适应近代物理实验课堂要求的高压实验装置的改进

梁桁楠,周海宁,李　岩,刘　帅,郭茂森

(吉林大学 物理学院，吉林 长春 130012)



适应近代物理实验课堂要求的高压实验装置的改进

梁桁楠,周海宁,李岩,刘帅,郭茂森

(吉林大学 物理学院，吉林 长春 130012)

摘要：将高压科学实验技术引入到近代物理实验课堂，采用刚玉代替金刚石作为压贴，并用黄铜或磷铜作为垫片，改进后的DAC压机成本低，可应用于学生实验.

关键词：DAC；压砧；垫片；高压

大学近代物理实验课堂中，引入高压科学的相关实验题目总是存在一系列困难. 教师高压实验技术的训练是可以通过大量练习弥补的，而高压实验中耗材的成本巨大才成为高压实验难以走进大学近代物理教学课堂的重要问题. 由于本科或研究生的实验课教学群体巨大，昂贵的耗材不可能适应长期的繁重的教学任务. 而本文则解决了该问题，成功找到了一种简单、易操作、容错率低并且耗材成本低廉的实验手段完成高压实验在本科或研究生中的教学任务.

1传统科研中的静高压实验装置

高压按实验条件可分为动高压和静高压. 动高压利用冲击波作动力获得瞬时高压，压值可高达几百万甚至几千万个大气压，同时伴随骤然升温. 利用外界机械加载方式，缓慢逐渐施加负荷挤压所研究的物体而使其内部产生很高的压力，称为静态高压. 本文中涉及的高压相关的实验技术都指的是静高压范畴.

现代高压科学飞速发展，从早期的活塞-圆通装置、布里奇曼对顶砧等，到现阶段世界范围内承认最为适合产生高压并且广泛应用的实验装置金刚石对顶砧. 高压科学的发展一直与加压的实验装置密不可分[1]. DAC即金刚石对顶砧高压实验装置. DAC最早模型：借助杠杆原理, 把2个金刚石表面对压, 结果金刚石表面之间的样品很快被压碎. 这是 DAC 最原始的简单模型, 当时最高压力达到约10 GPa. 后来金属垫圈的使用改变了这一现状:1个垫圈放置于2个金刚石砧之间对产生高压非常有利, 同时垫圈的使用使DAC有小腔来装固体或液体样品(图1). 金刚石对顶砧的定位十分重要, 因为金刚石十分易碎, 工作平台必须平行而且直径吻合.

图1　压砧及垫片结构

约90%的钻石碎裂不是在很高的压力下发生的,而是由于操作不当或压力槽结构不佳( 比如没调准线性) 等造成的. 使用一定强度的金属垫圈并且定位完美的 DAC,才可以达到较高的压力. 高压科学发展到现在，DAC高压实验技术已经趋于成熟，已经广泛应用在最前沿的高压科学实验中[2].

2DAC高压装置压砧方面的改进

为了得到百万大气压量级的高压，DAC装置采用金刚石作为压砧[3]. 众所周知，金刚石是世界上最硬的物质，它有着莫氏硬度为10的出众性质，作为压砧无论是光学性质还是硬度都无可比拟，但是唯一的缺点就是价格昂贵，1对实验中品性良好的金刚石至少要1万元人民币. 而且在科研中长期总结发现没有受过长期训练的实验操作者，在完成对金刚石压砧对中调平的过程中没有足够经验，或者不够细心的情况下，没有按要求把金刚石对顶的砧面完全调平，就很容易使金刚石在加压的过程中碎裂. 但是调试金刚石完全对中与调平又是一个需要长期训练的工作. 如果让学生一开始没有经验的情况下就使用金刚石进行调试，有很大概率会损伤金刚石. 金刚石一旦有一点破损，就无法继续进行高压实验，而这对金刚石也就无法再利用了. 如果开设了相关实验课，大量学生循环实验难免不发生此类金刚石破损的事故，而事故的成本又是巨大的. 正是因为这方面原因，高压科学方面的实验一直难以走进大学近代物理实验的课堂.

本文采用刚玉(氧化铝)代替金刚石作为DAC加压装置的压砧则可以很好地解决该问题. 首先刚玉是由氧化铝(Al2O3)的结晶形成的宝石. 掺有金属铬的刚玉颜色鲜红，一般称之为红宝石；而蓝色或没有色的刚玉，普遍都会被归入蓝宝石的类别. 刚玉的莫氏硬度为9，非常接近金刚石. 而且无色的白宝石也完全对光学相关测试没有影响，可以说是一种非常好的金刚石压砧的替代品，白宝石压砧如图2所示. 更主要的是它的价格并不高，1对白宝石压砧的价格为800～1 000元，而且可以反复利用，破损率并不高. 较之金刚石的价格，白宝石压砧即经济又实惠. 不过白宝石也存在问题，它能承受的压强不高，最高也只有1～2 GPa. 但是在近代物理实验教学中，获得这样的压力已经足够了.

(a)

(b)

3垫片的选择

传统金刚石压砧的硬度很高，与金刚石配套使用的垫片是型号为T301的钢片，其具有很好的延展性和适中的硬度. 如果采用白宝石作为压砧时垫片就不能继续采用T301钢片，因为T301钢片的硬度过高，白宝石预压过程中容易损坏，难以与其搭配使用. 根据该情况，找到了配合白宝石压砧使用的垫片，即铜片. 铜片相对钢片的硬度更适合搭配白宝石. 这里要强调如果用纯铜，硬度相对较软，应采用黄铜或磷铜片作为垫片.

4结束语

随着高压科学的发展，各大高校迫切需要开设与高压先关的近代物理基础性实验，但是面临资金有限、技术缺乏等问题. 高压实验技术的提高可以通过大量的训练完善，而实验中金刚石的损坏则是成本巨大. 外加上金刚石的价值问题，实验中的丢失与管理也会相应存在巨大挑战. 本文中找到了一种金刚石压砧的替代品——白宝石(又名刚玉)压砧. 利用这种价格低廉的压砧，配合硬度及韧性适中的黄铜或磷铜片作为垫片. 这种组合的DAC压机降低了成本，但是实验效果相近，可以让学生简单方便地练习高压实验技术，容错性低，便于广泛推广. 这种高压实验装置可以广泛推广到各大高校的近代物理实验课堂中. 学生的实际课堂反馈效果非常好，让学生对高压技术有了初步的了解，并为以后继续学习高压科学打下了基础.

参考文献：

[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)型锂离子电池材料的高压结构研究[D]. 长春：吉林大学,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.

[责任编辑：郭伟]

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

中图分类号：O521.3

文献标识码：A

文章编号：1005-4642(2015)02-0032-02

作者简介：梁桁楠(1983-)，男，吉林长春人，吉林大学物理学院讲师，博士，从事凝聚态物理中的高压物理研究.

收稿日期：2014-06-20；修改日期：2014-10-10

“第8届全国高等学校物理实验教学研讨会”论文