超高压物理实验技术.

高压物理实验技术:hp15Tel:[phone]Email:[e-mail]时间：二(3,4)，四(3,4)考试：读书报告、开卷《大学物理实验》第四册P327-339《固体物理实验方法》(王华馥、吴自勤主编，高等教育出版社，1990年)—第十二章：固体物理的高压研究方法《地球深部物质科学导论》(谢鸿森著，科学出版社，1997年)《实验环境技术—丸善实验物理学讲座第12卷》(本和光博、藤井保彦编，丸善株式会社，2000年)《HighPressureExperimentalMethods》(M.Eremets，OxfordSci.Pub.，1996年)《超高压－实验物理学讲座第18卷》(箕村茂编，共立出版株式会社，1988年)《HighPressureMethodsinSolidStateResearch》(C.C.Bradley，PlenumPress，1969年)《HighPressureTechnology》(I.L.Spain、J.Paaue，MarcelDekker，1977年)参考文献★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、atm(大气压)称为标准大气压4、工程大气压为每平方厘米公斤数（kg/cm2）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静态超高压技术金刚石对顶砧大腔体装置(多顶砧,活塞圆筒)550GPa30GPa(准)静水压(准)静水压低温-室温-6000oC室温-3500oC水热体系高温高压技术高压釜装置内加热釜0.5GPa3GPa静水压静水压室温-800oC室温-1600oC岩石力学高压实验技术单轴压力机三轴压力容器3.5GPa3.5GPa剪切压剪切压室温室温-1500oC动态超高压技术各类爆轰装置压缩空气炮、强激光1ms内达500GPa冲击压1ms内达1000oC金星表面96%CO2,3%N2750K，90atm地球表面78%N2,21%O2293K，1atm火星表面Mostly(95%)CO2230K，0.006atm行星上的温度和压力超高压和高温的概念每向地球里面走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。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。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:Northmore，液化氯气1835：Thilorier，二氧化碳的固化1877：Cailletet，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。提出了“大质量支撑”原理和“多级加压”原理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）一生：260篇论文13本书合作：2篇论文孤独英雄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SiO2的高密度相，即高压相。1955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Mao,Bell:172GPa(1978)Bell,Mao:185GPa(1979)Bell,Xuet.al.:280GPa(1986)Xu,Maoet.al.:550GPa(1986)Narayanaet.al.342GPaNature(1998)1989年获国际高压界最高奖——布里季曼奖发表了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。★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蛋白质折叠和变性高压物理研究的应用领域高压在物理学研究中的重要性压力、温度和组分是任何体系的三个独立物理参量，压力的作用是任何其它手段无法代替的压力可改变物质内部的各种相互作用，改变物质的结构和性质出现高密度态和新的高压相，在百GPa下每种物质平均出现5个相变高压可以调节相邻分子的电子云重叠程度，诱导奇异的化学反应为验证理论模型和发展新理论提供有效的手段X现有物质科学PT压力下的分子体系N2分子在高温高压下形成共价单键超硬材料。C60纳米晶片在高压下非晶化。T2000K,P110GPaEremetsetal,Nat.Mater.,2004Wangetal,Appl.Phys.Lett.,2007高压下，即使很稳定的分子也可能断键，形成新物质。压力与骤冷一样，也是一种使物质非晶化的方法。压力下的分子体系正交相S8经历了压致金属化。分子金属态氧在高压下的超导转变。Luoetal,Phys.Rev.Lett.,1991Shimizuetal,Nature,1998压力不仅仅能改变原子结构，还能影响电子结构。金属氢是一个非常激动人心的研究领域。98GPa,0.6K95GPa处反射率突然变大压力下的分子体系短波光辐照下，苯的压致开环阈值降低。红磷与水在紫外光照和压力作用下产氢。Ciabinietal,Phys.Rev.Lett.,2002Ceppatellietal,Angew.Chem.Int.Ed.,2013压力能改变光反应速率，选择光反应路径。0.6GPa,350nm无光照为23GPa《21世纪压缩科学的需求与挑战―静高压的未来》在百万大气压下，我们目前对许多材料的基本热力学性质的理解有限，这些属性包括许多体系的相图由于相图构建需精确的实验测量及海量数据分析，对设备和研究人员有很高的要求，目前含能材料相图研究还鲜有报道即便少量发表的P-T相图，其研究温度、压力范围也较低P-T-XTemperature-AubiquitousvariableinALLphysicalandbiologicalsciencesComposition-ChemistryandmaterialssciencePressure-RivalsTandX?Oraniche,extremecondition?ThreeDimensionsinScience10-3210-2410-1610-8110810161024103210-810-610-410-21102104106108RANGEOFPRESSUREINTHEUNIVERSEPressure(Atmospheres)Pressure(Atmospheres)HydrogengasinintergalacticspaceInterplanetaryspaceCenterofneutronstarAtmosphereat300milesCenterofJupiterCenterofwhitedwarfCenterofSunDeepestoceanBestmechanicalpumpvacuumWatervaporattriplepointCenteroftheEarthAtmosphericpressure(sealevel)1GPa=109N/m2=104barToEstablishaDimensionClassicExample:CarbonGraphiteDiamondP37Pressure-inducedamorphization38continuestopresentnewquestionsandsurprisesThehigh-pressurebehaviorofwater200150100500Pressure(GPa)181614121086Volume(cm3/mol)IceVIWaterIceVIIVolume(cm3/mol)Pressure(GPa)CompressionofHCompressionofH22OO(300K)(300K)200050100150681012141618IceVIWaterIceXIceVII[HemleyandMao,J.Phys.Condens,Matter49,11157(1998)]•bcc-likeoxygenforiceVIIandX•Noothermajorphasetransitionstoatleast210GPaVIII200150100500Pressure(GPa)181614121086Volume(cm3/mol)IceVIWaterIceVIIVolume(cm3/mol)Pressure(GPa)CompressionofHCompressionofH22OO(300K)(300K)200050100150681012141618IceVIWaterIceXIceVII[HemleyandMao,J.Phys.Condens,Matter49,11157(1998)]•bcc-likeoxygenforiceVIIandX•Noothermajorphasetra