高压X射线衍射的脉冲激光加热方法

相对于传统的连续激光加热方法,脉冲激光加热能够显著缩短加热时间,从而有效阻止金刚石样品腔内各组分的化学反应。基于北京同步辐射装置(Beijing synchrotron radiation facility,BSRF)高压实验站原有的连续激光加热系统,建立了可应用于高压X射线衍射实验的脉冲激光加热方法。该方法利用信号发生器对脉冲激光器、测温电荷耦合器件(Charge Coupled Device,CCD)光谱仪以及X射线探测器进行同步控制,实现了脉冲激光对样品加热,并在加热周期内完成温度谱及高压衍射数据的同步采集。利用高压条件下的Pt样品,对脉冲激光加热过程中样品的温度稳定性、重复性以及温度梯度进行了测试,并完成了原位X射线衍射实验。该脉冲激光加热系统的搭建,为在BSRF高压实验站开展原位脉冲激光加热方法研究提供了条件,也为将来在北京高能同步辐射光源上实施相关方法奠定了基础。     

基于气动悬浮的高温氧化物熔体热物性测量

堆芯熔融物的热物性是研究反应堆严重事故进程及堆内堆外现象机理的重要基础参数。当堆芯熔化时，堆内温度达3 000 K,形成U-Zr-O-Fe多元混合物，而气动悬浮技术是优选的高温下测量堆芯熔融物基础热物性的技术。本文描述了一套基于气动悬浮和激光加热技术的密度、表面张力和黏度的测量装置，目前已实现高温氧化物密度的实验测量。装置采用收缩-扩张型锥形喷嘴悬浮球状样品，采用CO₂连续激光器加热并熔化样品，采用双色红外测温仪监测样品的温度并进行激光器功率反馈控制；采用高速相机记录样品轮廓的变化，并结合图像分析法计算样品的体积，最后得到被测材料在高温下的密度。实验测量得到2 750～3 200 K范围内氧化锆熔体的密度，其在熔点(2 988 K)处的密度为4.717 g/cm~3,温度系数为-7.202×10^-4 g/(cm~3·K)。     

小角中子散射原位热力耦合加载装置

热力耦合近工况条件下材料微观结构的原位实验研究,对于深入理解材料服役性能演化机制十分重要,可给出样品微观上的纳米结构尺度分布。为充分发挥小角中子散射统计性好、取样体积大可开展原位实验等优势,本文基于中国先进研究堆小角中子散射谱仪,设计并研制了一台高温和拉力同时加载的原位实验装置,并实现了高温高压下原位测量材料的纳米尺度形貌变化。实验测试结果表明,装置最大载荷可达20 kN,最高温度800℃,控温精度优于±1℃。利用该装置对镍基单晶高温合金样品进行了原位小角中子散射测试,发现温度拉力条件下样品内部纳米结构的明显变化,表明基于该装置可开展热力耦合加载下的原位小角中子散射实验。该装置及其相应实验方法,可用于核电不锈钢等多种高温结构材料的原位加载实验研究,提供微观结构演化数据。     

高压下的同步辐射能量色散粉末衍射

同步辐射已经成为高压研究的一个非常理想的光源。在北京同步辐射装置（BSRF）上、结合金刚石对顶砧超高压实验技术建立起来的能量色散X射线粉末衍射系统，已用于物质状态方程和结构相变的研究。介绍了能量色散衍射方法，以及同步辐射原位测试过程。     

高压衍射实验中的同步辐射光束的定位

应用同步辐照光源进行高温高压原位能量色散X射线衍射实验，入射X射线光束定位是关键，北京同步辐射实验室高压衍射站引入四刀光阑扫描系统，实现调光定位自动化，简化调光手续，提高实验效率，为高压衍射实验站的用户进行实验提供了方便。     

超高压下CsBr的结构与相变

采用金刚石对顶压砧高压装置（DAC）、同步辐射X光源和能散法，对CsBr粉末样品进行了原位高压X光衍射实验，最高压力115GPa。观测到在53GPa左右压力下，CsBr的最强衍射峰（110）劈裂成两个峰，标志简单立方结构向四方结构的转变；在0至最高压力范围内（相应于V／V0为1至0.463)测量了晶轴比c/a；在115GPa内未观测到样品的金属化现象。     

同步辐射X射线衍射研究利蛇纹石的压缩性

采用金刚石对顶砧高压装置和同步辐射X射线衍射方法,在常温下对利蛇纹石的高压结构行为进行了研究。原位X射线衍射实验结果表明,利蛇纹石在压力高达31.9 GPa时没有发生相变。利蛇纹石的等温状态方程通过三阶Birch-Murnaghan方程进行表述,得到V0=353.2(7)3,K0=75(3)GPa,K0’=3.4(2)(北京同步辐射高压站实验结果)和V0=356.5(6)3,K0=69(3)GPa,K0’=3.1(3)(上海光源微聚焦站实验结果),两次实验结果基本吻合。利蛇纹石的轴压缩性呈现各向异性(Kc>Kb≈Ka),这与蛇纹石的层状结构有关,在垂直于结构层方向,结构层之间靠氢键来连接,易压缩,压缩系数较大;而在平行结构层方向,压缩系数较小。     

气固反应的同步辐射X射线衍射原位表征装置研制

腐蚀性气体参与的气固反应，其同步辐射原位X射线衍射（X-ray Diffraction,XRD）表征需要使用防腐蚀和泄露的装置。为此研发了两种用于气固反应XRD表征的原位装置，分别通过液体挥发和固体热处理来产生反应气体，具有装置结构紧凑、可拆卸和重复利用等优点，解决了特定气固反应原位XRD表征的需求。其中，基于液体挥发产生反应气体的原位装置适用于室温近常压气固反应，气体与固态样品发生反应可以通过精确控制液体的注入来控制反应的起始时间；基于固体热处理的原位反应装置主体采用石英材料制作，包括石英反应池和石英X窗等，适用于光子能量在18 keV以上的原位X射线衍射表征，工作温度可达450℃。这些实验装置有助于推动同步辐射技术在化学反应原位表征中的应用。     

高温气冷堆环境模拟装置动态传热特性建模分析

清华大学核能与新能源技术研究院研制了模拟高温气冷堆温度、环境氛围的材料测试装置,可进行1 600℃及以下高温碳还原环境下的各类实验。通过对该实验装置的结构进行适当简化,建立了模拟其高温、真空条件下辐射、导热动态传热特性的二维数学模型。仿真结果与实验装置各测点的实测温度变化趋势一致,可解释实验时观察到的多种动态传热现象。此外,该模型可对材料测试区径向温度分布、不同加热功率条件下发热体最高温度等难以直接测量的重要参数进行估计,给出进一步实验的指导性建议。     

黄玉的原位高压X射线衍射研究

使用金刚石对顶砧(DAC,Diamond Anvil Cell)高压装置和同步辐射光源,对黄玉进行原位高压X射线衍射研究,实验最高压力达到29.7 GPa.在研究的压力范围内,随着压力的升高,晶胞体积逐渐被压缩,晶胞参数a的压缩率大于c和6.未观察到黄玉的结构相变.利用Murnaghan状态方程(K1=4)对黄玉的体积-压力数据拟合,获得等热体积模量K298为199.7(4.6)GPa.     

电气石的原位高压X射线衍射研究

使用金刚石对顶砧(DAC)高压装置和同步辐射光源,对黑色电气石进行了原位高压X射线衍射研究,实验最高压力达到27.8 GPa.在研究的压力范围内,随着压力的升高,晶胞体积逐步被压缩,晶胞参数a的压缩率小于c.未观察到电气石的结构相变.利用Murnaghan状态方程(K′=4)对电气石的体积-压力数据进行拟合,获得的等热体积模量K298为(183.5±4.2)GPa.     

同步辐射X射线小角散射溶液样品蠕动实验装置的研制

研制了用于同步辐射X射线小角散射实验的溶液样品蠕动实验装置,其主要特点为可有效抑制X射线对溶液样品的辐射损伤、密封性能好、操作简便,且背景散射低、消耗样品量小,还可根据实验要求实现对样品温度的控制,进行变温原位测量。此外,通过实验对该装置的进样量和蠕动速度进行了标定,对防辐射损伤效果进行了验证。结果表明,该装置控制精度高,并可有效减小X射线在测量过程中对样品的辐射损伤。     

用于中子散射原位测试的便携式氢(氘)气反应装置

为适应氢(氘)化物中子散射测试需要，研制了1种便携式氢(氘)气反应装置。在设计上，考虑了性能、操作、维护、安全等因素，不但可进行p-c-T曲线测定等常规试验，且可用于中子衍射仪对吸放氢过程进行原位测定。为获取较高质量的原位衍射数据，研制了Ti-Zr零基合金和高Mn奥氏体钢样品室，并采用可拆卸式保压密封设计。用自行编制的计算程序对温度和压力等影响因素进行了校正，减小了系统误差，并实现了对压力和温度等参数的微机监控。装置已成功用于氢(氘)化物原位衍射实验。     

方石英高温高压相变的实验研究

在1450℃高温下热处理天然的长白山硅藻土以获得含有一定量杂质元素的方石英,并以此为样品,利用对称型DAC装置在0-63GPa压力范围对其开展高温高压相变的实验研究。衍射方法采用同步辐射能量色散X射线衍射(EDXD)技术。实验结果表明,方石英的高压相变序列较复杂,在12、24、33GPa都有新的衍射线出现,在40GPa时仍存在明显的衍射线条而并未完全非晶化,并且为一种类似于α-PbO2型结构的高压相。在此压力下用YLF激光器加温到大约1600K,降温后样品相变为类似于斯石英的结构。随后继续加压到62．9GPa,样品未发生相变,并于此压力下给样品加温到大约1500K,降温后其结构仍不发生变化。卸压至常压,仍为类似于斯石英的结构。     

高温高压条件下天然含Cr尖晶石的原位X衍射

对天然含Cr尖晶石,在r=300-603K,p=0—12．82GPa条件下,在中国科学院高能物理研究所同步辐射实验室高压站,利用外加温金刚石压腔装置(DAC),进行了能量色散X射线粉末衍射(EDXD)原位测量,获得了天然含Cr尖晶石随压力和温度变化的衍射图谱。通过指标化公式对衍射图谱进行分析,得到了尖晶石的晶胞参数及其随压力、温度的变化,进而利用Mumaghan方程得到P-V状态方程和体积模量、压缩系数及热膨胀系数等。     

用于原位小角X射线测量的可变温液体样品槽的研制

根据小角X射线散射(Small angle X-ray scattering,SAXS)技术特点和北京同步辐射装置1W2A小角站光源参数,设计了一款用于液体样品原位变温测试的样品槽。该样品槽采用双面变温方式使样品温度整体均匀,涵盖5-95oC较宽温度范围;待测溶液厚度不仅可根据溶液组分进行调节,且在变温过程中保持恒定,利于提高数据质量。通过设计,实现了待测溶液和背底溶液同时变温和交替测量,节省了宝贵的同步辐射机时。ANSYS热分析表明,设备结构设计合理,样品处温度精度通过校正能得到进一步提高。通过检测聚酰胺-胺(Polyamidoamine,PAMAM)树形大分子结构随温度的变化,表明该样品槽满足液体原位变温SAXS测试要求。     

Y2O3压致结构相变的研究

本文采用金刚石对顶砧高压装置（DAC），利用同步辐射X－ray衍射，对Y2O3粉末样品进行了原位高压X－ray衍射实验，最高压力达到23GPa。在研究的压力范围内观察到两个相变。在12.8GPa压力点，Y2O3由稀土倍半氧化物的立方结构转变为单斜结构。在21.8GPa压力点，样品由单斜结构转变为另一个新相，但由于样品峰的消失，无法判断其结构。卸压后样品为单斜结构，说明Y2O3第一个压致结构相变为不可逆相变。     

高温气冷堆用碳毡材料导热系数测量及反问题计算

碳纤维材料已成为核能、航天等领域不可或缺的重要功能材料,在高温气冷堆及其相关实验中需要使用大量碳纤维保温材料。但由于目前测试方法的限制,相关材料物性参数测量数据严重不足,尤其是缺乏高温1000℃以上的热物性参数,致其使用受到限制。为此,清华大学核能与新能源技术研究院研制了模拟高温气冷堆温度、环境氛围的材料测试装置,可提供1600℃以下的材料性能测试。根据该装置一次典型实验过程的测量数据,详细介绍了采用非线性导热反问题方法确定材料温度相关导热系数的完整过程和具体算法。提出了一种依据稳态、非稳态热传导原理求解反问题的简明算法,该方法既可单独使用,也可为其他反问题算法提供良好的迭代初值。实验确定了高温气冷堆用碳毡保温材料在1600℃以下的导热系数,将为高温气冷堆相关实验和其他特高温条件下的应用提供重要参考。     

同步辐射自由电子激光光学速调管研制

报告了一同步辐射自由电子激光光学速调管的研制情况。此装置已应用在中国科技大学国家同步辐射实验室的储存环上进行同步辐射自由电子激光相干辐射的研究。装置具有光学速调管以及均匀波荡器两种工作模式,已用于短波长相干谐波辐射自由电子激光的研究,以期得到紫外(UV)、真空紫外(VUV)和软X射线波段的相干光源,也用于产生高亮度     

高压下La0.4Bi0.1Ca0.5MnO3中晶格畸变的研究

通过原位下的高压同步辐射X光衍射技术，对具有钙钛矿结构的La0.4Bi0.1Ca0.5MnO3中存在的Jahn-Teller畸变，进行了研究。实验表明在压力的作用下，样品中的畸变有所减小，超于理想的立方结构，并且在1．4GPa左右存在一个过渡相。