УСТРОЙСТВО ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ И ВЫСОКОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ С АЛМАЗНЫМИ НАКОВАЛЬНЯМИ Российский патент 2025 года по МПК B01J3/06 G01N3/02 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к приборостроению в экспериментальной физике и технике высоких давлений и высоких температур и может быть использовано для исследования физических и химических свойств вещества при высоких давлениях и высоких температурах, а также для синтеза новых материалов во флюидной и твердой среде при высоких давлениях и температуре и для исследования процессов происходящие в недрах нашей планеты.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Устройства высокого давления типа наковальни, в которых наиболее нагруженные детали - наковальни изготовлены из алмаза, широко используются в научных исследованиях. Благодаря уникальным механическим и физическим свойствам алмаза, его прозрачности, с использованием алмазных наковален удается получать не только высокие давления и работать при низких и высоких температурах, а также наблюдать и фиксировать изменения, происходящие в исследуемом веществе и вокруг него.

Алмаз является прекрасным проводником тепла к исследуемому веществу, благодаря высокой теплопроводности и используется в устройствах высокого давления для низкотемпературных исследований.

Однако в устройствах высокого давления для высокотемпературных исследований это свойство - теплопроводность алмаза, оказывает совершенно противоположное действие. При нагревании исследуемого вещества в алмазной ячейке, тепло интенсивно отводится через алмазы на детали устройства, соприкасающиеся с алмазами и это диктует использование в устройствах жаропрочных материалов, экранов, мощных нагревателей, системы охлаждения и защиты алмазов от окисления при высокой температуре.

Обычное типовое устройство с алмазными наковальнями состоит из корпуса в форме цилиндра и поршня (такая схема при нагрузке придает алмазам хорошую устойчивость). В поршне выполнено отверстие для входа лазерного или рентгеновского луча. На торце поршня, на опоре крепится алмазная наковальня, а на дне корпуса, на подвижной опоре крепится другая алмазная наковальня. В опоре и дне корпуса выполнено коническое отверстие.

В установленной между алмазными наковальнями прокладке - гаскете с отверстием, образуется замкнутый объем - камера высокого давления, в которой размещается исследуемое вещество, датчики давления и температуры, например, рубин, SrB₄O₇:Sm⁺, c-BN, алмаз. Среда вокруг исследуемого вещества может быть твердой, например, NaCl (хлорид натрия), жидкой (например, полиэтилсилоксан) или газовой (гелий, водород, аргон). Усилие на алмазные наковальни создается посредством винтов, установленных в крышке корпуса.

В настоящее время известны устройства с алмазными наковальнями, в которых нагрев исследуемого вещества осуществляется несколькими способами. Используя прозрачность алмаза, исследуемое вещество нагревается лазером. Луч лазера через отверстие в поршне и опоре фокусируется на исследуемое вещество и нагревает его, при этом структуру исследуемого вещества, давление в камере и температуру, можно фиксировать, используя спектрометры или источники синхротронного излучения. Недостатком этого способа нагрева является высокая цена контрольно-измерительного оборудования.

Известно устройство, в котором нагрев исследуемого вещества, размещенного в металлическую гаскету, осуществляется посредством индуктора [Review of Scientific Instruments 79, 015101 (2008); doi: 10.1063/1.2827138]. Недостатком этого устройства является отсутствие возможности измерять температуру посредством термопар (поскольку индуктор нагревает не только металлическую гаскету, но и термопару).

Известно устройство [Review of Scientific Instruments 74, 1255 (2003); doi: 10.1063/1.1539895], в котором гаскета изготовленная из рения, сама является нагревателем, однако этот способ нагрева не нашел распространения, поскольку ячейка высокого давления содержит большое количество деталей требующей прецизионной точности механической обработки.

Наибольшее распространение получило устройство высокого давления и высокой температуры, в котором нагрев исследуемого вещества в алмазных наковальнях осуществляется посредством электропечи сопротивления, которая размещается на цилиндрической поверхности корпуса или внутри его. Это устройство [Mario Santoro, Ahmed Hajeb & Federico A. Gorelli (2020): Resistively heated, high pressure, membrane and screw driven diamond anvil cell, High Pressure Research, DOI: 10.1080/08957959.2020.1789619] оснащено системой водяного охлаждения, а полости вокруг алмазов заполняются инертным газом для защиты алмазов от окисления. Электрическая печь сопротивления размещена на внешней цилиндрической поверхности корпуса. Недостатками этого устройства является то, что все устройство нагревается до температуры 1000 К, оно энергоемкое в изготовлении и эксплуатации, имеет большие размеры, да и заявленная авторами предельная температура нагрева образца вызывает сомнение, так как используемые материалы в конструкции (например, тарельчатые пружины) не могут эффективно работать при температурах 1000 К.

Наиболее близким к заявляемому устройству является устройство, опубликованное в журнале [ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2021, №3, 158-160, DOI: 10.31857/S0032816221020142]. В этом устройстве нагревательный элемент изготовлен из рениевой проволоки и соединен с платиновыми электродами. Нагрев ячейки контролируется Pt90Rh10-Pt термопарами. Алмазы закреплены на керамических опорах. Устройство снабжено системами водяного охлаждения и продувкой ячейки инертным газом аргоном, для предотвращения окисления алмазов и нагревателя. Недостаток этого устройства состоит в том, что количество теплоты, выделяемое нагревателем, интенсивно отводится от алмазной ячейки через опоры на цилиндр и поршень. Это заставило исследователей использовать мощный дорогостоящий нагреватель и интенсивное водяное охлаждения цилиндра и поршня, а также использовать в конструкции дорогостоящие материалы (рений и платину).

Задачей заявляемого технического решения является исключение перечисленных выше недостатков, расширение возможностей устройства, за счет уменьшения отвода тепла от алмазных наковален, сокращения массы гаскеты, экранирования нагревающихся деталей, уменьшение энергозатрат при изготовлении и эксплуатации, исключение, из конструкции драгметаллов, простота в изготовлении и эксплуатации.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Поставленная задача достигается тем, что устройство высокого давления и высокой температуры с алмазными наковальнями, состоящем из корпуса в форме цилиндра, в дне корпуса выполнено отверстие в форме конуса и отверстия для электрических вводов и термопар. На дне корпуса установлена подвижная опора из термостойкого материала - керамики, с закрепленной на ней алмазной наковальней. Вторая алмазная наковальня закреплена на керамическом поршне с отверстием в центре, на внешней поверхности поршня, по всей длине выполнен паз для фиксации положения поршня в корпусе. Для уменьшения теплообмена, между поршнем и корпусом, а также для центрирования поршня с алмазной наковальней относительно противоположной алмазной наковальни, в корпусе установлено восемь винтов, расположенных по диаметру с шагом 90 градусов, в два яруса, либо между цилиндрическим корпусом и керамическим поршнем установлена металлическая центрирующая поршень втулка. В осевом сечении втулка имеет форму двутавра. Положение втулки в корпусе ограничивает кольцевой выступ, выполненный на внутренней поверхности корпуса. На цилиндрической поверхности втулки выполнены симметрично расположенные через 90 градусов четыре отверстия, ширина поясков втулки, контактирующих с корпусом и поршнем меньше или равна 0.5 мм. Нагреватель спирального типа, например, из проволоки фехраль, диаметром 250 мкм, размещен в кольцевом экране из прессованного нитрида бора, в сечении экран имеет П-образный профиль с внутренней открытой поверхностью и внутренним диаметром 5 мм, гаскета имеет внешний диаметр 3-4 мм. Внутренняя открытая поверхность нагревателя приближена к гаскете, расстояние от нагревателя до гаскеты составляет 1-1.5 мм. Термопара хромель-алюмель закреплена на поверхности алмазной наковальни вблизи площадки и контактирует одновременно с гаскетой. В корпусе выполнена внутренняя резьба для ввинчивания пробки с отверстием в центре и с резьбовыми отверстиями для силовых винтов, создающих нагрузку на алмазные наковальни. На цилиндрической части корпуса с шагом 90 градусов выполнены симметрично расположенные четыре отверстия шириной 8 мм и высотой 15 мм для уменьшения массы корпуса, доступа к нагревателю, термопарам и камере. Отверстие в центре пробки служит для входа лазерного или рентгеновского излучения. Между поршнем и резьбовой пробкой размещены тарельчатые пружины и термоизоляционные прокладки. Контакт торца поршня с тарельчатой пружиной осуществляется через термоизоляционную прокладку и внутренний кольцевой пояс тарельчатой пружины. С внешней стороны корпус закрыт тонкой пленкой из слюды. Металлическая, охлаждаемая водой рубашка одевается на корпус и имеет отверстия для входа и выхода воды, и резьбовое отверстие, через которое в корпус подается инертный газ для предотвращения алмазных наковален от окисления.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На фиг.1 (а, б) представлено устройство высокого давления и высокой температуры с алмазными наковальнями.

На фиг.2 (а, б) представлен вариант устройства, в котором отсутствует втулка.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На фиг.1 (а, б) и 2 (а, б) представлено устройство высокого давления и высокой температуры с алмазными наковальнями, которое состоит из: корпуса - цилиндра 1, внутри которого размещены подвижная керамическая опора 2, с алмазной наковальней 3, керамический поршень 4, с алмазной наковальне 3, гаскета 5, втулка 6, нагреватель 7, с кольцевым П-образным экраном 8, термопара 9, резьбовая пробка 10, с силовыми винтами 11, шайба 21, тарельчатые пружины 12, теплоизолирующие прокладки 13, котировочные винты 14, установочный винт 15, охлаждающая рубашка 16, окно 17, экраны 18, рубашка из слюды 19.

На фиг.2 (а, б) представлен вариант устройства, в котором отсутствует втулка 6 центрирующая поршень, а ее роль выполняют юстировочные винты 20. Эта конструкция хороша еще тем, что контакт поршня 4 с корпусом 1 осуществляется всего в восьми точках и по узкому кольцу шайбы 21, через термоизолятор 13. В этой конструкции нет необходимости доводить площадки алмазных наковален на параллельность, поскольку параллельность и соосность алмазных наковален легко достигается посредством установочных винтов 20 и 14.

Устройство работает следующим образом. В корпусе 1 размещают подвижную опору 2 с закрепленной на ней алмазной наковальней 3, в корпусе 1 устанавливается втулка 6, во втулку 6 вставляют керамический поршень 4 с закрепленной на нем алмазной наковальней 3, посредством установочных винтов 14, алмазные наковальни выставляются на соосность и параллельность. Винт 15 фиксирует положение поршня 4 в корпусе 1. Между алмазными наковальнями 3 размещают металлическую гаскету 5, устройство переносится на пресс и в гаскете 5 делается отпечаток необходимой глубины. Гаскета 5 извлекается из устройства и в отпечатке прожигается отверстие. Гаскету 5 устанавливают на алмазную наковальню 3 поршня 4, к алмазной наковальне 3, подвижной опоры 2, крепится термопара 9 и на подвижную опору устанавливается нагреватель 7, с экраном 8. В отверстие гаскеты 5 укладывается исследуемое вещество и датчик контроля давления и температуры. Во втулке 6 устанавливается экран 18. Поршень 4 помещается во втулку 6, гаскета 5 находится между алмазными наковальнями 3. На торце поршня 4 размещают теплоизоляционную прокладку 13, тарельчатые пружины 12, и весь этот пакет поджимается резьбовой пробкой 10, с силовыми винтами 11. Эта сборка помещается в сосуд высокого давления (на чертеже не показано), в котором создается давление газа до 3-5 кБар, и таким образом производится заполнение отверстия гаскеты газом (гелием). Завинчивая резьбовую гайку 10 непосредственно в сосуде высокого давления, сдавливается гаскета 5, и заполненное газом отверстие в гаскете становится закрытым. Стравив газ из сосуда высокого давления, сборка из деталей 1-17 извлекается из сосуда. Закрыв корпус экраном 19, подсоединив электропитание к нагревателю 7, а термопары 9 к датчику контроля температуры, можно проводить исследования под давлением, изменяя его посредством силовых винтов 11, нагревать камеру с образцом до температуры 650°С в течение 1,5 часов. При более длительной процедуре измерений и более высокой температуре, корпус 1 помещается в охлаждающую рубашку 16, которая соединена через вентиль с водопроводом, водоотводом и баллоном с инертным газом. Газ, поступая в корпус 1, защищает алмазные наковальни 3 от окисления при высокой температуре. Собранное в таком виде устройство готово для длительных съемок на рентгеновских установках. Работа с альтернативным устройством, которое представлено на фиг.2 (а, б) осуществляется аналогичным способом.

Экономическая эффективность устройства обеспечивается тем, что уменьшив площадь контакта керамического поршня 4 с сопрягаемыми деталями, уменьшив массу нагреваемой гаскеты 5, поместив нагреватель 7 в П-образный экран из нитрида бора, приблизив открытую сторону нагревателя 7 к гаскете 5 на расстояние 1-1.5 мм, удалось уменьшить теплоотвод от алмаза на поршне и энергозатраты в процессе исследований, а также упростить конструкцию и создать устройство не используя драгметаллов (рения и платины).

В таблице 1 приведены результаты тестирования устройства при нагреве алмазной камера до температуры 650°С, без охлаждающей рубашки.

После полуторачасовой работы температура П-образного экрана 8 достигла 300°С, а температура корпуса 1 составляла около 200°С.

Изобретение относится к физическому приборостроению и может использоваться для исследования физических и химических свойств веществ при сверхвысоких давлениях и высоких температурах. Устройство включает корпус, внутри которого размещены подвижные керамические опоры с алмазными наковальнями, гаскета, тарельчатые пружины и силовые винты, кольцевой нагреватель и термопара, охлаждаемая водой рубашка и газовая защита алмазов. В подвижной опоре и дне корпуса выполнены конические отверстия. В корпусе выполнены симметрично расположенные отверстия для установочных и фиксирующих винтов. Техническим результатом является уменьшение отвода тепла от алмазных наковален, сокращение массы гаскеты, экранирование нагревающихся деталей. 2 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

1. Устройство высокого давления и высокой температуры с алмазными наковальнями, содержащее корпус, внутри которого размещены подвижные керамические опоры с алмазными наковальнями, гаскета, тарельчатые пружины и силовые винты, в подвижной опоре и дне корпуса выполнены конические отверстия, в корпусе выполнены симметрично расположенные отверстия для установочных и фиксирующих винтов, кольцевой нагреватель и термопара, охлаждаемая водой рубашка и газовая защита алмазов, отличающееся тем, что для центрирования и юстировки поршня с алмазной наковальней относительно противоположной алмазной наковальни в корпусе установлено восемь винтов, расположенных по диаметру с шагом 90° в два яруса по высоте, либо между цилиндрическим корпусом и керамическим поршнем установлена металлическая центрирующая поршень втулка, в осевом сечении втулка имеет форму двутавра, положение втулки в корпусе ограничивает кольцевой выступ, выполненный на внутренней поверхности корпуса, на цилиндрической поверхности втулки выполнены симметрично расположенные через 90° четыре отверстия, ширина поясков втулки, контактирующих с корпусом и поршнем, меньше или равна 0,5 мм, нагреватель спирального типа размещён в кольцевом экране, в сечении экран имеет П-образный профиль с внутренней открытой поверхностью и внутренним диаметром 5 мм, гаскета имеет внешний диаметр 3-4 мм.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в корпусе выполнена внутренняя резьба для ввинчивания пробки с отверстием в центре и с резьбовыми отверстиями для силовых винтов, создающих нагрузку на алмазные наковальни, а на цилиндрической поверхности корпуса с шагом 90° выполнены четыре отверстия шириной 8 мм и высотой 15 мм.

3. Устройство по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что между корпусом и экраном П-образного профиля, а также между поршнем и корпусом установлены экраны, а внешняя сторона корпуса закрыта тонкой рубашкой из слюды.