Тема: КОНТРОЛЬ ПОВЕДЕНИЯ ВЕЩЕСТВ ПРИ ВЫСОКИХ ДАВЛЕНИЯХ И ТЕМПЕРАТУРАХ МЕТОДОМ ГИПЕРСПЕКТРАЛЬНОЙ АКУСТООПТИЧЕСКОЙ СПЕКТРОМЕТРИИ

Актуальность и степень разработанности темы исследования
Исследования поведения вещества в экстремальных условиях интересны как для фундаментальной науки, так и для решения прикладных задач. А изучение поведения минералов при высоких давлениях и температурах позволяет воссоздать экспериментально внутреннюю структуру Земли [1, 2]. В частности, такие эксперименты привели к разработке метода получения искусственных алмазов [3-6]. Применения результатов исследований в области физики и химии высоких давлений обширны: получение новых драгоценных камней, новых сверхпроводников, новые полимеры, новые металлы и магнетики, сверхтвердые материалы. Результаты исследований по фазовым переходам в твёрдых телах привели к созданию новых сверхтвёрдых материалов, таких как искусственные алмазы, нитрид бора и многие другие материалы. В свою очередь задача области наук о веществе Земли и планет приобрела «глубинную» направленность и имеет явно выраженный междисциплинарный и международный характер, объединяя задачи геодинамики, сейсмологии, геохимии, петрологии, минералогии. Одним из успешных методов решения задач в области наук о веществе Земли является экспериментальное моделирование процессов в ядре Земли.
Лазерный нагрев в ячейках высокого давления является единственной экспериментальной техникой создания экстремальных статических давлений (P< 500 ГПа) и температур (T< 6000 K), поэтому широко применяется в исследованиях внутренней структуры Земли, при изучении фазовых переходов при высоких давлениях, а также для синтеза новых сверхтвёрдых материалов [7]. Для исследования вещества при высоких статических давлениях и температурах используются ячейки с алмазными наковальнями (diamond anvil cell, DAC)[8]. В ячейке с алмазными наковальнями образец закладывается в отверстие, сделанное в гаскете (тонкая пластина из железа или рения). Давление создаётся путём сдавливания алмазов тремя или четырьмя винтами. Ячейка с алмазными наковальнями является основным инструментом в проведении фундаментальных исследований по изучению поведения функциональных материалов и минералов при высоких давлениях. Разработанные еще в конце 1950-х, DAC представляет собой уникальное экспериментальное оборудование для исследований вещества при высоких давлениях [9]. Аппарат с алмазными наковальнями способен создавать рабочее давление более 500 ГПа (6 Мбар) [10], что в полтора раза выше давления во внутреннем ядре Земли (3,6 Мбар). Алмазные наковальни слабо поглощают электромагнитное излучение в широком диапазоне энергий, включая оптическую и инфракрасную части спектра, и практически прозрачны для рентгеновских лучей. Эти особенности превращают алмазные наковальни в уникальный инструмент для изучения минеральных фаз глубоких недр Земли, а также для контроля фазовых переходов при высоких давлениях. К числу наиболее фундаментально значимых открытий, сделанных в последние годы в области физики высоких давлений, можно отнести получение металлического водорода [11] и рекордной (213 K) высокотемпературной сверхпроводимости [12, 13].
Для нагрева вещества в ячейках высокого давления (laser heating, LH-DAC) используется сфокусированный непрерывный инфракрасный лазер с длиной волны около одного микрона и мощностью 10-200 Вт. LH-DAC является одним из наиболее фундаментальных инструментов в арсенале физики высоких давлений. Системы лазерного нагрева используются в большинстве лабораторий, занимающихся исследованиями в области физики, геофизики и химии при высоких давлениях. Лазерный нагрев основан на принципе поглощения инфракрасного света лазера в образце после того, как свет проходит через один из алмазов в алмазной наковальне. Первые результаты с использованием лазерного нагрева были опубликованы в 1974 году. Применение YAG лазера позволило Мингу и Бассету наблюдать преобразования (Fe, Mg)2SO4 в (Fe, Mg)O + SO2 (стишовит) [14]. В настоящее время LH-DAC является одним из наиболее фундаментальных инструментов в арсенале физики высоких давлений [15]. Системы лазерного нагрева используются в большинстве лабораторий,
6
занимающихся исследованиями в области физики, геофизики и химии при
высоких давлениях.
Контроль распределения температуры в образце достигается путём измерения теплового излучения, испускаемого образцом во время лазерного нагрева. Спектр теплового излучения измеряется в диапазоне 600-800 нм при помощи спектрометра[16], и последующая подгонка экспериментально измеренного спектра и теоретической кривой теплового излучения (закон Планка) позволяет контролировать температуру в образце, созданную лазерным нагревом [17]. К сожалению, распределение температуры в области нагрева лазерным излучением очень неоднородно, и стандартный метод определения температуры в образце дает лишь усреднённую температуру [18, 19]. Вопрос контроля распределения температуры в LH-DAC стал особенно актуален в связи с разработкой нового метода измерения акустических скоростей при высоких давлениях и температурах в алмазных наковальнях [20, 21].
Дальнейший прогресс в исследованиях физики высоких давлений и физики минералов, в частности контроль теплопроводности, контроль температуры плавления материалов в экстремальных условиях, тесно связан с развитием методов LH-DAC, в частности с возможностью контроля распределения температуры и излучательной способностью образца в алмазной наковальне при лазерном нагреве. Попытки измерения распределения температуры по поверхности образца с использованием четырёх изображений, полученных на 4 длинах волн (четырёх-цветовой метод измерения), не получили распространения. Это связано со сложностью юстировки, высокой стоимостью такой системы и значительной статистической погрешностью. В 2016 г. в Научно-технологическом центре уникального приборостроения Российской академии наук (НТЦ УП РАН) был предложен новый метод контроля распределения температуры, основанный на использовании двойного акустооптического видео-спектрометра.
В диссертационной работе продемонстрирована эффективность нового подхода к контролю распределения температуры и лазерного излучения на поверхности образца при высоких давлениях и температурах акустооптическим
видео- спектрометром. Устройства данного типа отличаются высоким спектральным разрешением, достаточно широким диапазоном перестройки по спектру, произвольной спектральной адресацией, высоким качеством изображения, высоким быстродействием отстройки, отсутствием подвижных элементов. Главное, в этом методе то, что температура в каждой точке нагретого лазером тела определяется по большому набору экспериментальных точек на кривой Планка, что приводит к высокой точности определения температуры.
Объектом исследования является поведения веществ при высоких давлениях и температурах.
Предметом исследования являются методы гиперспектральной акустооптической спектрометрии для контроля поведения вещества в экстремальных условиях.
Цель работы - разработка методов гиперспектральной акустооптической спектроскопии для контроля поведения вещества в ячейке высокого давления в процессе лазерного нагрева. А именно: (а) контроля распределения температуры, (б) контроля распределения интенсивности лазера на поверхности нагреваемых тел, (в) наблюдения динамики плавления, (г) контроля статической теплопроводности металлов при высоких давлениях, а также (д) исследования фазовых переходов материалов при высоких давлениях и температурах.
Чтобы контролировать распределение температуры на поверхности нагретого тела, в работе [22] было предложено использовать тандемный акустооптический видео фильтр (TAOF - tandem acousto-optical filter) вместо дифракционного спектрометра. TAOF использовался для получения изображений нагретой лампы на разных длинах волн в диапазоне 650-1000 нм с шагом 10 нм [22]. Определение пространственного распределения температуры объекта T(x, у) осуществлялось с использованием метода наименьших квадратов, в котором измеренная в каждом пикселе камеры зависимость спектра теплового излучения I(x,y,X) подгонялась к кривой Планка. Первые эксперименты по лазерному нагреву вольфрамовой пластинки ИК лазером продемонстрировали возможность применение акустооптических фильтров (АОФ) для измерения распределения температуры в нагретых лазером образцах [23]. Первые эксперименты также показали, что для использования акустооптических фильтров на установке LH- DAC для измерения распределения температуры, измерения теплопроводности материалов и оптического наблюдения физических процессов, таких как плавление при высоких давлениях и температурах, необходимо решить
следующие научно-технологические задачи:
1. проведение анализа современных методов и способов контроля поведения веществ при высоких давлениях и температурах;
2. разработка схемы лазерного нагрева образцов в ячейке высокого давления, в которой система лазерного нагрева и оптическая система измерения распределения температуры разделены;
3. разработка метода контроля фокусировки ИК лазерного излучения в ячейках высокого давления путём визуализации при помощи акустооптического фильтра (TAOF);
4. разработка метода определения температуры плавления на основе спекл-интерферометрии;
5. разработка многофункциональной установки измерения
комбинационного рассеяния совместно с лазерным нагревом в ячейках высокого давления;
6. разработка метода контроля статической теплопроводности образцов в ячейке высокого давления на основе гиперспектральной акустооптической спектрометрии;
7. апробация разработанных методов на Fe, B-C, W, системе наноалмазов и Ni, при высоких давлениях и температурах.
Научная новизна
Все эти задачи были успешно решены в процессе работы над диссертацией:
1) Предложена новая схема и проведено моделирование системы лазерного нагрева образцов DAC, в которой лазерный нагрев и система оптического наблюдения объекта и система измерения распределения температуры поверхности нагретого лазером образца разделены. Это
9 обеспечивает возможность юстировки оптической системы получения гиперспектральных изображений независимо от юстировки ИК лазера, а также позволяет получить оптимальное пятно ИК лазера на образце путём использования подвижной линзы с фокусным расстоянием 30-40 мм.
2) В работе [24] было впервые продемонстрировано, что совмещение системы LH-DAC с TAOF (LH-DAC-TAOF) позволяет одновременно контролировать (а) относительное инфракрасное (ИК, 1070 нм) распределение мощности на поверхности образца в DAC; (б) распределение температуры при лазерном нагреве образца под высоким давлением в DAC.
3) В работе [25] впервые предложена новая формулировка метода наименьших квадратов для закона Планка, что позволило свести двухмерный поиск минимума суммы квадратов отклонений к одномерному, а также значительно уменьшить время обработки экспериментальных данных и улучшить точность контроля распределения температуры в области лазерного нагрева. Была разработана программа с использованием пакета Matlab и языка программирования C++, C# для получения распределения температуры при лазерном нагреве из данных полученных методом мультиспектральной спектроскопии и получено авторское свидетельство [26].
4) Впервые предложен дистанционный метод контроля температуры плавления исследуемых веществ в DAC на основе спекл-интерферометрии.
5) Впервые предложен способ контроля статической тепловодности материалов, находящихся при высоких давлениях и температурах на основе гиперспектральной акустооптической спектрометрии. Были проведены измерения теплопроводности железа при давлениях до 50 ГПа, и получены такие основные результаты, как теплопроводность у-Fe (fcc) при условиях близких к условиям в ядре Земли (~50 GPa, ~2000 K). Математическое моделирование и обработка данных по лазерному нагреву, проведенное в ИГМ СО РАН, показало, что теплопроводность железа составляет 50 ± 10 Вт м-1 K-1. Это согласуется с более ранними оценками по импульсному LH DAC и резистивными методами [27].
6) Разработана многофункциональная установка измерения
комбинационного рассеяния в ячейках высокого давления совместно с лазерным нагревом для контроля фазовых переходов материалов при высоких давлениях[28].
7) Разработано мультипоточное программное обеспечение в среде Matlab, позволяющее проводить контроль распределения абсолютной температуры и лазерного излучения на основе гиперспектральных данных, а также проводить анализ статистической погрешности при расчете температуры.
Научная и практическая значимость работы
Разработанные в диссертационной работе методы гиперспектральной визуализации процессов, происходящих с веществом при высоких давлениях и температурах, позволяют исследовать динамику плавления твёрдых веществ, измерять теплопроводность веществ при высоких давления и температурах, что было невозможно в прошлом.
Возможность контроля неоднородного распределения температуры важно при различных технологических процессах, включая лазерную сварку и лазерную обработку поверхности материалов. Предложенный метод также может быть применён для исследования процессов на Солнце и при извержении вулканов. Прогресс в разработке новых типов многоэлементных высокочувствительных матричных фотоприемников, а также изображающих акустооптических фильтров, способных работать в видимых диапазонах спектра оптического излучения, открывает новые перспективы для дальнейшего развития методов полихроматической пирометрии.
Разработанный в работе математический аппарат и компьютерная программа может быть использована при дистанционном контроле температуры веществ с неизвестным коэффициентом излучения.
Методы исследования
При проведении экспериментальных исследований: по измерению
теплопроводности железа в экстремальных условиях; по изучению фазовых переходов систем B-C; нагреву системы наноалмазов и Ni, исследования
11
вольфрама нагретого до температуры плавления; изучению структуры фокуса
лазерного пятна в DAC использовались методы лазерного нагрева и КР в ячейках
высокого давления.
Для моделирования и цифровой обработки, полученных экспериментальных данных, использовался пакет Matlab и язык программирования C++, C#.
Положения, выносимые на защиту:
1. Разработанный метод поляризационного разделения системы лазерного нагрева и оптической системы, сопряжённой с TAOF и позволяющей контролировать распределение температуры на поверхности вещества, находящегося в алмазной наковальне при высоких давлениях, обеспечивает возможность изменения пятна нагрева от 5 мкм до 100 мкм.
2. Разработанный математический метод контроля абсолютной температуры серого тела на основе одномерной минимизации метода наименьших квадратов для закона Планка увеличивает скорость вычисления более чем в 100 раз. Предложенный метод был использован в ПО для расчёта температур, написанном автором диссертационной работы.
3. Разработанный метод контроля распределения интенсивности излучения ИК лазера на поверхности образца в DAC с использованием TAOF был применен: 1) для выбора оптимального положения фокусированного лазерного излучения в DAC, 2) для одновременного контроля как распределения температуры, так и распределения лазерного излучения и был апробирован на Pt, находящейся в DAC под давлением 40 ГПа.
4. Разработанный метод бесконтактного контроля температуры начала плавления на основе спекл-интерферометрии, был апробирован при контроле точки плавления вольфрама.
5. Разработана многофункциональная установка контроля
комбинационного рассеяния, совмещённая с установкой LH-DAC-TAOF, позволяющая контролировать спектр КР с точностью до Av=1 см-1; была применена для контроля фазовых переходов в B-С системах.
6. Разработанный метод контроля статической теплопроводности
образцов в ячейке высокого давления был использован для контроля теплопроводности Fe при давлении 54 ГПА и температуре 2200 К.
Степень достоверности и апробация результатов
Достоверность результатов обеспечивается а) совокупностью больших объемов экспериментальных данных, которые были получены на УНУ «Исследования вещества при экстремальных давлениях и температурах», включающей в себя сертифицированные приборы ведущих мировых производителей ImageSource, Hamamatsu, Solar System, GeoHeat, Thorlabs, а также НТЦ УП РАН; б) корреляцией экспериментальных результатов с теоретическими расчетами; в) использованием нескольких методов.
Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы были представлены на российских и международных научных конференциях: международная
конференция «Акустооптические и радиолокационные методы измерений и обработки информации» (Суздаль, 2018), международная научно-техническая конференция «Оптические методы исследования потоков» (МЭИ, 2019), 20-я международная конференция «Conference on Photoacoustic and Photothermal Phenomena» (Москва, 2019), «Interaction of Intense Energy Fluxes with Matter March» (Эльбрус, 2018-2019), третья международная молодежная конференция «Информационные технологии и технологии коммуникации: современные достижения» (Астрахань, 2019).
Отдельные результаты диссертационной работы получены в рамках проведения исследований, поддержанных РФФИ (проект 18-35-20047), РНФ (проект 17-12-01535).
За работы, которые являются частью диссертационного исследования, автору присуждены стипендии Президента Российской Федерации и Правительства Российской Федерации молодым учёным и аспирантам 20182020 гг.
Личный вклад автора
Все исследования, результаты которых изложены в диссертационной работе, были проведены автором лично. Во всех совместных работах, которые выполнены в соавторстве, автор участвовал в формулировке цели и задачи исследования, в разработке методов и их применении, в проведении эксперимента, а также проводил обработку и анализ результатов. Из совместных работ включен тот материал, который принадлежит непосредственно соискателю, заимствованный материал представлен в работе ссылками.
Содержание диссертации и основные положения, выносимые на защиту, отражают персональный вклад автора в опубликованные работы. Все включенные в диссертацию экспериментальные данные получены лично автором. Автор принимал участие в обработке, анализе и обсуждении результатов, изложенных в настоящей работе, а также в подготовке публикаций в печать.
Публикации
По тематике диссертационного исследования опубликовано 15 работ, в т.ч. 8 публикаций в изданиях, индексируемых в базах данных Scopus и Web of Science, 1 свидетельство на регистрацию программы ЭВМ.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и библиографии. Общий объем диссертации 131 страниц^ включая 63 рисунков и 2 таблицы. Библиография включает 105 наименований.
Купить

Результаты диссертационной работы кратко сводятся к следуешему:
1) Проведен анализ бесконтактных методов определения распределения температур поверхности объектов с возможностью их применения для ячеек высокого давления. Показано, что все попытки получить достоверные результаты о поверхностном распределении температуры опирались на степень черноты или среднюю температуру, что приводило к недостоверным данным термодинамической температуры. Впервые для расчета температуры использован математический метод линеризации МНК, чтобы уменьшить проблему 2D нелинейной аппроксимации МНК.
2) Проведено моделирование схемы системы нагрева образцов в DAC, в которой система лазерного нагрева и система измерения гиперспектра разделены. Показано, что установка с разделёнными системами нагрева и измерения температуры обладает двумя преимуществами. Во-первых, юстировка оптической системы измерения гиперспектра проводится независимо от юстировки ИК лазера. Во-вторых, использование подвижной линзы с фокусным расстоянием 3040 мм позволяет получить оптимальное пятно ИК лазера на образце
3) Впервые предложен метод одновременного контроля распределения интенсивности ИК лазера на образце в DAC и распределения температуры основанный на TAOF.
4) Впервые предложен метод контроля температуры плавления на основе спекл-интерферометрии в ячейках высокого давления.
5) Впервые разработана установка измерения комбинационного рассеяния в ячейках высокого давления совместно с лазерным нагревом и измерением температуры при помощи TAOF. Показано, что спектр КР измеряется с точностью Av = 2 см-1 при возбуждении лазерным излучением с длиной волны Л = 532 нм и Ду = 1 см-1 при возбуждении лазерным излучением с длиной волны Л = 405 нм.
6) На основе проведенных экспериментов по лазерному нагреву борр- углеродных систем в DAC, при давлении P = 25 ГПа и T=2400 K подтвержден фазовый переход графитоподобной фазы в алмазоподобную. Методом LH DAC была подтверждена зона нестабильности алмаза в диапазоне давлений 55-115 ГПа при температуре 2400 К.
7) Опробирован метод контроля теплопроводности при высоких давлениях и температурах. Также представлены результаты для y-Fe в условиях, схожих с ядрами планет Земной группы (~ 50 ГПа, ~ 2000 К). Теплопроводность составляет 50 ±10 Вт-м-1-К-1, что согласуется с более ранними оценками по импульсным измерениям.

Купить