Приборы и техника эксперимента, 2021, № 3, стр. 158-160

Разработана и испытана экспериментальная установка для проведения спектроскопического анализа образцов при давлениях до 6.5 ГПа и температурах до 500°С и более при равномерном нагреве рабочего объема. Установка состоит из ячейки с алмазными наковальнями с широкой апертурой, внешнего нагревателя и блока охлаждения (рис. 1).

Рис. 1.

Установка высокого давления для оптических исследований. 1 – цилиндрическая часть ячейки с алмазными наковальнями; 2 – поршневая часть ячейки с алмазными наковальнями; 3 – винты для создания усилия; 4 – тарельчатые пружины; 5 – кварцевые стекла; 6 – опоры алмазных наковален; 7 – алмазные наковальни; 8 – металлическая прокладка; 9 – керамическая подложка для нагревательного элемента; 10 – проволочный нагревательный элемент; 11 – металлический блок с отверстиями для водного охлаждения и продувки ячейки инертным газом с примесью водорода.

Ячейка изготовлена в ИФВД РАН из немагнитного коррозионно-стойкого сплава 40ХНЮ на основе конструкции типа поршень–цилиндр с регулировкой усилия на алмазные наковальни посредством винтового механизма [1]. Размер апертуры 60° обеспечивает широкий оптический доступ к образцу для проведения наблюдений во время нагрева и регистрации спектров комбинационного рассеяния (к.р.) in situ.

Резистивный нагреватель смонтирован из рениевой проволоки, соединенной с платиновыми электродами, согласно методике, описанной в [2], и установлен вокруг прокладки с образцом внутри ячейки. Ток подается на электроды с помощью регулируемого линейного источника питания Ningbo JiuYuan Electronic (QJ3020E). Нагрев ячейки контролируется по показаниям Pt₉₀Rh₁₀–Pt-термопары (S-type), зафиксированной в непосредственной близости от прокладки с образцом и подключенной к микропроцессорному измерителю-регулятору OVEN (ТРМ101).

Давление в рабочей камере рассчитывается по положению линии флуоресценции R₁ в спектре рубина [3, 4] или с использованием других маркеров давления (например, SrB₄O₇ : Sm²⁺, c-BN, алмаз) [5–8]. Ячейка устанавливается в блок охлаждения, через который циркулирует проточная вода для уменьшения тепловой нагрузки на объектив микроскопа. Также осуществляется продувка ячейки инертным газом с примесью водорода (98%Ar + 2%H₂) для предотвращения окисления нагревателя и алмазных наковален при высоких температурах.

При проведении оптического анализа установку размещают на специальном столике под микроскопом Olympus BX51, к которому подключена цифровая камера GigE uEye (SUXGA, 2048 × 1536) и спектрограф Acton SpectraPro-2500i с детектором CCD Pixis2K, охлаждаемым до –70°C. Длиннофокусный объектив Olympus 20^× с рабочим расстоянием 25 мм позволяет фокусировать лазерный пучок диаметром ~2 мкм внутри ячейки и проводить визуальный контроль фазового состояния образца во время нагрева. Измерение спектров к.р. проводится в геометрии обратного рассеяния с использованием непрерывного твердотельного лазера с длиной волны λ = 532 нм с диодной накачкой и краевого фильтра с полосой ~100 см^–1.

Эффективность установки была продемонстрирована на примере исследования диссоциации борана аммиака (NH₃BH₃) при нагреве. При давлениях 0.5–0.7 ГПа и температурах выше 195°C в рабочей камере наблюдалось выделение флюида по всему объему образца. Рис. 2а иллюстрирует фазовое состояние образца при 300°C во время эксперимента. Наличие ротационных линий H₂ [9] в спектрах к.р., записанных при высоком давлении (рис. 2б), подтверждает выделение молекулярного водорода при диссоциации. После снижения давления и открытия ячейки спектры к.р. продуктов диссоциации уже не содержали этих линий (рис. 2в), что свидетельствует о потере летучих компонентов при комнатных условиях.

Рис. 2.

а – фотография образца борана аммиака при экспериментальных параметрах (300°C, 0.5 ГПа); б – спектр к.р. водородного флюида (^HR₁ и ^HR₂ – ротационные моды молекулы H₂); в – спектр к.р., записанный в той же точке после открытия ячейки.

Установка имеет компактные размеры, проста в использовании и совместима со стандартным спектральным оборудованием для изучения фазового состояния образцов при заданных значениях давлений и температур.