超高压物理实验技术1PPT文档

高压物理实验技术一高压物理：开卷★超高压物理学概貌★超高压的产生装置★压力定标和实验技术★高压下的物性研究★高压研究前沿领域压强的单位1、Pa(帕斯卡)是国际压强单位(＝1N/m2)1MPa＝106Pa，1GPa＝109Pa2、bar(巴)是常用压强单位(=106dyn/cm2)3、atm4、工程大气压为每平方厘米公斤数（kg/cm2）(大气压)称为标准大气压lbar＝105Pa＝0.9869atm1bar≈1atm10kbar=1GPa1Mbar=100GPa静水压静水压：受到的压力各向相同(如液体）非静水压：受到的压力各个方向不同（高压下固化的液体）准静水压：各个方向的压力虽然不同，但只有微小的差别，可以近似认为是静水压剪切压：物体由于外因（载荷、温度变化等）而变形时，在它内部任一截面的两方出现的相互作用力，称为“内力”，单位面积上的内力称为“应力”。应力可分解为垂直于截面的分量，称为“正应力”或“法向应力”；相切于截面的分量称为“剪切应力”。高压的获得手段实验技术实验装置压力受力性质温度金刚石对顶砧低温-室温-静态超高压技术<550GPa(准)静水压6000oC大腔体装置(多顶砧,活塞圆筒)<30GPa(准)静水压室温-3500oC水热体系高高压釜装置温高压技术内加热釜岩石力学高单轴压力机压实验技术三轴压力容器动态超高压各类爆轰装置<0.5GPa静水压室温-800oC<3GPa<3.5GPa剪切压<3.5GPa剪切压1ms内达静水压室温-1600oC室温室温-1500oC1ms内达冲击压o技术压缩空气炮、强激光500GPa1000C行星上的温度和压力金星表面地球表面火星表面96%CO2,3%N750K，90atm278%N293K，1atm2,21%O2Mostly(95%)CO2230K，0.006atm超高压和高温的概念地球内部结构Thethreeconcentriclayersmantle,formedhundredyearscoalescence4.5billionyearsago.-thecore,andcrustwithinafewmillionofEarth's地球内部压力分布DepthTemperatureinoCPressure(bar)670km2.3x10510001.3x1062900km20005154km40001.3x1066400km~60003.6x106外部重量增长，行星内部受到压缩，消耗在压缩内部的能量转变为热，因为热在岩石中的移动、传导都很慢，所以它没有流散出去，结果热积聚下来，地球内部的温度也就升高了。每向地球里面走1公里温度就会增加摄氏20度地球的中心地区，温度约摄氏4000度对流层：海拔每升高100米，温度降低0.6度。平流层：高度越大，温度越高。地球内部主要矿物olivinespinelperovskitePost-perovskiteMoltenironFe-Ni高压技术和工业的早期历史1680：Papin高压釜(骨头萃取)1662：Boyle定律：温度不变PV=常数1802：理想气体的状态方程式1826：Perkins，水的压缩，0.2GPa1873：VanderWaals方程具有安全阀的Papin高压釜压力锅要在排气管冒气后再加上限压阀？弹簧安全阀的作用有哪些？高压技术和工业的早期历史1806:1835：Thilorier，1877：Cailletet，Northmore，液化氯气二氧化碳的固化氧的液化1900：Dewer，氢的液化（204K）1908：Onnes，氦的液化1926：Keeson，氦的固化昂纳斯在进行实验科学和技术中压力的历史发展Bridgman对高压物理的贡献P.W.Bridgman(美国哈佛大学教授，1882-1961)因为在高压物理领域的开拓性贡献获得1946年诺贝尔物理奖。发明和发展了高压设备与技术，获得10GPa。孤独英雄提出了“大质量支撑”原理和“多级加压”原理一生：260篇论文13本书合作：2篇论文测量了一系列元素和化合物材料的高压物性（压缩率、电导率、热导率、状态方程、粘性、抗张强度）超高压物理研究的历史1941年，Bridgman开始高压金刚石的合成实验。Coes首次合成出了柯石英(Coesite)及其它硅酸盐矿物。柯石英是SiO的高密度相，即高压相。21955年，美国通用电气公司的Bundy,Hall,Strong,Wentof等人，及瑞典ASEA公司的研究人员首次合成出人造金刚石。Wentof合成了硬度仅次于金刚石的超硬材料立方氮化硼(BN)。哈佛大学于1933年启动地球物理科学方面的一项研究计划，1952年Birch发表了“地球内部的弹性和组成”的论文。美国Carnegie地球物理实验室创立于1907年，设计了最初的高压釜，奠定了水热合成法的基础，研究了高温高压下的相平衡、花岗岩的形成机理。超高压物理研究的历史美国芝加哥大学的Lawson和汤定元设计了最早的一台金刚石压腔装置，称为金刚石釜(DiamondBomb)，腔体压力达到3GPa，可以进行X射线研究。美国国家标准局NBS（现美国国家标准技术研究所NIST的前身）对高压物理学的发展产生了两大重要贡献：对金刚石压腔的设计进行了重大改进，1958年Weir,Valkenberg,Lippincott,Bunting共同设计了现代金刚石对顶砧压机(DiamondAnvilCell-DAC)的原型，用该高压光学装置首次观测了偏光显微镜下的结晶形态、进行了红外光谱测量。Block等人发现了红宝石荧光R线随压力而发生线性位移的现象，可利用该现象标定相当高的压力。压力的历史发展1989年获国际高压界最高奖——布里季曼奖Mao,Bell:172GPa(1978)发表了900多篇学术论文，其中仅“Nature”和“Science”就有40余篇，研究成果多次作为杂志封面。Bell,Mao:185GPa(1979)Bell,Xuet.al.:280GPa(1986)Xu,Maoet.al.:550GPa(1986)Narayanaet.al.342GPaNature(1998)高压物理研究的应用领域★固体地球科学地球深部的物质组成和存在形式地壳、地幔、地核的相互作用和演化行星的物质结构★凝聚态物理、化学和材料科学极端条件(P,T,H)下的物性：相变，超导，超临界新材料的合成：超硬工业应用★生命科学与生物技术生命的起源蛋白质折叠和变性P-T-X（压强-温度-组分）ThreeDimensionsinScienceTemperature-AubiquitousvariableinALLphysicalandbiologicalsciencesComposition-ChemistryandmaterialssciencePressure-RivalsTandX?Oraniche,extremecondition?RANGEOFPRESSUREINTHEUNIVERSE1GPa=109N/m2=104bar10-32Hydrogengasinintergalacticspace10-810-2410-6BestmechanicalpumpvacuumInterplanetaryspace10-1610-4AesWatervaporattriplepoint10-810-211Atmosphericpressure(sealevel)108CenterofJupiter102Pressure(Atmospheres)CenterofSunDeepestocean1016104Centerofwhitedwarf1024106CenteroftheEarthCenterofneutronstar1032108ToEstablishaDimension24ClassicExample:CarbonGraphiteDiamondP25Pressure-inducedamorphizationThehigh-pressurebehaviorofwatercontinuestopresentnewquestionsandsurprisesGoncharovetal.,PRL.(2005)200200superionicCompressionofH(300K)2OLiquid-liquid150150IceX••bcc-likeoxygenforiceVIIandXNoothermajorphasetransitionstoatleast210GPaLoubeyreetal.,Nature(1999)[HemleyandMao,J.Phys.Condens,Matter49,11157(1998)]100Pressure(GPa)100SymmetricH-bondingKlotzetal.,Nature(1999)Pressure(GPa)Katohetal.,Science(2002)5050IceVIIIceVIIStruzhkinetal.,PRL(1997)200200CompressionofH2Omodulation200IceVIIceVIGoncharovetal.,PRL(1999)(300K)VIII0068200101214Goncharov16WaterWaterCompressionofHetal.,Science18(300K)(1996)2O150150100amorphization100IceXChouetal.,Science••bcc-likeoxygenforiceVIIandXNoothermajorphasetransitionstoatleast210GPa[HemleyandMao,J.Phys.Condens,Matter(1998)49,11157(1998)]681012Volume(cmVolume(cm33/mol)/mol)14•1618bcc-likeoxygenforiceVIIandX•Noothermajorphasetransitionstoatleast210[HemleyandMao,J.Phys.Condens,Matter49,11157(1998)]150150IceXPressure(GPa)Pressure(GPa)5050IceVIIIceVII10010000IceVIIceVIWaterWaterCaietal.,PRL66(2005)88Volume(cm1010Volume(cm33/1212mol)/mol)141416181618Pressure(GPa)Pressure(GPa)50IceVIIIceVII50IceVIIceVI27SuperconductivityinLightElements20fcccI16??-NOVELSUPERCONDUCTORS--23elements;O,S,B,Fe,Li1816141210PeriodicTableofSuperconductorsP=0P>0Temperature,K86Li20406080Pressure,GPaShimizuetal.Nature(2002)StruzhkinHanflandetal.etal.NatureNature(2000)(2002)Neaton&AshcroftNature(1999)Li[Ashcroft,Nature(2002)]LiSBEremetsetal.Science(2001)[Struzhkinetal.Nature(1997)]28H2-2H2OHydrogenClathrateForhydrogenstorageapplicationsXraydiffractionshowssIIstructurewithmultipleHineachHHigh-pressureneutrondiffractionrevealtheexactnumberanddynamicpositionofH2inH2Ocages2occupancyLokshinetal,PRL4.02Ocage93,125503(2004)3.5Largecageoccupancymolecules3.0W.Maoetal,297,2247(2002)Science22.52.065.554.54d-spacing,Å3.532.5NumberofD1.5Smallcageoccupancy1.03110.54060801001201401601800.36Temperature(K)0.33Intensity0.30620220400531331422440333511222533OMolarRatio20.27/DD20.240.212535455565Energy,keV0.18406080100120140160180Temperature(K)ANVILDEVELOPMENTSGrowthofgiantsingle-crystaldiamondsbychemicalvapordeposition(CVD)DiamondGrowinginaPlasmaReactorGrowthrateimprovedfrom1µm/hrto300-500µm/hr[Yan12523(2002)]etal.PNAS99,5/16/05Newsrelease:10carat,single-crystal,colorlessCVDdiamond7mmdiameter,12mmlength,Productionofregulardiamondanvil•2.45mmhigh••Grownin1dayreached200GPa•0.28carats••Grownin1dayreached200GPaW.Maoetal,APL83,5190(2003)Yan201,R27(2004)etal.Phys.Stat.Sol.CVDdiamondbullet7x12mm(10ctwt.)colorlessCVDdiamond1carateach31DAC:P=F/ADiamondisthestrongestmaterialandistransparenttomostPdVolume50GPa~200mm~10nl(10-9l)electromagneticwaves(lightandx200GPa~20mm~1pl(10-12l)-ray).Example:A=300µm,B=30µm,q=8.5°for0.3ctdiamondtoreach300GPa.32Pressureopensanewdimensionforallsciences•FundamentalChemistry&PhysicsNovelTransitionsandStatesofMatter•MaterialsScienceNewClassesofMaterials•Geophysics&GeochemistryInSituMeasurementstoCoreConditions•Planetology&AstrophysicsExtrasolarPlanetsandWarmDenseMatter•BiologyandBiochemistryAdaptationandEvolution温度+压力国际高压物理学研究历史发展1965年，Arizona，“高压下的固体物理”第一届国际会议高压科学技术发展国际组织—AIRAPTInternationalAssociationfortheAdvancementofHighPressureScienceandTechnologyAIRAPT国际会议：每2年举行一次1985年后的会议上颁发Bridgman高压科学杰出贡献奖1963年，英国标准电信实验室欧洲高压研究团组—EHPRGEuropeanHighPressureResearchGroup2002年，北京，第一届亚洲高压研究国际会议高压下的分子固体利用同步辐射的高压和高温研究利用X光和中子源的高压谱学研究固体的谱学强关联电子体系中的物理性质由强激光、脉冲辐射产生的冲击波和压力现象AIRAPT-18高压科学中的计算物理合成金刚石和其它超硬材料高压下新材料的合成和性质地球物质在压力下的物理性质水和冰的物理与化学化学反应和动力学高压下流体的超临界性质高压生命科学和生物技术高压标定和技术(2001,北京)国际高压科学与技术会议EPHRG－2002“HighPressureResearchAcrosstheSciences”新材料金属体系超硬和金刚石体系材料超导体输运和磁性高压矿物结晶学和超高压冰、液体和熔液化学反应和动力学相和相变的理论与实验研究生命科学、生物技术和软凝聚态物质动力学和冲击波现象仪器和技术国际高压物理研究现状★美国(金刚石对顶砧)1991年成立高压科学研究中心(CHiPR):Carnegie地球物理实验室(毛和光,Hemley)、LawrenceLivermore国家实验室、纽约州立大学石溪分校、Princeton大学、Nevada大学同步辐射(NSLS,Brookhaven国立实验室；SSRL,Stanford同步辐射实验室CHESS,Cornell高能同步辐射光源)★日本(大腔体多顶砧)物质科学研究所、同步辐射实验室(Spring-8、筑波光子工厂)大阪大学、东京大学等各大学★欧洲俄罗斯、波兰等也很早就成立了高压研究中心波兰举办过几次国际高压科学讲座法国和比利时：生命科学研究国内高压物理研究历史张绍忠曾留学哈佛大学（1925-1927），师从Bridgman全国第一届高压物理学术研讨会是1978年在广州召开物理所与高能所合作建立了同步辐射高压站物理所利用DAC技术获得了180GPa的最高压力(1989)“中国高压科学在21世纪初叶的发展前景”－香山会议(2000)2001年成立高压研究中心毛河光获得了2002年度“中国政府友谊奖”吉林大学(超硬材料国家重点实验室，1995年)2005爱因斯坦讲席教授中科院各研究所：物理所、高能所、理化技术所－原感光所、化学所、生化所、地物所、贵州和广州地化所中国科学技术大学、西南交大、燕山大学、四川大学中国工程物理研究院流体物理所、国家地震局地质研究所高压实验装置的模式活塞－圆筒方式加压方式：样品封装在耐压腔体中，减小体积，以静态方法增大样品所受压力对顶砧可动、密封、强度多顶砧活塞圆筒装置(<8GPa)厚壁圆筒作为高压腔体，圆筒中装有可移动的活塞，活塞向筒底移动使腔体压力增加。高压腔内装入样品和传压介质。Bridgman早期实验装置应变硬化阶段爆破阶段应变硬化:在材料的拉伸或压缩中，材料经过屈服阶段之后，又增强了抵抗变形的能力。这时，要使材料继续变形需要增大应力。经过屈服滑移之后，材料重新呈现抵抗继续变形的能弹塑性阶段弹性阶段力。屈服:材料在拉伸或压缩过程中，当应力超过弹性极限后，变形增加较快，材料失去了抵抗继续变形的能力。当应力达到一定值时，应力虽不增加（或在微小范围内波动），而变形却急速增长的现象。圆筒的外径b与其内径a的比值厚壁圆筒(材料：含Co的WC)k＝b/a>1.1厚壁爆破压力Pp2lnkY03Y0为圆筒材料的屈服强度不发生塑性形变的最大腔内压强2Pe11k2Yk03提高圆筒抗内压方法1、箍环：用两个箍环逐次把内部压缸（硬质合金圆筒）箍紧，形成一组合圆筒。内箍环的内径略小于压缸的外径（过盈）。内壁：装配应力外壁：拉伸应力2、累进式进压：Bridgman设计的二级累进式活塞－圆筒装置高压腔的自密封方法(避免高压腔中传压流体介质在压力下流出)橡胶塞Poulter密封、Bridgman无支撑面密封、O形环密封Bridgman无支撑面密封原理(蘑菇头)柱塞的头部把轴向载荷传递到较小面积的密封垫圈上，使密封垫上的应力高于容器内的工作压力Pe11k22Yk03O形环密封原理电极密封3GPa流体静压力实验装置3GPa流体静压力实验装置压缸液压泵LargeVolumePressSOESTatStructureofthenewC3N4phasesynthesizedatSOEST固体传压介质作用：使高压腔体的压力尽可能地接近于静压力，也起到固体密封垫的作用。特性：①高压下易于形变②有较低的内摩擦系数③具有良好的热稳定性和绝缘性，不与样品发生化学反应，并且在样品和顶砧之间起到电绝缘作用材料：固态氯化银；叶腊石(天然含水铝硅酸盐，Al2O3·4SiO层状结构，熔点为1400－3000℃，电阻率约为106－107Wm，热导率很低)；叶蜡石粉末成型块2·H2O，液体传压介质作用：获得真正的静水压应采用流体作传压介质流体。特性：①转变为固相的相变点压力高、粘滞性低②对各种电磁辐射透明度高③不与样品起化学作用、压缩率低、电绝缘、良好的热稳定性和热绝缘性材料：异戊烷＝2GPa，戊烷与异戊烷的混合液（1:1）＝6.5GPa甲醇和乙醇混合液（体积比为4:1）＝10.4GPa甲醇、乙醇和水的混合液（体积比为1:3:16）＝14.6GPa气体和其它传压介质常温下的氦和氩气是较适宜的传压介质。氩、氖、氢、氦等气体在温度为25℃时的固化压强分别为1.4、2.4、5.5和12GPa。固化轻气体或惰性气体作传压介质，这些固化气体是一种软固体，因而压力品质较好，特别是氦。液－固混合系统，同时采用固体和液体做为传压介质。Bridgman对顶砧装置Bridgman的大质量支撑原理:在大物体的一小面积上产生高压时，由于其周围材料支撑的作用，物体可承受比其名义抗压强度高几倍的压缩应力Bridgman对顶砧装置Drickamer压腔受轴向负荷时，砧形顶锤沿轴向压有支撑的Bridgman压砧缩，沿径向膨胀，故需加以箍环10GPa(WC)－20GPa(BN)42GPa(烧结金刚石)避免高压腔中传压流体介质在压力下流出保证样品区域的压强趋于均匀密封垫技术压砧下密封垫中的压力分布变形Bridgman对顶砧：碗形有刨面形状的对顶砧与平面对顶砧碗形对顶砧上的压力分布的差异：1、砧面中心有坑，压腔体积增加2、压腔中的压力分布不同3、最高达到压力下降很小8GPa(WC)变形Bridgman对顶砧：环形环形对顶砧上的压力分布用于Mossbauer谱研究的碗形0.3-100cm3的压腔体积，在11GPa下维持温度1800-2000℃达数天之久对顶砧年轮式装置金刚石和立方BN的合成(6GPa，1500℃)改进的年轮式高压装置Bridgman对顶砧装置活塞－圆筒装置的组合可加热样品腔和密封垫年轮式高压装置金刚石的合成方法ScientificAmerican(2003年4期)加热样品腔：5.5GPa,1400℃多对顶砧装置：四面顶四面顶装置多对顶砧装置：六面顶六个顶砧同时从xyz三个正交轴方向相对推进多面体传压介质：常用为立方体型，所以六面顶装置也称为立方体高压装置。除此之外，还有八面体传压介质。铰链式：由六个独立的油缸－活塞系统做为压力源。六个活塞同时推动六个顶砧对立方体传压介质进行挤压，使传压介质中的样品受到高的压力。分割球、柱型：以单油缸压力机为力源，以单轴方向施加压力，通过二级分割球压缩传压介质，最终在样品上提供多方向的压缩。紧装式四滑座：也为单油缸加压，用滑座导轨将单轴压分为多方向的二级压缩。六面顶：铰链式六面顶:分割球分割球型六面顶(6－8式)分割柱片的制作六面顶分割球中的多面体传压介质一级顶砧面数二级顶砧个数六面顶：分割柱型分割柱形是将单轴压转换成八面体对顶砧对压六面体二级立方体顶砧顶角六面顶：紧装式四滑座该装置由上、下两模框和六个顶砧组成。上、下模框各有四个45度的导槽，导向槽中装有四个滑块，滑块上装有碳化钨顶砧。当油缸中活塞受力向上移动时，下模框被活塞推动向上，使上、下模框之间的四个装有顶砧的滑块沿45度导槽向中心滑动。另外两个顶砧置于上、下模框中心。六面顶：紧装式四滑座六面体二级顶砧(6-6式)3000吨压力机的紧装式六面顶装置(10GPa)滑移式压砧型装置通过压砧的相对滑动，使放在中心的样品体积缩小而产生高压压砧旋转行进式前进后退式金刚石对顶砧装置P=F/S1.顶砧材料应当有极高的强度，而具有高硬度的金刚石是最理想的制作材料。2.金刚石的良好透明度使得有光学测量窗口的超高压装置成为可能。Piermarini-Weir金刚石超高压机金刚石对顶砧高压光学装置原型1965年,Valkenberg,Weir等(NBS)金刚石对顶砧高压装置的进步1965年,Valkenberg,可盛装液体和固体的密封垫1975年,Piermarini,掌握调整对顶砧平行的技术加上使用了高强度金属垫片，压力达到40GPa1971年,Block,发明红宝石压力定标手段1973年,采用甲醇乙醇4:1混和液,静水压达到10GPa1979年,用He等气体作为传压介质,达100GPa1978年,Mao-Bell,倒角型金刚石对顶砧,达172GPa美国Carnegie地球物理实验室通过对装置的机械部分、密封垫材料、压砧外形的改进，使金刚石压砧受力更加稳定和均匀，增加了压砧的受压强度，使高压腔体可测压力不断提高；激光加热法，使高压腔体的温度可从室温升高到3000℃以上；研制成功低温和气体加压设备，将H2、He、Ne、Ar、CH4、N2等气体通过低温液化等方法，使气体充满样品室，加压固化。直接观测高温高压条件下物质的相变、熔融、溶解、扩散等物理化学变化过程及相应的物性变化高压下晶体的X射线衍射测量及晶体结构的研究高压下样品光谱学的测量和研究（红外－可见－紫外光吸收光谱、拉曼光谱及荧光光谱）高压下样品电学、磁学、弹性等物性测量（电导率、磁化率、穆斯堡尔谱、布里渊散射）金刚石Mohs硬度10高硬度、光学透明度、良热导和电绝缘氧气中660℃石墨化，800℃燃烧。脆性大及其容易打碎或破损!!宝石价值的四C因素克拉（carat）、净度（clarity）颜色（colour）、切工（cutting）钻石（琢磨加工后作成首饰的金刚石）1克拉=0.2g=100分0.1-0.24克拉的为小钻0.25-1.0克拉的为中钻>1.0克拉的为大钻金刚石压砧用宝石级金刚石（未经加工但具宝石价值的金刚石原石）磨制加工而成，一般重量为0.1-0.5克拉。金刚石压砧的大小与所要求腔体压力大小有关。要求腔体压力大时，应选择大颗粒的金刚石制作压砧，以确保在高压下不发生破裂。如100GPa以上级压力的压腔一般选用0.3-0.4克拉以上的金刚石作为压砧。宝石价值的四C因素克拉（carat）、净度（clarity）颜色（colour）、切工（cutting）金刚石中常见有矿物的包裹体，有橄榄石、镁铝榴石、铬透辉石、更早期形成的金刚石和铬铁矿等等。净度是指钻石中瑕疵的多少，包括原石内部的瑕疵（包裹体、裂纹等等）和加工时的表面破损。其净度的大小是以10倍放大镜下的观察结果为依据，世界各国有相应的自定标准。为了避免受压下压砧的破裂，应选用不含包裹体、没有裂隙的金刚石作为制作压砧的材料。在高压下，包裹体是开始产生破裂的核。宝石价值的四C因素克拉（carat）、净