MHz free electron laser x-ray diffraction and modeling of pulsed laser heated diamond anvil cell - Université de Lille Accéder directement au contenu
Article Dans Une Revue Journal of Applied Physics Année : 2023

MHz free electron laser x-ray diffraction and modeling of pulsed laser heated diamond anvil cell

Nicolas Jaisle
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David Cébron
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Zuzana Konôpková
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Rachel J Husband
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Clemens Prescher
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Valerio Cerantola
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Anand Dwivedi
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Johannes M. Kaa
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Karen Appel
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Khachiwan Buakor
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Orianna B. Ball
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Ryan S. Mcwilliams
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Cornelius Strohm
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Motoaki Nakatsutsumi
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Ulf Zastrau
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Carsten Baehtz
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Eric Edmund
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Joydipa Biswas
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James D. Mchardy
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Blake T. Sturtevant
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Lars Ehm
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Alexander F. Goncharov
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Malcolm I. Mcmahon
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Johannes Buchen
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Hyunchae Cynn
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Edward J. Pace
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Hanns-Peter Liermann
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Daniel T. Sneed
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Samantha C. Cooper
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Madison Anae
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Jaeyong Kim
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Zhongyan Wu
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Yongjae Lee
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Huijeong J. Hwang
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Taehyun Kim
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Jinhyuk Choi
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Jeongmin Lee
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Egor G. Koemets
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Hauke Marquardt
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Vitali B. Prakapenka
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Stella Chariton
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Elena Shevchenko
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Guillaume Fiquet
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Angelika D. Rosa
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Mohamed Mezouar
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Gaston Garbarino
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Guillaume Morard

Résumé

A new diamond anvil cell experimental approach has been implemented at the European x-ray Free Electron Laser, combining pulsed laser heating with MHz x-ray diffraction. Here, we use this setup to determine liquidus temperatures under extreme conditions, based on the determination of time-resolved crystallization. The focus is on a Fe-Si-O ternary system, relevant for planetary cores. This time-resolved diagnostic is complemented by a finite-element model, reproducing temporal temperature profiles measured experimentally using streaked optical pyrometry. This model calculates the temperature and strain fields by including (i) pressure and temperature dependencies of material properties, and (ii) the heat-induced thermal stress, including feedback effect on material parameter variations. Making our model more realistic, these improvements are critical as they give 7000 K temperature differences compared to previous models. Laser intensities are determined by seeking minimal deviation between measured and modeled temperatures. Combining models and streak optical pyrometry data extends temperature determination below detection limit. The presented approach can be used to infer the liquidus temperature by the appearance of SiO2 diffraction spots. In addition, temperatures obtained by the model agree with crystallization temperatures reported for Fe–Si alloys. Our model reproduces the planetary relevant experimental conditions, providing temperature, pressure, and volume conditions. Those predictions are then used to determine liquidus temperatures at experimental timescales where chemical migration is limited. This synergy of novel time-resolved experiments and finite-element modeling pushes further the interpretation capabilities in diamond anvil cell experiments.
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Dates et versions

hal-04199829 , version 1 (08-09-2023)

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Citer

Nicolas Jaisle, David Cébron, Zuzana Konôpková, Rachel J Husband, Clemens Prescher, et al.. MHz free electron laser x-ray diffraction and modeling of pulsed laser heated diamond anvil cell. Journal of Applied Physics, 2023, Journal of Applied Physics, 134 (9), pp.095904. ⟨10.1063/5.0149836⟩. ⟨hal-04199829⟩
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