动高压实验技术主要有各种爆轰装置和压缩轻气炮装置,可在1μs内产生0.5~1.0 TPa的高压,温度达到105K,物理学上属于绝热过程。动高压条件下冲击波加载的本质就是通过一定方法产生的大量能量(化学能、机械能、内能等)转化为机械波,并通过不同的波形整形系统来调整加载源与样品之间的波形,从而控制冲击加载的过程。常用的冲击波加载方式有通过高能炸药爆炸产生加载源的平面波发生器加载,以及通过压缩轻气(氩气或氢气)作为加载源的轻气炮加载。核爆炸产生的X射线、高功率脉冲激光以及粒子束也可用于冲击波加载源,但是这些方法的使用范围极其有限。
高能炸药平面波发生器是研究材料在动高压加载条件下动力学响应最早的加载手段。最早的平面波发生器作为加载源的工作原理是通过引爆平面波发生器里的高能炸药,然后对样品进行加载。这种加载方式的优点是实验数据的可重复性好及加载系统性能稳定。常见的高能炸药主要有TNT(三硝基甲苯)、PBX炸药、混合炸药以及巴拉托等。现今人们已经非常完备地掌握了这些炸药的爆轰参数,采用适当的计算方法,就可以方便简易地算出样品中所达到的压强值。
自20世纪60年代开始,研究者开始使用高压气体炮作为冲击波发生装置,这在冲击波压缩科学领域是一个最根本的技术性的突破。高压气体炮的原理是使用火药爆炸或压缩得到的高压气体加速弹丸,弹丸受力产生加速度,在光滑炮管内发生加速运动并达到设定速度,最后以高速射出的方式与事先精确放置的靶样品进行高速碰撞,以此来模拟样品的动高压加载环境。高压气体炮加载技术是一种精确加载技术,其重要技术指标主要包括加速弹丸的能源类型、加速弹丸所能达到的最大速度、炮管口径大小以及最为重要的弹丸与靶碰撞的平行度等,弹丸的加速距离也是其应该考虑的因素之一。高压气体炮技术的优点在于多功能的加载手段、加载压强覆盖范围大、加载压强大小稳定以及非常好的精确度。
鉴于静高压加载技术存在样品尺度小、加载速率低和压强分布不均等方面的局限性,我们认为它在研究相变速率问题方面没有优势。相反,冲击动高压加载技术具有样品尺寸大、加载时间快、压强分布均匀等优点,它可以使样品材料在纳秒时间内均匀地达到所要求的极端条件,所以冲击动高压加载应成为研究相变动力学问题的首选方法。(www.daowen.com)
2013年,冲击动高压加载技术与高分辨率拉曼光谱测技术相结合,并且能够兼容高速摄像技术,成功实现了动态高压条件下的拉曼光谱原位测量和原位成像。该方法以染料激光作为激发光源,监测时间可以持续微秒尺度,保证了多次冲击加载过程的测量。入射光经介质膜反射镜反射后,聚焦进入样品中心区域,在45°方向收集散射光,这样保证了入射光的强度,且提高了光的收集效率。光谱、激光及轻气炮的同步由电探针、光探针及延迟装置来控制,提高了同步精度。
此外,近年来动态加载电阻测量实验测量技术也取得了重要突破。以动态加载装置和金刚石对顶砧(DAC)实验技术为基础,将磁控溅射技术和DAC技术相结合,解决了在DAC表面进行微电路制备的难题。基于动态加载装置,解决了动态加载过程中电压信号的采集,建立了动态加载电阻测量法。
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