Dispositifs de mesures ultrasonores sous Haute Pression

Dispositifs de mesures ultrasonores sous Haute Pression

Deux grandes familles de dispositifs générateurs de pression se dégagent d’emblée : la cellule à enclume de diamant qui permets l’étude jusqu’à des pressions considérables (plusieurs centaines de GPa, autrement dit des pressions de l’ordre de celle régnant au centre de la Terre) d’échantillons de taille micrométrique, et les presses dites ‘gros volume’ qui pressurisent des échantillons de quelques mm3 à quelques cm3 , mais ne permettent d’atteindre au mieux « que » des pressions de quelques dizaines de GPa. Ces deux types d’appareillages diffèrent donc principalement par la gamme de pression et le volume expérimental, mais aussi par le milieu transmetteur de pression utilisé : essentiellement solide pour les presses gros volume, ce qui implique généralement des contraintes uni-axiales dont il faut tenir compte lors de l’analyse des données [25]. A l’inverse le milieu transmetteur de pression dans les cellules à enclume de diamant est souvent liquide, du moins à pression modérée, ce qui permet une compression hydrostatique de l’échantillon. Cette hydrostaticité disparaît cependant à haute pression lors de la transition liquidesolide du milieu transmetteur (la solidification du mélange éthanol méthanol autour de 10 GPa à température ambiante en est l’exemple classique).

La cellule à enclume de diamant

La cellule à enclume de diamant (CED) est le dispositif le plus utilisé pour atteindre de très hautes pressions (de plusieurs dizaines à plusieurs centaines de GPa). Initialement conçue par Weir et al [1], ce dispositif est composé de deux diamants épointés en vis à vis. L’un des diamants est fixé au bâti de la cellule, l’autre subit, sur le piston, une force appliquée par diverses méthodes à partir d’une membrane déformée par une pression de gaz dans le cas des cellules conçues au laboratoire. Un joint métallique percé en son centre est placé entre les deux diamants. Le volume expérimental formé par ce trou et la face de compression des diamants permet le positionnement de l’échantillon, d’une jauge de pression et du milieu transmetteur de pression. Celui-ci est généralement gazeux (gaz rares) ou liquide (mélange éthanol méthanol, huile siliconée) à l’ambiante. La pression dans le volume expérimental est mesurée à l’aide de billes de rubis placées au plus près de l’échantillon. L’évolution d’une raie de fluorescence du rubis est bien connue sous pression [14] et constitue un standard permettant la mesure de la pression avec une précision de l’ordre de quelques pourcents à 30 GPa. La gamme de pression accessible avec une CED dépend du volume expérimental et de la taille des diamants utilisés (ainsi que de leur géométrie). Si la gamme de pression courante d’une CED est de 100 GPa, de nombreux développements techniques ont permis d’atteindre 400 GPa.

L’un des avantages de la CED est de pouvoir réaliser de très nombreux types d’expériences, allant de la diffusion de la lumière (Infrarouge, Raman, Brillouin) à l’absorption optique, la diffraction X, l’absorption X, le Mössbauer et à des mesures de conductibilité électrique grâce à la transparence des diamants de l’infrarouge aux rayons X. La limitation vient surtout de la taille micrométrique de l’échantillon. Il faut aussi noter qu’un des atouts, et non des moindres, de ce type de dispositifs est son faible encombrement et sa légèreté ( < 1 kg).

De plus, il est possible d’effectuer des mesures à hautes températures avec une CED :
♦ Soit par chauffage par effet joule avec un chauffage externe T<700°C (au delà de cette température la résistance mécanique des supports des diamants ne permet pas un rendement en compression suffisant).
♦ Soit par chauffage laser (T < 6000 K), cependant les gradients thermiques sont alors énormes. La région isotherme est très faible, environ 5µm de rayon. [3]

Malgré les nombreux avantages de cette technique, elle présente aussi quelques inconvénients. Ainsi les gradients de pression sont souvent très élevés. La pression n’est souvent homogène qu’au centre de l’échantillon [2]. La plus grande limitation de cette technique est cependant la taille des échantillons qui ne permet pas jusqu’à aujourd’hui certains types d’expériences comme la diffusion de neutrons.

Adaptation aux mesures ultrasonores

L’adaptation des CED aux mesures ultrasonores à température ambiante est relativement récente [4- 6]. Le principe est le suivant : les ondes ultrasonores sont générées par un transducteur (ZnO) placé hors du volume de compression, sur une ligne à retard en saphir, en contact avec la face arrière du diamant sur lequel est collé l’échantillon. Les schémas de principe sont présentés figures I.2 et I.3. Ces premiers développements sur la CED ont permis la mesure de temps de transit sous pression jusqu’à 6 GPa. Il faut également signaler que cette technique était limitée il y peu aux seules ondes longitudinales. Mais des développements plus récents effectués par la même équipe d’expérimentateurs ont permis d’élargir cette technique aux ondes de cisaillement d’une part [7] et aux hautes températures d’autre part [8].

En effet, afin de réaliser des mesures sur des volumes micrométriques, il est nécessaire de travailler à une fréquence proche du GigaHertz. La fréquence de résonance d’un cristal piézoélectrique est fonction de l’inverse de son épaisseur :  f = V/2e

où f est la fréquence fondamentale de résonance, V la vitesse du son dans la direction cristallographique considérée, et e l’épaisseur de la lame du cristal piézoélectrique. La difficulté technique liée à la découpe d’une lame de cristal (ZnO, LiNbO3, …) de quelques microns pour la réalisation de transducteur transverse a été contournée en utilisant la propriété de conversion d’une onde élastique dans un solide entre une onde longitudinale et une onde transverse [7].

Les ondes de cisaillement sont donc générées par un transducteur longitudinal à travers une ligne à retard en MgO. L’onde est réfléchie sur une facette inclinée à 45° qui convertit l’onde longitudinale en onde transverse selon la loi de Snell.

D’autre part, les premières études à haute pression et haute température ont été réalisées sur la magnésiowüstite (Mg, Fe)O [8], à l’aide d’un four à résistance externe. Les nombreuses difficultés techniques ne permettent jusqu’à présent d’atteindre que 250°C en température et 2.5 GPa en pression.

Les cellules multi-enclumes

Les cellules multi-enclumes ont été développées dans les années cinquante. Dans ces systèmes, la pression est générée par plusieurs enclumes mobiles mues par des vérins comprimant le volume expérimental dans différentes directions. Les milieux transmetteurs de pression sont solides. Le plus souvent l’échantillon est confiné dans un joint en bore ou en pyrophyllite, plus rarement dans une capsule en cuivre – béryllium ou dans du plomb. Le volume expérimental est beaucoup plus grand que dans les CED de l’ordre de quelques mm3 . Ce volume autorise la réalisation de montages expérimentaux complexes permettant l’introduction de fours tubulaires internes et de thermocouples, nécessaires à toute étude précise à haute pression et température. Les pressions maximales obtenues avec de telles presses sont de l’ordre de 15 GPa si un thermocouple est utilisé et de 30 GPa si le dispositif n’en possède pas (néanmoins de récents développements ont permis d’atteindre des pressions de l’ordre de 50 GPa). En effet, et nous le verrons plus loin avec la presse ParisEdimbourg qui comporte plusieurs similitudes avec les presses ‘multienclumes’, l’introduction d’un thermocouple dans le volume expérimental a de nombreuses conséquences sur la tenue mécanique et thermique de l’échantillon et de son environnement.

Les inconvénients majeurs de ce type de dispositif sont le fort encombrement et le poids (plusieurs tonnes) qui ne permettent pas une mise en place rapide et aisée devant une ligne de diffraction X d’un synchrotron. Les presses multi-enclumes sont donc positionnées de façon quasi-permanente sur les lignes de lumière de certains synchrotrons, comme par exemple au Brookhaven Laboratory, N.Y., sur la ligne X17B1 [26].

Table des matières

Introduction
Chapitre I : Dispositifs expérimentaux
Introduction
I.1 Dispositifs de mesures ultrasonores sous Haute Pression.
I.1.1 La cellule à enclume de diamant.
I.1.1.1 Adaptation aux mesures ultrasonores.
I.1.2 Les cellules multi-enclumes.
I.1.2.1 Adaptation aux mesures ultrasonores.
I.1.3 La presse Paris-Edimbourg.
I.1.3.1 Adaptation aux mesures ultrasonores.
I.1.4 Le dispositif ultrasons à basse pression : B18.
I.2 Développement d’une cellule haute pression et haute température pour les mesures ultrasonores en presse Paris-Edimbourg
Introduction
I.2.1 Présentation du code de calcul par éléments finis : MODULEF.
I.2.2 Minimisation des gradients thermiques dans le volume expérimental.
I.2.3 Résultats et discussion.
Références du Chapitre I.
Chapitre II : Etat de l’art sur le système FeO.
Introduction
II.1 La wüstite Fe (1 – x)O.
II.1.1 Propriétés structurales sous pression et température.
II.1.2 Equations d’état.
II.1.3 Elasticité sous Pression.
II.1.4 Procédure de synthèse du composé.
II.2 La magnétite FeFe 2O 4.
II.2.1 Propriétés structurales sous pression et température.
II.2.2 Equations d’état.
II.2.3 Elasticité sous Pression.
Conclusion
Références du Chapitre II
Chapitre III : Mesures des propriétés élastiques des oxydes de fer sous pression et température.
Introduction.
III.1 Mesures des propriétés élastiques de la magnétite.
III.1.1 Mesures ultrasonores à basse pression (0-1GPa)
III.1.1.1 La donnée brut: le temps de transit.
III.1.1.2 Constantes élastiques effectives du deuxième ordre et équation d’état entre 0 et 1GPa.
III.1.2 Mesures ultrasonores sur la magnétite sous haute pression et haute température.
III.1.2.1 Echantillons.
III.1.2.2 Temps de transit.
III.1.2.3 Constantes élastiques effective du deuxième ordre.
III.2 Mesures des propriétés élastiques sur la wüstite.
III.2.1 Mesures ultrasonores sur la wüstite sous haute pression et haute température.
III.2.1.1 Echantillons.
III.2.1.2 Temps de transit.
III.2.1.3 Module élastique C11 sous pression et sur différentes isothermes.
III.2.2 Mesures neutronique sur la wüstite sous haute pression.
III.2.2.1 Echantillons.
III.2.2.2 Courbes de dispersion à conditions ambiante.
III.2.2.3 Modules élastiques de cisaillement C44, et C’=1/2(C11-C12) sous pression.
Conclusion.
Références du Chapitre III.
Conclusion

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