超高压物理实验技术1

地球表面 78% N2, 21% O2 293 K， 1 atm
火星表面 Mostly (95%) CO2 230 K，0.006 atm
超高压和高温的概念
外部重量增长，行星内部受到压缩，消耗在 压缩内部的能量转变为热，因为热在岩石中 的移动、传导都很慢，所以它没有流散出去， 结果热积聚下来，地球内部的温度也就升高 了 。 每向地球里面走1公里 温度就会增加摄氏20度 地球的中心地区，温度约摄氏4000度
Center of white dwarf Center of Jupiter
10-2 1 102
Water vapor at triple point Atmospheric pressure (sea level)
Center of Sun
Deepest ocean
104 106 108
Center of the Earth
4、工程大气压为每平方厘米公斤数（kg/cm2）
l bar＝105Pa＝0.9869atm
1bar≈1atm 10kbar=1GPa 1Mbar=100GPa
静水压
静水压：受到的压力各向相同(如液体）
非静水压：受到的压力各个方向不同（高压下固 化的液体） 准静水压：各个方向的压力虽然不同，但只有微小的差别，可以 近似认为是静水压 剪切压：物体由于外因（载荷、温度变化等）而变形时，在它 内部任一截面的两方出现的相互作用力，称为“内力”，单位 面积上的内力称为“应力”。应力可分解为垂直于截面的分量， 称为“正应力”或“法向应力”；相切于截面的分量称为“剪 切应力”。
Center of neutron star
To Establish a Dimension
32
Classic Example: Carbon
Graphite
wenku.baidu.com
Diamond
P
33
Pressure-induced amorphization
The high-pressure behavior of water continues to present new questions and surprises
14
14
(GPa) Pressure P ressure (GPa)
150 150
Ice X
• bcc-like oxygen for ice(1998) VII and X Chou et al., Science • No other major phase transitions to at least 210 GPa
压力的历史发展
1989年获国际高压界最高奖— —布里季曼奖
Mao, Bell: 172GPa (1978) Bell, Mao: 185GPa (1979)
发表了900多篇学术论文，其中 仅“Nature”和“Science”就 有40余篇，研究成果多次作为杂 志封面。
Bell, Xu et.al.: 280GPa (1986)
[Hemley and Mao, J. Phys. Condens, Matter 49, 11157 (1998)]
amorphization
100 100
10 Volume (cm /12 mol) Volume (cm3 /mol)
3
16
16
18
18
(300 K)
H2O
(GPa) Pressure P ressure (GPa)
[ Heml ey and Mao, J. Phys . Condens , Matt er 49, 11157 (1998)]
Loubeyre et al., Nature (1999) Klotzet al., Nature (1999) Katoh et al., Science (2002) Struzhkin et al., PRL (1997) Goncharov et al., PRL (1999)
昂纳斯在进行实验
科学和技术中压力的历史发展
Bridgman对高压物理的贡献
P.W. Bridgman ( 美国哈佛大学教授，
1882-1961) 因为在高压物理领域的开 拓性贡献获得1946年诺贝尔物理奖。
孤独英雄
一生：260篇论文13本书 合作：2篇论文
发 明 和 发 展 了 高 压 设 备 与 技 术 ， 获 得 10GPa。 提出了“大质量支撑”原理和“多级加 压”原理
100
100
Symmetric H-bonding
Ice VII
5050
200 200
Ice VII
Ice VI VI Ice
Compression of H2O
(300 K)
modulation
200 200
6 8 10 12
VIII
00 6 8
Compression of Water Water Goncharov et al., Science (1996)
<0.5GPa 静水压 <3GPa 静水压 <3.5GPa 剪切压 <3.5GPa 剪切压
室温-800oC 室温-1600oC 室温 室温-1500oC 1ms内达 1000oC
1ms内达 动态超高压 各类爆轰装置 冲击压 技术 压缩空气炮、强激光 500GPa
行星上的温度和压力
金星表面 96% CO2, 3% N2 750 K，90 atm
Goncharov et al., PRL. (2005)
superionic
200 200
Compression of H 2O
(300 K)
(GPa) Pressure Pressure (GPa)
Liquid-liquid
150 150
Ice X
• bcc-like oxygen for ice VII and X • No other major phase transitions to at least 210 GPa
150
150
Ice X
• bcc-like oxygen for ice VII and X • No other major phase transitions to at least
Xu, Mao et.al.: 550GPa (1986)
Narayana et.al. 342GPa Nature(1998)
高压物理研究的应用领域
★ 固体地球科学
地球深部的物质组成和存在形式 地壳、地幔、地核的相互作用和演化 行星的物质结构
★ 凝聚态物理、化学和材料科学
高压物理实验技术
ftp://202.38.85.119
User:hp14 Password:hp14 Tel:63607671 Email:zzm@ustc.edu.cn 时间：二(3,4)，四(3,4) 考试：读书报告、开卷
参考文献
《大学物理实验》第四册 P327-339 《固体物理实验方法》(王华馥、吴自勤主编，高等教育出版社，1990 年)—第十二章：固体物理的高压研究方法 《地球深部物质科学导论》(谢鸿森著，科学出版社，1997年) 《实验环境技术—丸善实验物理学讲座第12卷》(本和光博、藤井保彦编， 丸善株式会社，2000年) 《High Pressure Experimental Methods》(M. Eremets，Oxford Sci. Pub.， 1996年) 《超高压－实验物理学讲座第18卷》(箕村茂编，共立出版株式会社， 1988年) 《High Pressure Methods in Solid State Research》(C.C. Bradley， Plenum Press，1969年) 《High Pressure Technology》(I.L. Spain、J.Paaue，Marcel Dekker， 1977年)
美国 Carnegie 地球物理实验室创立于 1907 年，设计了最初的高压 釜，奠定了水热合成法的基础，研究了高温高压下的相平衡、花 岗岩的形成机理。
超高压物理研究的历史
美国芝加哥大学的Lawson和汤定元设计了最早的一台金刚石压腔 装置，称为金刚石釜(Diamond Bomb)，腔体压力达到3GPa，可 以进行X射线研究。 美国国家标准局 NBS（现美国国家标准技术研究所 NIST的前身） 对高压物理学的发展产生了两大重要贡献： 对金刚石压腔的设计进行了重大改进，1958年Weir, Valkenberg, Lippincott, Bunting共同设计了现代金刚石对顶砧压机(Diamond Anvil Cell-DAC)的原型，用该高压光学装置首次观测了偏光显微 镜下的结晶形态、进行了红外光谱测量。 Block等人发现了红宝石荧光 R线随压力而发生线性位移的现象， 可利用该现象标定相当高的压力。
★ 超高压物理学概貌
★ 超高压的产生装置
★ 压力定标和实验技术
★ 高压下的物性研究 ★ 高压研究前沿领域
压强的单位
1、Pa (帕斯卡)是国际压强单位 (＝1N/m2 )
1 MPa＝106 Pa，1 GPa＝109 Pa
2、bar (巴)是常用压强单位 (=106dyn/cm2)
3、atm (大气压)称为标准大气压
1 GPa = 109N/m2 = 104 bar 10-8 10-6 10-4
Best mechanical pump vacuum
10-16 Pressure (Atmospheres)
Atmosphere at 300 miles
Pressure (Atmospheres)
10-8 1 108 1016 1024 1032
对流层：海拔每升高100米，温度降低0.6度。 平流层：高度越大，温度越高。
高压技术和工业的早期历史
1680：Papin高压釜(骨头萃取) 1662：Boyle 定律 ：温度不变PV=常数 1802：理想气体的状态方程式 1826：Perkins，水的压缩，0.2GPa 1873：Van der Waals 方程
极端条件(P,T,H)下的物性：相变，超导，超临界 新材料的合成：超硬 工业应用
★ 生命科学与生物技术
生命的起源 蛋白质折叠和变性
P-T-X
Three Dimensions in Science
Temperature A ubiquitous variable in ALL physical and biological sciences Composition Chemistry and materials science
Pressure Rivals T and X? Or a niche, extreme condition?
RANGE OF PRESSURE IN THE UNIVERSE
10-32 10-24
Interplanetary space Hydrogen gas in intergalactic space
具有安全阀的Papin高压釜
压力锅要在排气管冒气后再加上限压阀？
弹簧安全阀的作用有哪些？
高压技术和工业的早期历史
1806: Northmore，液化氯气 1835：Thilorier，二氧化碳的固化 1877：Cailletet，氧的液化 1900： Dewer，氢的液化（204K） 1908： Onnes，氦的液化 1926： Keeson，氦的固化
高压的获得手段
实验技术 实验装置 压力 受力性质 温度 金刚石对顶砧 低温-室温<550GPa (准)静水压 静态超高压 6000oC 大腔体装置 ( 多顶砧 , 技术 <30GPa (准)静水压 室温-3500oC 活塞圆筒)
水热体系高 高压釜装置 温高压技术 内加热釜 岩石力学高 单轴压力机 压实验技术 三轴压力容器
测量了一系列元素和化合物材料的高压 物性（压缩率、电导率、热导率、状态 方程、粘性、抗张强度）
超高压物理研究的历史
1941年，Bridgman开始高压金刚石的合成实验 。
Coes 首次合成出了柯石英 (Coesite) 及其它硅酸盐矿物。柯石英是 SiO2的高密度相，即高压相。
1955年，美国通用电气公司的Bundy, Hall, Strong, Wentof等人， 及瑞典ASEA公司的研究人员首次合成出人造金刚石。Wentof合成 了硬度仅次于金刚石的超硬材料立方氮化硼(BN)。 哈佛大学于 1933 年启动地球物理科学方面的一项研究计划， 1952 年Birch发表了“地球内部的弹性和组成”的论文。