Les anneaux synchrotrons (tels que l'ESRF à Grenoble) permettent de générer des faisceaux de rayons X (RX) de quelques micromètres de diamètre, avec beaucoup de flux, collimatés ou focalisés, qui sont particulièrement bien adaptés aux expériences de haute pression en cellule à enclumes de diamant.
Plusieurs types d’expériences sont envisageables avec les RX :
- diffraction des RX : études des structures des matériaux et de leurs changements avec la pression et la température ; mesures de compressibilité et de dilatation thermique ; texture et orientations préférentielles.
- Absorption et fluorescence X : étude des compositions chimiques et des environnements atomiques.
La diffraction des RX : principes et montage
Les figures ci-dessous illustrent les principes d’une expérience de diffraction des RX en cellule à enclumes de diamant
Les spectres de diffraction donnant les distances entre plans atomiques du minéral, cette technique permet de suivre in situ, à haute pression et température, les changements de phase des minéraux mais aussi comme nous allons le voir les variations de volume et donc de densité des minéraux en fonction de la pression et de la température.
Equations d’états des minéraux
Une équation d’état d’un matériau est une relation qui décrit les relations entre les grandeurs thermodynamiques pression-température-volume. Pour les gaz par exemple cette relation prend la forme :
PV=R T
Pour les solides elle est souvent exprimée sous la forme de l’équation de Birch-Murnaghan. A température ambiante cette équation s’écrit :
0 est le volume à pression ambiante et 300 K et V le volume à la pression P et à la température de 300 K. K0 est le module d’incompressibilité à pression et température ambiante. Il représente une mesure de la résistance d’un matériau à la compression et s’exprime par :
Comme les matériaux ne sont pas infiniment compressibles ce module augmente avec la pression et on définit K’ par :
Pour les minéraux les paramètres de l’équation d’état à température T0 à déterminer sont KT et K’T à partir de différents couples (P,V).
P et V sont mesurables en utilisant la cellule diamant couplée à des techniques de diffraction des RX. Les spectres de diffraction donnant les distances entre plans atomiques du minéral, on en déduit le volume molaire et si on fait l’expérience à différentes pressions on obtient la courbe de variation du volume en fonction de la pression.
