Производство алмаза с использованием интенсивных пучков тяжелых ионов на установке FAIR и его применение в планетарной физике

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 1459 (2023) Цитировать эту статью

620 Доступов

Подробности о метриках

Предположительно, алмазы в изобилии присутствуют в различных объектах Вселенной, включая метеориты, богатые углеродом звезды, а также богатые углеродом внесолнечные планеты. Более того, экспериментально подтверждено предсказание о том, что в глубоких слоях Урана и Нептуна метан может подвергаться процессу фазового разделения на алмаз и водород. В частности, для изучения этой проблемы использовались мощные лазеры. Поэтому важно с точки зрения астрофизики и планетарной физики дальнейшее изучение процессов производства алмазов в лаборатории. В настоящей статье мы представляем численное моделирование имплозии твердого образца углерода с использованием интенсивного пучка урана, который будет доставлен синхротроном тяжелых ионов SIS100, строящимся в Центре исследований антипротонов и ионов (FAIR). в Дармштадте. Эти расчеты показывают, что с помощью предложенной нами экспериментальной схемы можно создать экстремальные условия давления и температуры, необходимые для производства алмазов размером в мм3.

Алмазы повсюду во Вселенной. Крошечные алмазы (наноалмазы), содержащие до 2000 атомов углерода, изобилуют метеоритами, а некоторые образовались в звездах еще до существования Солнечной системы1. Предполагается также, что алмазы существуют в богатых углеродом звездах, особенно в белых карликах2. Более того, ожидается, что некоторые богатые углеродом внесолнечные планеты могут состоять почти из чистого алмаза3,4. Поскольку прямой доступ к таким объектам, очевидно, чрезвычайно сложен, дополнительные исследования процессов, которые приводят к производству алмазов в лаборатории, будут очень полезны для понимания формирования и эволюции различных небесных объектов. Этого можно достичь, подвергая углерод и его соединения экстремальным физическим условиям, которые существуют в недрах планет и звезд, превращая углерод в алмаз. Еще одна область исследований, в которой эти исследования принесут пользу, — это изучение условий формирования различных структурированных неупорядоченных углеродных структур, образовавшихся в результате столкновений с крупными астероидами. Например, алмазные структуры, называемые диафитами5,6,7, были обнаружены в местах ударов, каньоне Диабло и Попигай. Благодаря особым электронным и механическим свойствам этих форм алмазов они могут иметь высокую потенциальную промышленную значимость, что подчеркивает их важность.

Эксперименты под высоким давлением позволяют предположить, что большое количество алмазов образуется из метана на ледяных планетах-гигантах Уране и Нептуне. В недавнем эксперименте8, в котором образец полистирола был динамически сжат с помощью лазера, были достигнуты экстремальные физические условия, которые, как ожидается, будут существовать примерно в 10 000 км под поверхностью Урана и Нептуна. К ним относятся давление 150 ГПа и температура 5000 К. Этот эксперимент продемонстрировал разделение углерода и водорода и осаждение алмаза в этих условиях. В другом эксперименте9, в котором использовался 100-фемтосекундный лазерный импульс для облучения образца высокоориентированного пиролитического графита, наблюдалось образование наноразмерных кубических кристаллов алмаза в обработанных лазером областях.

Интенсивные пучки частиц теперь считаются новым инструментом, который можно использовать для создания расширенных образцов материи с высокой плотностью энергии (HED) в довольно однородных условиях. Интересно отметить, что в материале устанавливается локальное термодинамическое равновесие за счет большего времени жизни образца по сравнению с мишенями, нагретыми лазером. В Дармштадте строится уникальный ускорительный комплекс под названием FAIR. Это международный проект, который включает в себя строительство синхротрона тяжелых ионов SIS100, который будет доставлять интенсивные пучки частиц всех стабильных видов, от протонов до урана. Физика высокой плотности энергии (HED) — одна из областей исследований, которая будет тщательно изучаться на этом объекте. Международное сотрудничество под названием HEDP@FAIR10 было создано для наблюдения за строительством экспериментальных установок, а затем для организации проведения экспериментов. Интересное научное предложение подготовлено по физическим экспериментам HED, которые будут проводиться этой коллаборацией. Это экспериментальное предложение стало результатом обширных теоретических исследований, проведенных за последние два десятилетия, которые включают детальное численное моделирование и аналитическое моделирование, о которых сообщалось в многочисленных публикациях, см., например,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20, 21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34. Согласно этим исследованиям, ионный пучок можно использовать для генерации HED-вещества по двум совершенно различным схемам. В одном случае в твердом материале путем прямого изохорного и равномерного нагрева пучком генерируются состояния высокой энтропии и высокого давления. Последующее изэнтропическое расширение нагретого материала позволит получить доступ к важным состояниям ГЭД, включая расширенную горячую жидкость, двухфазное состояние жидкость-газ, критические параметры и сильносвязанную плазму. Такие эксперименты под названием HIHEX (Heavy Ion Heating and Expansion) будут проводиться на FAIR для измерения уравнения состояния (EOS) и транспортных свойств этих различных фаз вещества HED.