適應近代物理實驗課堂要求的高壓實驗裝置的改進

梁桁楠,周海寧,李　巖,劉　帥,郭茂森

(吉林大學 物理學院，吉林 長春 130012)

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適應近代物理實驗課堂要求的高壓實驗裝置的改進

梁桁楠,周海寧,李巖,劉帥,郭茂森

(吉林大學 物理學院，吉林 長春 130012)

摘要：將高壓科學實驗技術(shù)引入到近代物理實驗課堂，采用剛玉代替金剛石作為壓貼，并用黃銅或磷銅作為墊片，改進后的DAC壓機成本低，可應用于學生實驗.

關(guān)鍵詞：DAC；壓砧；墊片；高壓

大學近代物理實驗課堂中，引入高壓科學的相關(guān)實驗題目總是存在一系列困難. 教師高壓實驗技術(shù)的訓練是可以通過大量練習彌補的，而高壓實驗中耗材的成本巨大才成為高壓實驗難以走進大學近代物理教學課堂的重要問題. 由于本科或研究生的實驗課教學群體巨大，昂貴的耗材不可能適應長期的繁重的教學任務(wù). 而本文則解決了該問題，成功找到了一種簡單、易操作、容錯率低并且耗材成本低廉的實驗手段完成高壓實驗在本科或研究生中的教學任務(wù).

1傳統(tǒng)科研中的靜高壓實驗裝置

高壓按實驗條件可分為動高壓和靜高壓. 動高壓利用沖擊波作動力獲得瞬時高壓，壓值可高達幾百萬甚至幾千萬個大氣壓，同時伴隨驟然升溫. 利用外界機械加載方式，緩慢逐漸施加負荷擠壓所研究的物體而使其內(nèi)部產(chǎn)生很高的壓力，稱為靜態(tài)高壓. 本文中涉及的高壓相關(guān)的實驗技術(shù)都指的是靜高壓范疇.

現(xiàn)代高壓科學飛速發(fā)展，從早期的活塞-圓通裝置、布里奇曼對頂砧等，到現(xiàn)階段世界范圍內(nèi)承認最為適合產(chǎn)生高壓并且廣泛應用的實驗裝置金剛石對頂砧. 高壓科學的發(fā)展一直與加壓的實驗裝置密不可分[1]. DAC即金剛石對頂砧高壓實驗裝置. DAC最早模型：借助杠桿原理, 把2個金剛石表面對壓, 結(jié)果金剛石表面之間的樣品很快被壓碎. 這是 DAC 最原始的簡單模型, 當時最高壓力達到約10 GPa. 后來金屬墊圈的使用改變了這一現(xiàn)狀:1個墊圈放置于2個金剛石砧之間對產(chǎn)生高壓非常有利, 同時墊圈的使用使DAC有小腔來裝固體或液體樣品(圖1). 金剛石對頂砧的定位十分重要, 因為金剛石十分易碎, 工作平臺必須平行而且直徑吻合.

圖1　壓砧及墊片結(jié)構(gòu)

約90%的鉆石碎裂不是在很高的壓力下發(fā)生的,而是由于操作不當或壓力槽結(jié)構(gòu)不佳( 比如沒調(diào)準線性) 等造成的. 使用一定強度的金屬墊圈并且定位完美的 DAC,才可以達到較高的壓力. 高壓科學發(fā)展到現(xiàn)在，DAC高壓實驗技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，已經(jīng)廣泛應用在最前沿的高壓科學實驗中[2].

2DAC高壓裝置壓砧方面的改進

為了得到百萬大氣壓量級的高壓，DAC裝置采用金剛石作為壓砧[3]. 眾所周知，金剛石是世界上最硬的物質(zhì)，它有著莫氏硬度為10的出眾性質(zhì)，作為壓砧無論是光學性質(zhì)還是硬度都無可比擬，但是唯一的缺點就是價格昂貴，1對實驗中品性良好的金剛石至少要1萬元人民幣. 而且在科研中長期總結(jié)發(fā)現(xiàn)沒有受過長期訓練的實驗操作者，在完成對金剛石壓砧對中調(diào)平的過程中沒有足夠經(jīng)驗，或者不夠細心的情況下，沒有按要求把金剛石對頂?shù)恼杳嫱耆{(diào)平，就很容易使金剛石在加壓的過程中碎裂. 但是調(diào)試金剛石完全對中與調(diào)平又是一個需要長期訓練的工作. 如果讓學生一開始沒有經(jīng)驗的情況下就使用金剛石進行調(diào)試，有很大概率會損傷金剛石. 金剛石一旦有一點破損，就無法繼續(xù)進行高壓實驗，而這對金剛石也就無法再利用了. 如果開設(shè)了相關(guān)實驗課，大量學生循環(huán)實驗難免不發(fā)生此類金剛石破損的事故，而事故的成本又是巨大的. 正是因為這方面原因，高壓科學方面的實驗一直難以走進大學近代物理實驗的課堂.

本文采用剛玉(氧化鋁)代替金剛石作為DAC加壓裝置的壓砧則可以很好地解決該問題. 首先剛玉是由氧化鋁(Al2O3)的結(jié)晶形成的寶石. 摻有金屬鉻的剛玉顏色鮮紅，一般稱之為紅寶石；而藍色或沒有色的剛玉，普遍都會被歸入藍寶石的類別. 剛玉的莫氏硬度為9，非常接近金剛石. 而且無色的白寶石也完全對光學相關(guān)測試沒有影響，可以說是一種非常好的金剛石壓砧的替代品，白寶石壓砧如圖2所示. 更主要的是它的價格并不高，1對白寶石壓砧的價格為800～1 000元，而且可以反復利用，破損率并不高. 較之金剛石的價格，白寶石壓砧即經(jīng)濟又實惠. 不過白寶石也存在問題，它能承受的壓強不高，最高也只有1～2 GPa. 但是在近代物理實驗教學中，獲得這樣的壓力已經(jīng)足夠了.

(a)

(b)

3墊片的選擇

傳統(tǒng)金剛石壓砧的硬度很高，與金剛石配套使用的墊片是型號為T301的鋼片，其具有很好的延展性和適中的硬度. 如果采用白寶石作為壓砧時墊片就不能繼續(xù)采用T301鋼片，因為T301鋼片的硬度過高，白寶石預壓過程中容易損壞，難以與其搭配使用. 根據(jù)該情況，找到了配合白寶石壓砧使用的墊片，即銅片. 銅片相對鋼片的硬度更適合搭配白寶石. 這里要強調(diào)如果用純銅，硬度相對較軟，應采用黃銅或磷銅片作為墊片.

4結(jié)束語

隨著高壓科學的發(fā)展，各大高校迫切需要開設(shè)與高壓先關(guān)的近代物理基礎(chǔ)性實驗，但是面臨資金有限、技術(shù)缺乏等問題. 高壓實驗技術(shù)的提高可以通過大量的訓練完善，而實驗中金剛石的損壞則是成本巨大. 外加上金剛石的價值問題，實驗中的丟失與管理也會相應存在巨大挑戰(zhàn). 本文中找到了一種金剛石壓砧的替代品——白寶石(又名剛玉)壓砧. 利用這種價格低廉的壓砧，配合硬度及韌性適中的黃銅或磷銅片作為墊片. 這種組合的DAC壓機降低了成本，但是實驗效果相近，可以讓學生簡單方便地練習高壓實驗技術(shù)，容錯性低，便于廣泛推廣. 這種高壓實驗裝置可以廣泛推廣到各大高校的近代物理實驗課堂中. 學生的實際課堂反饋效果非常好，讓學生對高壓技術(shù)有了初步的了解，并為以后繼續(xù)學習高壓科學打下了基礎(chǔ).

參考文獻：

[1]Zha C S, Mao H K, Hemley R J. Elasticity of MgO and a primary pressure scale to 55 GPa [J]. Physical Sciences， 2001,97(25):13494-13499.

[2]梁桁楠. LiMVO(M=Cu,Ni,Mn)型鋰離子電池材料的高壓結(jié)構(gòu)研究[D]. 長春：吉林大學,2012.

[3]Mao H K, Shu J F, Hu J Z, et al. High-pressure X-ray diffraction study of diaspora [J]. Solid State Communications, 1994,90(8):497-500.

[責任編輯：郭偉]

Improvement of high-pressure experimental apparatus adapted to modern physics experiments

LIANG Heng-nan, ZHOU Hai-ning, LI Yan, LIU Shuai, GUO Mao-sen

(Department of Physics, Jilin University, Changchun 130012, China)

Abstract:The modern advanced high-pressure experimental technology was introduced to the modern physics experiment. The anvil was made by corundum instead of diamond, and the spacer was made by brass or phosphor copper. The improved DAC high-pressure experiment was inexpensive and suitable for modern physics experiment.

Key words:DAC; anvil; spacer; high-pressure

中圖分類號：O521.3

文獻標識碼：A

文章編號：1005-4642(2015)02-0032-02

作者簡介：梁桁楠(1983-)，男，吉林長春人，吉林大學物理學院講師，博士，從事凝聚態(tài)物理中的高壓物理研究.

收稿日期：2014-06-20；修改日期：2014-10-10

“第8屆全國高等學校物理實驗教學研討會”論文