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1傳統(tǒng)科研中的靜高壓實(shí)驗(yàn)裝置

高壓按實(shí)驗(yàn)條件可分為動(dòng)高壓和靜高壓．動(dòng)高壓利用沖擊波作動(dòng)力獲得瞬時(shí)高壓，壓值可高達(dá)幾百萬甚至幾千萬個(gè)大氣壓，同時(shí)伴隨驟然升溫．利用外界機(jī)械加載方式，緩慢逐漸施加負(fù)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(shí)驗(yàn)技術(shù)都指的是靜高壓范疇．現(xiàn)代高壓科學(xué)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(rèn)最為適合產(chǎn)生高壓并且廣泛應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)裝置金剛石對頂砧．高壓科學(xué)的發(fā)展一直與加壓的實(shí)驗(yàn)裝置密不可分．DAC即金剛石對頂砧高壓實(shí)驗(yàn)裝置．DAC最早模型：借助杠桿原理，把2個(gè)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(dāng)時(shí)最高壓力達(dá)到約10GPa．后來金屬墊圈的使用改變了這一現(xiàn)狀：1個(gè)墊圈放置于2個(gè)金剛石砧之間對產(chǎn)生高壓非常有利，同時(shí)墊圈的使用使DAC有小腔來裝固體或液體樣品．金剛石對頂砧的定位十分重要，因?yàn)榻饎偸忠姿椋ぷ髌脚_(tái)必須平行而且直徑吻合．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(dāng)或壓力槽結(jié)構(gòu)不佳（比如沒調(diào)準(zhǔn)線性）等造成的．使用一定強(qiáng)度的金屬墊圈并且定位完美的DAC，才可以達(dá)到較高的壓力．高壓科學(xué)發(fā)展到現(xiàn)在，DAC高壓實(shí)驗(yàn)技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在最前沿的高壓科學(xué)實(shí)驗(yàn)中．

2DAC高壓裝置壓砧方面的改進(jìn)

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(xué)性質(zhì)還是硬度都無可比擬，但是唯一的缺點(diǎn)就是價(jià)格昂貴，1對實(shí)驗(yàn)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(xùn)練的實(shí)驗(yàn)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(yàn)，或者不夠細(xì)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(gè)需要長期訓(xùn)練的工作．如果讓學(xué)生一開始沒有經(jīng)驗(yàn)的情況下就使用金剛石進(jìn)行調(diào)試，有很大概率會(huì)損傷金剛石．金剛石一旦有一點(diǎn)破損，就無法繼續(xù)進(jìn)行高壓實(shí)驗(yàn)，而這對金剛石也就無法再利用了．如果開設(shè)了相關(guān)實(shí)驗(yàn)課，大量學(xué)生循環(huán)實(shí)驗(yàn)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?yàn)檫@方面原因，高壓科學(xué)方面的實(shí)驗(yàn)一直難以走進(jìn)大學(xué)近代物理實(shí)驗(yàn)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(lán)色或沒有色的剛玉，普遍都會(huì)被歸入藍(lán)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(xué)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(jià)格并不高，1對白寶石壓砧的價(jià)格為800～1000元，而且可以反復(fù)利用，破損率并不高．較之金剛石的價(jià)格，白寶石壓砧即經(jīng)濟(jì)又實(shí)惠．不過白寶石也存在問題，它能承受的壓強(qiáng)不高，最高也只有1～2GPa．但是在近代物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，獲得這樣的壓力已經(jīng)足夠了。

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(shí)墊片就不能繼續(xù)采用T301鋼片，因?yàn)門301鋼片的硬度過高，白寶石預(yù)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(qiáng)調(diào)如果用純銅，硬度相對較軟，應(yīng)采用黃銅或磷銅片作為墊片．

4結(jié)束語

隨著高壓科學(xué)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(shí)驗(yàn)，但是面臨資金有限、技術(shù)缺乏等問題．高壓實(shí)驗(yàn)技術(shù)的提高可以通過大量的訓(xùn)練完善，而實(shí)驗(yàn)中金剛石的損壞則是成本巨大．外加上金剛石的價(jià)值問題，實(shí)驗(yàn)中的丟失與管理也會(huì)相應(yīng)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(jià)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(jī)降低了成本，但是實(shí)驗(yàn)效果相近，可以讓學(xué)生簡單方便地練習(xí)高壓實(shí)驗(yàn)技術(shù)，容錯(cuò)性低，便于廣泛推廣．這種高壓實(shí)驗(yàn)裝置可以廣泛推廣到各大高校的近代物理實(shí)驗(yàn)課堂中．學(xué)生的實(shí)際課堂反饋效果非常好，讓學(xué)生對高壓技術(shù)有了初步的了解，并為以后繼續(xù)學(xué)習(xí)高壓科學(xué)打下了基礎(chǔ)。

作者：梁桁楠 周海寧 李巖 劉帥 郭茂森 單位：吉林大學(xué)物理學(xué)院