高压实验技术基础-讲义

高压物理实验基础及水的相变

在自然界中，压力、温度、化学组分是对物质结构和性质有普遍影响的三个重要变量。高压物理学是研究物质在高压力作用下物理行为的学科，是以材料科、地球科学以及行星等学科为背景发展起来的。高压物理的研究领域几乎包含凝聚态物理学的全部分支。要获得高压下物质的行为信息，必须具备特殊精巧及专门的实验技术和实验方法，这是高压物理作为一门学科的另一个原因。

随着高压实验技术的快速发展，高压物理学得到了迅速发展。高压研究可以发现物质的一些常压下不能表现出来的新现象，进而揭示新规律、新性能，乃至发现新物质，为研究物质性质和压力效应提供了新的途径；高压可以改变物质中原有电子的关联作用及电子与晶格的相互作用；压力可以改变过渡金属与稀土离子的配位场，使之出现发射光谱的频率移动，反映压力对这些离子的电子能级的调谐作用；压力可以使分子晶体、离子晶体、共价晶体中的某些电子由局域化变为共有化，使之成为导体；一些物质在高压下可以变成非晶，这种变化可以通过原子和分子集团的取向无序化而实现；压力还可以有效地改变物质中原子的电子自旋排列，使一些物质出现了铁磁（反铁磁）－顺磁相变，铁电相变、铁弹相变等等。

高压所引发的众多常压下难以观察到的新奇的物理现象，对于丰富和发展凝聚态理论具有重要的意义；高压下物质所呈现出的众多的新结构和新性质，是发现和截获具有新颖性质的新型材料的重要源泉。因此，高压物理是以材料科学、地球物理学以及天文学的需要为背景发展起来的一门意义重大的物理学分支，是人类认识自然、开启宇宙之门的钥匙。

一、实验目的

①了解高压实验基本装置及其工作原理，掌握其组装及调试方法；

②掌握压力标定的基本方法，利用压机测量水在高压下的结构相变，利用红宝石标压

法获得水的相变压力。

二、实验原理

1、压力的单位及分类

压力在生活中十分常见，如：人类生活在大气层里，感受到的是空气的压力；钉子之所以能够钉进木板，是因为在钉尖这个很小的面积上可以产生极高的压力；炸弹爆炸时，周围石块受到强气流冲击，在高的压力作用下飞出。描述压力效应的物理量是压强，定义为垂直

作用于单位面积上的力。

压强的国际单位为Pa，定义为每平方米作用一个牛顿的力，1Pa=1N/m2。大气压强，定义为0℃下密度为13.5951 g/cm3、高为76cm的水银柱，在加速度为9.80665m/s2的重力场中作用于底部单位面积上的力，称为标准大气压，记作atm。在绝对单位制中【以长度（单位厘米，代号为㎝）、质量（单位克，代号为g）、时间（单位为秒，代号为s）为基本单位】，以作用于1cm2面积上1dyn（10-5N）的力作为压力单位，称作barge。由于该单位太小，常用106dyn/cm2作为压力单位，称为bar。

1GPa=109Pa=104bar=10Kbar=0.9869×104atm≈104atm

我们常说的达到百万大气压指106atm和100GPa的量级，而bar和atm之间误差不大，所以大部分时候把大气压和bar近似为一个量级的单位，我们高压实验常用的单位是GPa。

按照压力的产生原理、存在时间的长短等将高压分为静高压和动高压两类。

静高压：活塞圆筒、金刚石压机、水压油压，以及地球、太阳、白矮星、中子星等天体内部。压力稳定，持续时间长。几十GPa 最高为几百GPa，压力和温度可控动高压：炮弹、原子弹、氢弹等爆炸，撞击过程产生的高压，持续时间短，往往只有微秒（µs，10-6s）数量级，而且压力随时间发生变化。一般几百GPa，甚至几千GPa，成本低，伴随温度上升。

2、高压科学的发展

高压物理的发展已有二百多年的历史，早在1762年，Canton就进行了对水的压缩性实验；直到十九世纪末，高压实验基本上仅限于对液态压缩性观察；到了二十世纪初，Tammann 利用体积随压力变化的不连续现象来测定固体的熔点与相变，开创了高压相变的研究；但这些研究一直是在5GPa以下的压力范围内进行的，属于高压物理研究的初始阶段。到了20世纪30年代，美国哈佛大学的P. W. Bridgman教授设计了Bridgeman对顶压砧，使压力可以达到10 GPa，奠定了高压物理的基础。20世纪40年代末，汤定元设计了用一对烧结金刚石做压砧产生高压的现代金刚石压砧的雏形，并首次发现了金属铈的压致电子相变。1959年，美国人Jamieson、Lawson、Nachtrieb和Wier开发了新型对顶砧装置，采用单晶金刚石做为压砧，并利用它进行了原位的高压X射线衍射及红外光谱实验。自此，金刚石压机成为进行高压实验的强有力工具。随着1965年金属密封材料技术的引进，以及1973年红宝石压标的出现，金刚石压机成为高压研究中最流行的装置，它的发明也促进了高压科学研究的快速发展。

近年来，人们不断对高压装置进行改进、升级。现如今，静态高压技术已突破500 GPa，

静态温度达到6000 K以上。基于地下核爆、电炮、磁通压缩和轨道炮等动态高压新技术的发展，动态高压目前已经可以达到数千GPa。

3、大质量支撑原理

在大物体的小面积上产生高压，由于周围材料的支撑作用，物体可承受比其压缩弹性极限大的应力，这就是大质量支撑原理。大质量支撑原理对产生高压是至关重要。理想情况下，只采用大质量支撑原理所产生的压力能达到材料压缩强度的3.57倍左右，如果采用一些其他技术，如通过压砧与外部箍环的过盈配合产生预应力，可达到更高的压力。

三、实验装置

1、压砧的选择和砧面设计

实际应用中，根据所需压力的大小可选用不同材料的压砧。如：白宝石、高强度钢、WC硬质合金、立方氮化硼、多晶金刚石烧结体、单晶金刚石、锆石等等。其中单晶金刚石是最常用的压砧材料。金刚石压砧分为Ⅰ型和Ⅱ型。Ⅰ型金刚石中氮杂质含量较高，呈淡黄色，Ⅱ型金刚石中氮杂质含量较低，纯的金刚石为Ⅱa型，呈无色透明状。

常用的标准金刚石砧面都是16边，高度约为2.0-2.6毫米，底面直径一般大于3毫米。上砧面根据不同实验极限压力需要可以设计为50-1000微米。为了获得更高的压力，上砧面还可以设计成倒角型或者二次倒角型，如图1。本实验中所使用的是白宝石压砧，上砧面直径600微米，无倒角。白宝石硬度虽然比金刚石差，但价格却低很多，在近代物理实验中是性能良好的金刚石压砧的替代品。

图1 金刚石砧面的设计。

2、金刚石对顶砧装置（Diamond Anvil Cell, DAC）

金刚石对顶砧的工作原理如图2所示，样品、标压物质和传压介质一起填充在金属封垫的样品腔内，垫片被放在两个平行相对放置的金刚石压砧之间，通过挤压金刚石从而在样品腔中产生压力。由于采用大质量支撑原理，并且金刚石的砧面很小，很容易在样品腔内产生很高的压力。