ЯЧЕЙКА МНОГОПУАНСОННОГО БЕСПРЕССОВОГО АППАРАТА ДЛЯ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ВЕЩЕСТВО ВЫСОКИМИ ДАВЛЕНИЕМ И ТЕМПЕРАТУРОЙ

Изобретение относится к области изучения фазовых диаграмм синтетических и природных систем при давлениях 5-7,5 ГПа, а именно к устройству ячейки многопуансонного аппарата высокого давления разрезная сфера типа «БАРС».
Исследование фазовых диаграмм синтетических и природных систем требует высокоточного определения таких параметров, как давление и температура. Избежать дополнительных погрешностей от опыта к опыту можно путем одновременной загрузки при проведении одного эксперимента нескольких образцов обрабатываемого вещества различного состава.
2
3
3
Известна ячейка, предназначенная для аппаратов типа «Каваи» [Shatskiy et al. The system KCO-MgCO at 6 GPa and 900-1450°C // American Mineralogist. - 2013. - T. 98. - C. 1593-1603], содержащая 4 кассеты, расположенные в ее центральной малоградиентной температурной зоне. В каждой кассете выполнено по 4 углубления для обрабатываемых веществ. Такая конструкция обеспечивает возможность одновременного исследования 16 образцов вещества различного состава. Максимальная разность температур между исследуемыми образцами, расположенными в малоградиентной температурной зоне, не превышает 20°C при температурах менее 1500°C. 16 экспериментальных точек, исследуемых в рамках одного опыта, достаточно для исследования фиксированного температурного сечения бинарных фазовых диаграмм. Однако, для исследования фазовых диаграмм тройных и более сложных систем этого количества точек недостаточно.
2
Известна ячейка многопуансонного аппарата высокого давления разрезная сфера типа «БАРС», применяемая для исследования процессов кристаллизации алмаза при 6.3 ГПа. [Sokol et al. Fluid regime and diamond formation in the reduced mantle: Experimental constraints // Geochimica et Cosmochimica Acta. - 2009. - T. 73. - C. 5820-5834]. Она содержит цилиндрический нагревательный элемент, две расположенные по торцам керамические токовводные крышки с цилиндрическими токовводными молибденовыми стержнями. Внутри нагревателя соосно установлена изолирующая втулка. В полости втулки в центральной малоградиентной температурной зоне размещена внешняя капсула, внутри которой находятся две запрессованные в тальк платиновые кассеты с образцами, состоящими из источника углерода, расплава-растворителя и подложки с затравочными кристаллами алмаза, а в верхней и нижней полостях втулки соосно установлены термоизолирующие вставки из ZrO, при этом верхняя вставка снабжена блоком термопар.
Задачей полезной модели является обеспечение возможности использования ячеек многопуансонных бесперессовых аппаратов типа «БАРС» для исследования каждого температурного сечения фазовых диаграмм тройных и более сложных систем в рамках одного эксперимента при 5-7,5 ГПа.
Технический результат заключается в устранении дополнительных погрешностей в давлении и температуре, варьирующих от опыта к опыту при изучении фазовых диаграмм сложных систем, а также значительной экономии материальных и энергетических ресурсов в связи с уменьшением количества опытов.
Для высокоточного изучения фазовых диаграмм тройных и более сложных систем в ячейке многопуансонного беспрессового аппарата разрезная сфера, содержащей цилиндрический нагревательный элемент с расположенными по торцам токовводными крышками с токовводными стержнями и расположенную внутри нагревательного элемента изолирующую втулку, в верхней и нижней зонах полости которой соосно установлены вставки, выполненные из термоизолирующего материала, верхняя из которых снабжена термопарным блоком, в центральной малоградиентной температурной зоне размещен блок, состоящий из 3-4 кассет, выполненных из теплопроводного инертного материала, в кассетах выполнено 8-14 цилиндрических углублений диаметром 0,8-1,0 мм и глубиной 0,8-1,5 мм для размещения обрабатываемого веществ, причем для каждого углубления предусмотрена крышка, а блок снабжен общей крышкой.
Количество углублений, их глубина и диаметр, определяются минимальной толщиной стенки, разделяющей обрабатываемые вещества, при которой происходит ее деформирование при воздействии высокими давлением и температурой. При диаметре углубления 0,8-1,0 мм обеспечена необходимая толщина, при которой не происходит деформирование стенок, а также вытекание обрабатываемого вещества. Таким образом, объем каждого углубления оказывается достаточным для достоверного изучения фазовых отношений и не препятствует свободному росту кристаллов, позволяя оценивать последовательность синтеза и достоверно диагностировать фазы. Индивидуальная уплотняющая крышка для каждого углубления необходима для предотвращения вытекания вещества в условиях эксперимента.
2
3
3
3
На фиг. 1 представлена ячейка многопуансонного беспрессового аппарата для высокоточного изучения фазовых диаграмм тройных и более сложных синтетичнских и природных систем при высоких температуре и давлении. На фиг. 2 - распределение температуры внутри ячейки, полученное с использованием модели [Hernlund et al., 2006]. На фиг. 3 - фазовые взаимоотношения в системе NaCO-CaCO-MgCO при 6 ГПа.
2
2
2
2
Ячейка (фиг. 1) представляет собой тетрагональную призму 1 с усеченными верхними ребрами из керамики на основе ZrO, внутри которой вертикально и соосно располагаются трубчатый нагревательный элемент 2 из графита, 3MgO·4SiO керамические крышки 3 с цилиндрическими токовводами 4 из молибдена и молибденовые диски 5. Внутри нагревателя находится изолирующая втулка 6 из MgO, в полости которой соосно установлены термопарный блок 7, изолирующий вкладыш 8 из MgO и три кассеты 9, с углублениями для обрабатываемых веществ 10, закрытыми индивидуальными крышками 11, общая крышка 12, и цилиндрическая вставка 13 из керамики на основе ZrO. Термопарный блок 7 представляет собой цилиндрическую вставку из ZrO 16 с отверстием для термопары 14, заключенной в двухканальную алундовую соломку 15.
2
2
Сборка ячейки (размерами 21,1×21,1×25,4 мм), осуществляется в следующей последовательности. В ячейку изготовленную в форме тетрагональной призмы с цилиндрическим отверстием помещают керамическую крышку 3 с токовводами 4. На крышку помещают молибденовый диск 5 и затем вставляют нагреватель 2 с изолирующей втулкой 6 из MgO. Далее во втулку 6 устанавливают цилиндрическую термоизолирующую вставку 13 из ZrO, на которую последовательно помещают три кассеты 9, выполненные из теплопроводного материала. В каждой из кассет имеется 14 углублений. Предварительно каждое из углублений 10 заполняется обрабатываемым веществом и закрывается индивидуальной крышкой 11. Таким образом, предотвращается вытекание образца во время опыта. Вышележащая кассета служит дополнительной общей крышкой для нижележащей кассеты. Самая верхняя кассета покрывается дополнительной крышкой 12 из того же материала, что и кассеты. Суммарная высота кассет и общей крышки не превышает 8.5 мм. Выше общей крышки 12 помещают MgO вкладыш 8, изолирующий спай термопары 17. Далее в ячейку помещают термопарный блок 7 и закрывают молибденовым диском 5 с отверстием в центре. Затем ячейку закрывают верхней керамической крышкой с токовводами и центральным отверстием для термопары. В верхней крышке имеются прорезы, через которые холодные концы термопары выводят на противоположные грани ячейки. Оставшиеся каналы и центральное отверстие заполняют порошком ZrO и керамической крышкой 3 с цилиндрическими молибденовыми токовводами 4.
Для исследования, например, карбонатных и хлоридных систем предпочтительно использование кассет, выполненных из графита; оксидных и силикатных систем - из кубического нитрида бора, либо графита, либо молибдена; для металлических и металл-углеродных систем - из хлорида цезия.
Готовую ячейку устанавливают в рабочую полость многопуансонного аппарата высокого давления разрезная сфера типа БАРС. Создают давление и температуру, необходимые для проведения эксперимента, и выдерживают в течение заданного времени. Далее отключают напряжение, сбрасывают давление и извлекают ячейку. Графитовые кассеты (3-4 штуки) отделяют друг от друга. В каждой кассете находится 8-14 образцов с преобразованным веществом, готовым для дальнейшего исследования. Таким образом, получают 24-54 экспериментальные точки, не имеющие дополнительной экспериментальной погрешности в давлении и температуре, полученные за одну загрузку многопуансонного аппарата.
2
2
Вариации температуры при исследовании вдоль трех графитовых кассет изучены с использованием модели Хернланда [Hernlund et al. A numerical model for steady-state temperature distributions in solid-medium high-pressure cell assemblies // American Mineralogist. - 2006. - T. 91. - C. 295-305] и не превышают 20°C при 1400°C (фиг. 2). Такие незначительные вариации температур в центральной малоградиентной зоне ячейки, где расположены графитовые кассеты, достигаются за счет эффективной термоизоляции стенками ячейки из керамики на основе ZrO и ZrO цилиндрическими вставками в нагревателе. Во избежание воздействия материала кассет (главным образом графита, молибдена) на термопарную проволоку, ее спай изолирован от кассет вкладышем из MgO. Высокая теплопроводность последней гарантирует эффективное считывание температуры.
2
3
3
3
2
2
3
4
4
2
3
3
2
2
3
2
2
4
2
4
3
5
3
3
3
2
В предлагаемой ячейке с использованием графитовых кассет исследована фазовая диаграмма тройной системы NaCO-CaCO-MgCO при 6 ГПа (фиг. 3). Каждое температурное сечение было покрыто 32-40 экспериментальными точками. На фиг. 3 использованы следующие символы: Na = фаза NaCO; Na(Ca, Mg) = фаза NaCa(CO); NaMg = фаза NaMg(CO); NaCa = фаза NaCa(CO); Arg = фаза CaCO (арагонит); MgS = фаза MgCO (магнезит); Dol = фаза CaMg(CO) (доломит); L = расплав.
Таким образом, использование предлагаемой ячейки для исследования фазовых диаграмм синтетических и природных систем позволяет избежать дополнительных погрешностей в давлении и температуре, связанных с воспроизводимостью давления и температуры от опыта к опыту, когда в каждый эксперимент закладывается один образец. В предлагаемой ячейке каждый из 32-54 образцов вещества различного состава во время опыта находятся под воздействием одного и того же давления и одной и той же температуры. Вариации температур ±20°C в центральной малоградиентной температурной зоне от номинальной температуры опыта являются ничтожными, принимая во внимание погрешность аналитических методов, которые будут использованы для изучения образцов. Использование предлагаемой ячейки также позволяет значительно экономить материальные и энергетические ресурсы, в связи с уменьшением количества опытов, необходимых для изучения фазовой диаграммы.