静高压实验技术主要有3种。①大压力机。其主要包括多面顶式压力机和活塞圆筒装置两种压力设备,可获得的温度范围一般低于3000 K,多面顶压机可产生的压强一般低于90 GPa,活塞-圆筒装置可产生的压强一般低于5 GPa,若采用二级活塞-圆筒装置,其工作压强可达10 GPa。这两种压力装置可获得的压强、温度范围相对有限,但可制备的样品尺寸较大,可用于高温高压条件下较大样品的相变、熔融、矿物或材料的合成和制备等实验研究。②金刚石对顶砧装置。该装置是目前能够获得最高压强的压力设备,最新报道中,采用二级加压结构的金刚石对顶砧可获得压强高达770 GPa,随后获得了最高突破1 TPa的压强。采用激光加热,可达到6000 K的高温。该装置几乎可满足地球内部所有物质的高温高压实验条件的需要。③高压釜装置。其可获得的温度和压强范围有限,一般低于1000 K和0.4 GPa。
1762年,Canton将水注入形状类似玻璃管状的容器内,并向该容器内不断注入空气,达到增大压强的作用,发现水的体积随着压强的增加逐渐减小。虽然当时的实验压强非常小,但是这是人类开展的最早的高压实验。19世纪初,Perkins突发奇想地将炮筒当作实验容器,并将装有实验样品的整个炮筒沉入海底,使得实验压强增加到1.96×108Pa。此后相当长的时间内,高压实验技术发展相当缓慢。直到1908年,Bridgman发明了对顶砧高压装置,该高压装置将实验压强范围从几万个大气压迅速提高到了几十万个大气压,极大地推动了高压实验技术向前发展。1950年,芝加哥大学的Lawson和Tang利用自然界中硬度最高的单晶金刚石作为压砧,设计出了世界上第一台金刚石压腔装置,称为金刚石釜。1959年,Weir等对金刚石压腔的设计进行了改进,共同设计出金刚石对顶砧(Diamond Anvil Cell,DAC)。金刚石对顶砧的出现,标志着高压实验技术从此进入了DAC时代。1978年,毛河光设计了Mao-Bell型高压实验装置,该研究工作的主要贡献是在金刚石压力砧面上引入了倒角设计,使得金刚石对顶砧的压强极限提高到了170 GPa。迄今为止,在红宝石的荧光测压技术、样品密封技术以及静水压技术等辅助技术的共同推动下,金刚石对顶砧压机获得的压强已经超过了500 GPa。
目前,静高压领域应用最为广泛的装置是金刚石对顶砧,本章将重点介绍金刚石对顶砧压力加载装置,基于金刚石对顶砧的原位拉曼光谱技术和同步辐射X射线衍射技术,用于判断静水压性及玻璃化转变压强的红宝石荧光技术,以及高压下样品性质的测量方法。(www.daowen.com)
近年来,在压力的基础上,研究者开始改变温度,发展变温高压实验技术。目前,样品的加温方法有外加热和激光加热法。外加热法通过金刚石外部的电炉进行加温,温度用热电偶进行测量。激光加热法一般用1.064μm波长的激光光束通过DAC的通光口被聚焦到样品上,样品吸收激光光束而被加温,其温度通过黑体辐射光谱测量获得。目前,采用激光加热可实现6000K的高温环境。
此外,基于激光激发的高压原位热导率测量也取得可喜进展,以DAC系统为基础,实现了稳恒热流状态下热导率原位测量技术。由于金刚石具有高强度和良好的光谱透过性,因此可以进行各种物理和化学参数的原位测量,进行高压下晶体结构和物质的谱学测量以及电学、磁学及弹性等物性测量。当前静态高压实验技术已取得了长足的进展,使其获得的数据更可靠、精度更高。
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