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 5 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 7 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, y) осуществлялось с использованием метода наименьших квадратов, в котором измеренная в каждом пикселе камеры зависимость спектра теплового излучения I(x,y,λ) подгонялась к кривой Планка. Первые эксперименты по лазерному нагреву вольфрамовой пластинки ИК лазером продемонстрировали возможность применение акустооптических фильтров (АОФ) для измерения распределения 8 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 γ-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]. 10 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.