En ny supersnabb högtrycksanordning vid DESYs röntgenljuskälla PETRA III gör det möjligt för forskare att simulera och studera jordbävningar och meteoritnedslag mer realistiskt i labbet. Den nya generationens dynamiska diamantstädcell (dDAC), utvecklad av forskare från Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), DESY, den europeiska synkrotronstrålningskällan ESRF, och universiteten i Oxford, Bayreuth och Frankfurt/Main, komprimerar prover snabbare än någon liknande enhet tidigare. Instrumentet kan höja trycket med en rekordhastighet på 1,6 miljarder atmosfärer per sekund (160 terapascal per sekund, TPa/s) och kan användas för ett brett utbud av dynamiska högtrycksstudier. Utvecklarna presenterar sin nya enhet, som redan har bevisat sin förmåga i olika materialexperiment, i journalen Granskning av vetenskapliga instrument .

"I mer än ett halvt sekel har diamantstädcellen eller DAC varit det primära verktyget för att skapa statiska högtryck för att studera fysik och kemi hos material under dessa extrema förhållanden, till exempel för att utforska de fysiska egenskaperna hos material i jordens centrum vid 3,5 miljoner atmosfärer, " sa huvudförfattaren Zsolt Jenei från LLNL. För att simulera snabba dynamiska processer som jordbävningar och asteroidnedslag mer realistiskt med höga kompressionshastigheter i labbet, Jeneis team, i samarbete med DESY-forskare, har nu utvecklat en ny generation av dynamiskt drivna diamantstädceller (dDAC), inspirerad av den banbrytande ursprungliga LLNL-designen, och kopplade den med den nya snabba röntgendiffraktionsuppsättningen för Extreme Conditions Beamline P02.2 vid PETRA III.

Den nya dynamiska diamantmothållscellen består av två små modifierade briljanta diamanter som trycks ihop av en kraftfull piezoelektrisk drivning. Tack vare förbättringar som de mycket starkare piezo-ställdonen och snabba, högtoppströmsförstärkare den nya enheten kan komprimera de små proven mellan diamantstäden mer än tusen gånger snabbare än tidigare instrument.

För att studera förändringar i fysikaliska egenskaper hos material under högt tryck, forskare lyser med röntgenstrålar på de små proverna och registrerar hur röntgenstrålarna diffrakteras av materialet. Dessa diffraktionsmönster gör det möjligt att beräkna materialets inre struktur. Dock, att ta ögonblicksbilder av höghastighets dynamiska processer, röntgenblixten måste vara tillräckligt stark och kameran, detektorn, måste vara tillräckligt snabb.

"I nästan tio år, sedan den första uppfinningen av dDAC i vårt laboratorium, det har varit extremt svårt att genomföra snabba diffraktionsexperiment på grund av bristen på fotonflöde och ännu viktigare snabba och mycket känsliga högenergiröntgendiffraktionsdetektorer, " förklarade Jenei. Först med tillkomsten av den extremt ljusstarka tredje generationens röntgenkällor som PETRA III och utvecklingen av mycket känsliga kameror som gallium-arsenid (GaAs) Lambda-detektorn som uppfanns av DESY-detektorgruppen blev det möjligt att samla in diffraktionsbilder med tillräckligt korta exponeringstider och tidsmässig upplösning.

Extreme Conditions Beamline (ECB) på DESY har världens två första GaAs Lambda-detektorer. "Genom att utlösa dem med en fördröjning på 0,25 millisekunder, vi kan samla upp till 4000 bilder per sekund, sa Hanns-Peter Liermann, strållinjeforskaren med ansvar för ECB. Detektorerna finansierades genom ett gemensamt forskningsprojekt som tilldelats av det tyska förbundsministeriet för utbildning och forskning BMBF till Goethe-universitetet i Frankfurt, där Björn Winkler är huvudutredare.

Forskare som arbetar med projektet har visat prestandan och mångsidigheten hos experimentupplägget med snabba kompressionsstudier av tungmetaller som guld och vismut samt lätta föreningar som is (H2O), och planetariska material såsom ferroperiklas ((Mg0.8Fe0.2)O). Medan man genomförde snabba diffraktionsexperiment på guld, teamet visade en ökning av trycket från 1000 atmosfärer till 1, 400, 000 atmosfärer på bara 2,5 millisekunder (tusendels sekund), vilket resulterar i en maximal kompressionshastighet på 160 TPa/s. Under denna extremt korta tid, detektorerna samlade åtta diffraktionsmönster över hela kompressionsbanan.

"Vi tror att vi med den befintliga installationen kan förbättra komprimeringshastigheten till kanske tusentals terapascal per sekund, sade Liermann. detta kommer att behöva ännu ljusare röntgenblixtar och fortfarande snabbare kameror som kommer att tillhandahållas av båda, den planerade uppgraderingen av PETRA III till nästa generations röntgenkälla PETRA IV och experimentstationen med hög energidensitet (HED) vid den europeiska röntgenlasern European XFEL, där DESY deltar i att bygga en dDAC-setup som en del av Helmholtz International Beamline for Extreme Fields (HIBEF) konsortiet.