bij de kerndruk en temperaturen van de aarde, de vaste binnenkern van de planeet zou ongeveer 500 miljoen tot enkele miljard jaar oud kunnen zijn.

"Grote onzekerheden in de gemeten temperaturen van ijzer in de kerncondities van de aarde maken het moeilijk om het temperatuurprofiel van de planeet precies te bepalen, " zei hij. "Met deze onzekerheden is geen rekening gehouden in eerdere temperatuurmetingen, en we ontdekten dat ze eerdere resultaten aanzienlijk kunnen vertekenen."

Om elk materiaal te beschrijven, onderzoekers hebben de staatsvergelijking nodig, die op vele manieren kan worden beschreven, maar de meest voorkomende is druk, volume en temperatuur.

"Experimenteel bepaalde en goed ingeperkte toestandsvergelijkingen zijn van cruciaal belang voor het voorspellend vermogen en de kwantificering van de onzekerheid van berekeningen van hydrocodes, "Zei Brantley. "Bij het verstrekken van realistische onzekerheden van gemeten schoktemperaturen, we bieden een betere greep op de inherente onzekerheid in onze staatsvergelijkingen."

Brantley zei dat het team de grootste bronnen van schoktemperatuuronzekerheid kwantificeerde en een duidelijk pad voorwaarts bood om de algehele temperatuuronzekerheid aanzienlijk te verminderen.

"Als gemeente we zijn behoorlijk goed geworden in het meten van druk en volume—temperatuur, niet zo veel, wat ons een onvolledige staatsvergelijking oplevert. Staatsvergelijkingen worden gebruikt in modellen, maar als ze onvolledig zijn, het model zal dat ook zijn."

Vanwege de korte tijdschalen van experimenten met schokcompressie, die minder dan 1 miljoenste van een seconde duren, de temperatuur wordt typisch gemeten door het licht te verzamelen dat door het hete monster wordt uitgezonden via optische pyrometrie. Voor ondoorzichtige materialen zoals ijzer, licht wordt alleen verzameld van het oppervlak van het monster. Vergelijkbaar met hoe het handvat van een kookpot koeler is dan het kookoppervlak, het oppervlak van het monster is meestal koeler dan het interieur. Echter, de binnen- of bulktemperatuur is nodig voor de toestandsvergelijking. De belangrijkste bron van onzekerheid in schoktemperatuurmetingen is de gevolgtrekking van de binnentemperatuur uit het licht dat door het oppervlak wordt uitgestraald.

Het verschil tussen de oppervlakte- en bulktemperatuur hangt af van hoe goed warmte door het monster wordt geleid, zoals thermische geleidbaarheid. De onzekerheid van de schoktemperatuurmeting met behulp van pyrometrie hangt af van de onzekerheid in de thermische geleidbaarheid van het monster bij de experimentele omstandigheden met hoge druk en temperatuur, onder andere. Verbeterde precisie bij thermische geleidbaarheidsmetingen bij hoge temperatuur en druk verbeteren eveneens de precisie bij de meting van de schoktemperatuur.

Bij drukken en temperaturen onder de binnenste kerngrens van de aarde, schoktemperatuurmetingen bieden een essentiële vergelijking met andere methoden. De drukken en temperaturen die haalbaar zijn in schokexperimenten gaan veel verder dan andere methoden, en schokexperimenten bieden momenteel de enige betrouwbare manier om drukken en temperaturen te bereiken die vergelijkbaar zijn met het interieur van superaarde en gasreuzen.

Onderzoeksteam voert werk uit in vier experimenten

Om de werkzaamheden uit te voeren, onderzoekers voerden vier experimenten uit die waren ontworpen om thermische geleiding te beperken op de typische tijdschaal van experimenten met schokcompressie.

Het team nam twee tin- en twee ijzermonsters, sputtercoating tot een dikte van 5 micrometer op lithiumfluoride (LiF) ramen, die vervolgens in contact werden gebracht met ongeveer 2 millimeter dikke ijzeren grondplaten. De grondplaat diende als koellichaam voor de hetere tinmonsters. Omdat de grondplaat veel kouder was dan tin, de tintemperatuur had moeten dalen, zoals in de experimenten werd waargenomen. De temperaturen van het ijzermonster kwamen ongeveer overeen met de temperatuur van de grondplaat voor de experimenten met ijzermonsters, dus werd verwacht dat de ijzertemperatuur in evenwicht zou komen.

Simulaties toonden aan dat de temperatuur van de ijzeren grondplaat het dichtst bij het monster hoger zou kunnen zijn dan verwacht. Omdat ijzer warmte minder goed geleidt dan tin, de temperatuurverandering werd pas veel later in het experiment verwacht (aan het grensvlak). Aangezien deze temperatuurverandering niet werd waargenomen, het vestigde een bovengrens op de thermische geleidbaarheid van ijzer.

De vier doelwitassemblages werden in serie geschokt onder experimentele omstandigheden met behulp van koperen plaatimpactors in de JASPER-faciliteit voor lichte gaskanonnen van LLNL. Optische pyrometrie met hoge precisie werd gebruikt om de interfacetemperaturen van het monstervenster te bepalen, en Photon Doppler Velocimetry (PDV) werd gebruikt om de druk te bevestigen, samen met hydrodynamische simulaties.

De LiF-vensters dienden om hoge druk- en temperatuuromstandigheden te handhaven en een transparant medium te bieden om licht van het monsteroppervlak te verzamelen. Er werd gekozen voor tin omdat het veel heter is dan ijzermonsters bij vergelijkbare ringdowndrukken in het LiF-venster.

"LiF-temperatuur is niet goed bekend, dus door tin en ijzeren doelen te schokken tot vergelijkbare druk in het LiF-venster, we krijgen vergelijkbare raamtemperaturen voor de verschillende doelen, ' zei Brantley.

De ijzeren grondplaat diende als koellichaam voor de hetere tinmonsters, die voldoende dun waren om significant diffuus thermisch transport mogelijk te maken. De ijzermonsters dienden als een basislijntemperatuurgeschiedenis om te testen op equilibratie van de waargenomen temperaturen van tinmonsters.

Bevindingen zijn tweeledig

Brantley zei dat er twee belangrijke bevindingen in het werk werden gemeld. Eerst, een vergelijking van de waargenomen tin-interfacetemperatuur met de bijna-evenwichtige ijzer-interfacetemperatuur stelde het team in staat om de karakteristieke tijdschaal van thermische ontspanning te beperken.

"Deze observatie opent de mogelijkheid van een nieuw type experimenteel platform om thermische transportparameters van monsters te bepalen in schokcompressie-experimenten met behulp van de relatieve temperatuur-tijdgeschiedenis van het monster, "Zei Brantley. "Zo'n platformontwerp zou kunnen worden gebruikt bij elke dynamische compressiefaciliteit die meerdere pyrometriesystemen kan accommoderen."

De tweede belangrijke bevinding was het belang van het beperken van de systematiek om nauwkeurige temperatuurresultaten te krijgen. Systematische effecten bleken in richting te variëren met een grootte gelijk aan of groter dan de experimentele onzekerheid. Verder, deze systematiek waren modelafhankelijk, wat betekent dat alleen de modelkeuze de bulktemperatuur kan beïnvloeden. Het is van vitaal belang dat de uiteindelijke temperatuurresultaten worden gecorrigeerd voor de meest significante systematische bijdragen, bleek uit het onderzoek.