ETRA III liefert neue Methode zur Bestimmung der Schmelztemperatur bei hohem Druck

07.02.2025

Ein internationales Forschungsteam von DESY, dem Lawrence Livermore National Laboratory, der Universität Edinburgh und dem Karlsruhe Institut für Technologie hat ein neuartiges Verfahren entwickelt, um die Schmelztemperatur undurchsichtiger Materialien mit Hilfe von Röntgen-Phasenkontrastbildern und Röntgenbeugung in einer laserbeheizten Diamant-Stempelzelle bei Drücken von bis zu 500.000 bar und Temperaturen bis zu 4000 Kelvin genau zu bestimmen. Das Team um Emma Ehrenreich-Petersen von DESY und Earl Francis O'Bannon vom Lawrence Livermore National Laboratory entwickelte das Verfahren an der Strahlführung P02.2 an DESYs Hochenergie-Röntgenquelle PETRA III.

DESY, Hanns-Peter Liermann

Mit dem an PETRA III entwickelten Verfahren lässt sich der beginnende Schmelzprozess in Platin (in der Mitte des Bildes) exakt verfolgen.

Mit dem an PETRA III entwickelten Verfahren lässt sich der beginnende Schmelzprozess in Platin (in der Mitte des Bildes) exakt verfolgen. Bild: DESY, Hanns-Peter LiermannDie Bestimmung des Schmelzens von undurchsichtigen Materialien bei hohen Drücken stellt seit Jahrzehnten eine große Herausforderung dar. Viele Ansätze hierzu wurden in den letzten Jahrzehnten entwickelt, seit laserbeheizte Diamant-Stempelzellen zum Erreichen hoher Drücke und Temperaturen eingeführt wurden. Diese faustgroßen Hochdruckgeräte bestehen aus zwei gegenüberliegenden modifizierten Diamanten, zwischen denen die Probe komprimiert wird. Sie kann dabei Drücke erzeugen, die höher sind als der Druck im Innern der Erde. Die Probe – in diesem Fall eine Metallfolie – kann durch die transparenten Diamanten hindurch mit sehr starken Infrarotlasern erhitzt werden, die von beiden Seiten der Diamanten auf die Probe einstrahlen. „Es ist sehr schwierig, das erste Auftreten von sehr kleinen Schmelzmengen mit Hilfe von bildgebenden Verfahren oder durch Röntgenbeugung an der Probe zu erkennen. Dies führte in früheren Studien zu Diskrepanzen bei der Bestimmung der Schmelztemperatur“, erklärt Erstautorin Emma Ehrenreich-Petersen von DESY. „In unserer Studie kombinieren wir die etablierte Technik der Röntgen-Phasenkontrast-Bildgebung mit Röntgenbeugung und wenden sie auf die laserbeheizte Diamant-Stempelzelle an. So erkennen wir kleinste Phasenkontraste zwischen der festen und der flüssigen Probe.“

„Dieser Ansatz hat den Vorteil, dass man nicht die gesamte Probe schmelzen muss, da dieser Aufbau Volumina bis zu einem Mikrometer auflösen kann“, erklärt Projektleiter Earl Francis O´Bannon vom Lawrence Livermore National Laboratory. „Wir haben diesen neuartigen Ansatz an der PETRA III-Extreme Conditions Beamline P02.2 getestet, indem wir die Schmelzlinie von Platin bis zu einem Druck von 500 000 bar und einer Temperatur von 4000 Kelvin bestimmt haben. Wir haben gezeigt, dass die Technik viel empfindlicher bei der Bestimmung des Schmelzbeginns ist als jede andere bisherige Technik.“

„Der neu entwickelte Ansatz ist ein gutes Beispiel dafür, wie interdisziplinäre Forschungsgruppen, wie hier die Hochdruck-Nutzergruppen des Lawrence Livermore National Laboratory und der Universität Edinburgh, die Imaging-Gruppe von Christian Schroer an PETRA III, das Karlsruhe Institut für Technologie und das Beamline-Team an P02.2, zusammenarbeiten, um ein neuartiges Verfahren zu entwickeln, das der Forschung hilft, einige der offenen wissenschaftlichen Fragen zu lösen“, erklärt Hanns-Peter Liermann, Leiter der Extreme Conditions Beamline P02.2. „Wir sind sicher, dass dieser Ansatz die Art und Weise, wie in Zukunft der Beginn des Schmelzens bestimmt wird, grundsätzlich verändern wird. Mit neuen Lichtquellen der 4. Generation wie der ESRF-EBS und der APS-U, die gleich oder noch höher kohärente Röntgenstrahlen als PETRA III bieten, wird dieser Ansatz an Bedeutung gewinnen, da er die Empfindlichkeit und Abbildungsqualität verbessert. Daher ist es wichtig, unsere Röntgenquelle auf PETRA IV aufzurüsten: Sie wird die einzige Lichtquelle weltweit sein, die bei hohen Energien eine um fast den Faktor 1000 höhere Kohärenz bietet und damit die Auflösung der Technik weiter verbessert.“

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