Введение
Издательская компания. Многоановочный пресс, или ановочный пресс, – это тип устройства, связанный с машинным прессом, который используется для создания чрезвычайно высокого давления в малом объеме. Многоановочные прессы применяются в материаловедении и геологии для синтеза и изучения различных фаз материалов при экстремальном давлении, а также для промышленного производства ценных минералов, особенно синтетических алмазов, поскольку они воспроизводят давление и температуру, существующие в глубинах Земли. Эти приборы позволяют одновременно сжимать и нагревать твердофазные образцы размером в миллиметры, такие как горные породы, минералы, керамика, стекло, композитные материалы или металлы, и способны достигать давлений выше 25 ГПа (около 250 000 атмосфер) и температур, превышающих 2500 °C. Это позволяет физикам-минералогам и петрологам, изучающим недра Земли, экспериментально воссоздавать условия, существующие в литосфере и верхней мантии – области, простирающейся от поверхности до глубины 700 км. Помимо сжатия образца, в ходе эксперимента через печь внутри установки пропускается электрический ток для достижения температуры до 2200 °C. Хотя алмазные ячейки с наковальнями и легкие газовые пушки позволяют достигать еще более высоких давлений, многоановочный аппарат может вмещать гораздо более крупные образцы, что упрощает подготовку образцов и повышает точность измерений и стабильность экспериментальных параметров. Многоановочный пресс – относительно редкий исследовательский инструмент. Два пресса Национальной лаборатории Лоуренса Ливермора использовались для различных исследований свойств материалов, включая диффузию и деформацию керамики и металлов, изучение глубокофокусных землетрясений и устойчивость минеральных фаз при высоких давлениях.
A multi anvil press, or anvil press is a type of device related to a machine press that is used to create extraordinarily high pressures within a small volume. Anvil presses are used in materials science and geology for the synthesis and study the different phases of materials under extreme pressure, as well as for the industrial production of valuable minerals, especially synthetic diamonds, as they mimic the pressures and temperatures that exist deep in the Earth. These instruments allow the simultaneous compression and heating of millimeter size solid phase samples such as rocks, minerals, ceramics, glasses, composite materials, or metals and are capable of reaching pressures above 25 GPa (around 250,000 atmospheres) and temperatures exceeding 2,500 °C. This allows mineral physicists and petrologists studying the Earth's interior to experimentally reproduce the conditions found throughout the lithosphere and upper mantle, a region that spans the near surface to a depth of 700 km. In addition to pressing on the sample, the experiment passes an electric current through a furnace within the assembly to generate temperatures up to 2,200 °C. Although Diamond anvil cells and light gas guns can access even higher pressures, the multi anvil apparatus can accommodate much larger samples, which simplifies sample preparation and improves the precision of measurements and the stability of the experimental parameters. The multi anvil press is a relatively rare research tool. Lawrence Livermore National Laboratory's two presses have been used for a variety of material property studies, including diffusion and deformation of ceramics and metals, deep focus earthquake, and the high pressure stability of mineral phases.
История
Аппарат с шестью-восьмью наковальнями был разработан Каваи и Эндо с использованием разделенной стальной сферы, подвешенной в масле под давлением, позднее модифицированной для использования гидравлического пресса. В 1990 году Уокер и др. упростили первую ступень сжатия, представив конструкцию съемной крышки ("шляпной коробки"), что позволило переоборудовать обычные прессы в многонаковальничные системы. Было разработано и стандартизировано множество конструкций сборки, включая литьевые сборки Walker и сборки COMPRES. Последние достижения направлены на проведение измерений непосредственно в образце, а также на стандартизацию материалов и калибровок.
Основная конструкция
Типичный многоамулетный аппарат Каваи 8–6 использует воздушные насосы для создания давления в масле, которое приводит в движение вертикальный гидравлический пресс для сжатия цилиндрической полости, известной как "шляпная коробка". Эта полость заполнена шестью стальными наковальнями – три направлены вверх и три вниз – которые сходятся к восьми кубикам из карбида вольфрама. Внутренние углы этих кубиков усечены для соответствия октаэдрической сборке. Эти октаэдры имеют размер от 8 мм до 25 мм по ребру и обычно состоят из оксида магния или другого материала, который пластически деформируется в диапазоне экспериментальных условий, чтобы обеспечить гидростатическое напряжение в эксперименте. При сжатии этой сборки материал выдавливается между кубиками, образуя прокладку. Между двумя противоположными гранями просверливается цилиндр для размещения образца эксперимента. Эксперименты, требующие нагрева, окружены цилиндрической печью из графита или хромита лантана, которая может генерировать значительное тепло за счет электрического сопротивления. Однако графитовая печь может быть проблематичной при более высоких давлениях из-за ее склонности к превращению в алмаз. Многоамулетный аппарат DIA является основной альтернативой ячейке Каваи: он использует шесть наковален для сжатия кубического образца.
Измерения в многокольцевой ковчеге
Большинство анализов проб проводится после завершения эксперимента и извлечения образца из многоановочной ячейки. Однако возможно также проведение измерений *in situ*. В состав установки могут быть включены схемы, такие как термопары или резисторы, чувствительные к давлению, для точного измерения температуры и давления. Акустическая интерферометрия может использоваться для измерения сейсмических скоростей в материале или для определения его плотности. Электрическое сопротивление измеряется методом импедансной спектроскопии. Магнитные свойства можно измерить с помощью усиленного ядерного магнитного резонанса в специально сконструированных многоановочных ячейках. Данные устройства предоставляют исследователям, работающим на синхротронных источниках и источниках нейтронного расщепления, возможность проводить дифракционные эксперименты для определения структуры образцов в экстремальных условиях. Это необходимо для изучения неустойчивых фаз вещества, поскольку они кинетически и термодинамически нестабильны при низких температурах и давлениях. Вязкость и плотность высокотемпературных расплавов могут быть измерены *in situ* с использованием метода "тонущего-всплывающего" объекта и нейтронной томографии. В этом методе в образец внедряются объекты, например, платиновые сферы, которые отличаются по плотности и сечению рассеяния нейтронов от окружающего материала, и отслеживается траектория движения объекта при погружении или всплытии в расплаве. Для расчета плотности можно одновременно использовать два объекта с различной плавучестью. Геологи в основном стремятся воспроизвести условия и материалы, существующие в недрах Земли, для изучения геологических процессов, которые невозможно наблюдать непосредственно. Синтезируются минералы и породы для определения условий, ответственных за формирование различных минеральных фаз и текстур. Геоученые также используют многоановочные ячейки для измерения кинетики реакций, плотности, вязкости, сжимаемости, диффузии и теплопроводности горных пород в экстремальных условиях.