Dispositif haute pression

Les cellules à enclumes de diamant, CED, de type Le Toullec⁹⁸ ont été utilisées pour générer la haute pression hydrostatique, avec des enclumes à large ouverture Boehler-Almax^{99, 100}. Ce type de cellules permet de générer des pressions jusqu’à 200 GPa, en répondant parfaitement aux contraintes exigées par l’étude qui vont être développées. La pression est une force appliquée sur une surface p = F / S, où p est la pression, F la force appliquée et S la surface. Le diamant est le matériau le plus dur à disposition, il résiste à de très hautes pressions. La cellule à enclumes de diamant joue principalement sur la réduction de la surface pour générer la haute pression. Ainsi une importante force est générée sur une petite surface, produisant la haute pression. Le diamant, lorsqu’il est pur, est transparent pour une grande partie du spectre électromagnétique, notamment le visible et les rayons X. Il est donc possible de faire les expériences de diffraction des rayons X et de spectroscopie Raman en complémentarité, c'est-à-dire, avec le même chargement et sous les mêmes conditions de pression et de température. Enfin l’étude de la diffraction des rayons X sur monocristaux demande qu’un maximum de réflexions puisse être récupéré, et les enclumes en diamant Boehler-Almax⁹⁹ ont été spécialement conçues pour offrir une grande ouverture aux rayons X : 4θ = 75 ° pour le modèle utilisé.

2.1. Génération des hautes pressions, cellule Le Toullec

Les diamants sont placés sur des sièges en carbure de tungstène qui permettent de faire l’alignement coaxial et le parallélisme des diamants, afin qu’ils soient parfaitement face à face (Figure III.1). Les sièges (Figure III.2) sont placés sur un cylindre et un piston en acier maraging (acier dur et résistant). Une membrane repose sur le piston via une cale d’espacement, et le tout est maintenu en place et recouvert par une couverture, aussi en acier. La membrane est reliée via un capillaire à une micro vanne, qui peut être branchée sur une source d’hélium. Le principe consiste à gonfler la membrane avec une pression d’hélium. En se gonflant, la membrane appliquera une force sur le piston, cette force est transmise au diamant qui est en contact avec le diamant du cylindre. Le cylindre est immobile ainsi on augmente la pression de la cellule haute pression.

37 Figure III.1 : Schéma de la cellule haute pression (a) microphotographie de la cellule haute pression

à travers le diamant, la flèche pointe le rubis (b).

38 2.2. Cellule haute pression à enclumes de diamant

La cellule haute pression est placée entre les deux enclumes de diamant. Elle est composée d’un joint en acier inoxydable, de l’échantillon, d’un rubis et d’un milieu transmetteur de pression, vu par microphotographie sur la Figure III.1. Pour assembler la cellule haute pression, un disque en acier inoxydable est préparé avec les deux enclumes utilisées pendant l’expérience pour assurer l’étanchéité. Ce disque, le joint, fait environ 2 cm de diamètre et 200 μm d’épaisseur au début. La pression de la membrane est augmentée jusqu'à 60 bar pour une enclume de 600 μm de diamètre ou 30 bar pour une enclume de 300 μm de diamètre, afin de faire la marque des diamants sur le joint, et de réduire l’épaisseur du joint à environ 70 μm pour les enclumes de 600 μm et 40 μm pour les enclumes de 300 μm. Ensuite, un trou de 300 μm ou 150 μm pour des enclumes de 600 μm ou 300 μm de diamètre respectivement, est percé par électroérosion au milieu de la marque fait par les enclumes. Une fois les diamants nettoyés, l’échantillon est placé sur le diamant côté piston, alors qu’un rubis est placé sur le diamant coté cylindre. La taille typique de l’échantillon est de l’ordre de 100 μm de largeur sur 10 μm d’épaisseur. Le joint est nettoyé puis placé exactement au même endroit sur le cylindre (grâce à des repères). La cellule est refermée en plaçant le piston sur le cylindre, puis le tout est placé dans la couverture avec la cale et la membrane, et la cellule est prête à être chargé avec le milieu transmetteur de pression. Pour nos expériences nous utiliserons de l’hélium parce qu’il est hydrostatique et inerte, et nous utiliserons du néon pour les expériences à haute température afin de protéger les diamants. Les CED sont chargées avec un milieu transmetteur de pression à l’aide d’un chargeur à gaz (Figure III.3) avec une pression d’environ 1200 bar pour dépasser la haute compressibilité initiale de l’hélium et du néon.

39 Figure III.3 : Chargeur à gaz automatique (a), chargeur à gaz manuel (b), et la chambre haute

pression du chargeur manuel (c).

Figure III.4 : Dispositif de mesure de la fluorescence du rubis (a), capture d’écran du logiciel PRL de détermination de la pression (b) montrant les raies de fluorescence du rubis et la position utilisée

40 2.3. Contrôle de la pression

La pression est mesurée par la fluorescence du rubis. Le rubis est excité par un laser Nd:YAG vert doublé en fréquence, et la raie de fluorescence est mesurée par un spectromètre et un détecteur CCD piloté par le logiciel PRL de BETSA pour les mesures hautes pression (Figure III.4). La raie de fluorescence du rubis se déplace en fonction de la pression et de la température, la pression peut être déduite de la position spectrale de cette raie, selon la technique mise au point par le National Bureau of Standards (NBS) en 1972¹⁰¹, et en utilisant la calibration non-linéaire hydrostatique déterminée par Mao et al en 1986¹⁰² :

( ) [( ) ], (2)

où λ0 = 6942.8 Å, B0 = 1904 GPa, et B’ = 7.665. La calibration en fonction de la température a été déterminée par Datchi et al en 1997¹⁰³. La membrane est reliée à un gonfleur à hélium. Deux types sont disponibles à l’ESRF : le gonfleur manuel de BETSA, et le gonfleur automatique développé par l’ESRF et Sanchez Technologies. Le gonfleur manuel est composé d’une bouteille d’hélium et de plusieurs vannes qui doivent être manipulées par l’utilisateur. Le gonfleur automatique est piloté par ordinateur, l’utilisateur n’a pas besoin d’entrer dans la cabine expérimentale pour changer la pression et l’appareil compense les fuites.

2.4. Contrôle de la température

Les mesures à haute température se font avec un dispositif de chauffage résistif externe qui consiste à placer une résistance sur la couverture de la cellule Le Toullec. Un thermocouple de type K est collé sur la couverture, et la température est régulée par un module électronique. La température est mesurée avec une erreur d’environ 1 K. Nous utilisons le néon comme milieu transmetteur de pression, car à haute température l’hélium diffuse dans les diamants, ce qui les fragilise.

Les mesures à basse température se font à l’aide d’un cryostat spécialement conçu pour la mesure d’échantillons contenus dans les cellules haute pression Le Toullec (standards ou en alliage cuivre-béryllium, dans ce travail une cellule standard a été utilisée). Le cryostat est composé de trois modules. Le premier est le circuit d’hélium qui est un circuit fermé pour le refroidissement de la chambre de mesure. Il est constitué d’un échangeur principal qui refroidit la cellule, et d’un échangeur secondaire pour refroidir l’écran thermique. Les échangeurs sont faits en cuivre recouvert d’une couche d’or de 5 μm. Le second est l’écran thermique, qui est là pour préserver l’échangeur principal et la cellule du rayonnement provenant des pièces à température ambiante. Il est en cuivre recouvert d’une couche d’or de 5 μm. L’écran est fixé sur l’échangeur secondaire avec six vis en laiton. Enfin le troisième est la chambre à vide, qui est l’enveloppe externe de l’instrument en acier inoxydable. Le cryostat est équipé de 4 résistances et d’un thermomètre Cernox sur l’échangeur principal, et de 4 résistances et un thermomètre PT100 sur l’échangeur secondaire. Le cryostat fonctionne d’après le principe du flux d’hélium continu, l’hélium contenu dans un vase est aspiré par un tube de transfert dans le cryostat de manière continue. L’hélium circule dans

41 l’échangeur principal pour refroidir l’échantillon puis dans l’échangeur secondaire pour refroidir l’écran, ensuite l’hélium sort du cryostat par la canne de transfert, passe par la pompe à vide et entre dans le circuit de récupération. La température est contrôlée par un contrôleur Lake Shore.

Figure III.5 : Les échangeurs en haut et l’écran en bas (a), le cryostat sur la ligne de lumière (b), le contrôleur de température Lakeshore (c), et une cellule Le Toullec avec une couverture en

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