把力集中到两块小平面之间
同样的体重,踩在细鞋跟下和整只鞋底下,地面受到的压力很不一样。把力集中到小面积上,压力就大。对顶砧用两颗相向的金刚石,各自磨出很小的平面,把载荷送到两块平面之间。金刚石坚硬,又能透过可见光,既承担挤压,也留下观察的窗口。
两块平面之间夹着薄金属垫片,垫片中央开一个小孔,装入样品、传压介质和红宝石。压砧合拢后,小孔成为封闭的样品室。垫片也会变形,介质会传递挤压,外面施加多少载荷还不足以直接读出样品处的压力。需要有一位跟样品待在一起的测量者。
红宝石把受压后的变化变成光
红宝石中有少量铬离子。绿光把能量交给它们,它们再把一部分能量以红光送出来,这种受光激发后的发光叫荧光。周围晶体受到挤压,铬离子可放出的光子能量也随之改变;在常用测压条件下,压力越高,主要红线的波长越长。
肉眼看这些光都还是红色。光谱仪把不同波长分开,原本混在一起的红光便成为两条可辨的窄峰。峰往红端挪了多少,比目测颜色更容易精确量出。光强影响峰能否看清,峰的位置提供测压所需的位移。
激发光经金刚石照进小孔,荧光再从金刚石出来,由物镜和光纤送到光谱仪。样品室始终封着,测量用的是里面送出的光。
先认准零压时的那条线
光谱仪首先要有可靠的波长尺。氖灯和氩灯能发出位置已知的谱线,研究者用它们校准仪器,也检查标尺有没有漂移。灯线的位置来自独立参考,受压红宝石的峰才有了可比较的横坐标。
接着量准备放进样品室的那一颗红宝石,记住它在常压、已知温度下的红线位置。各颗晶粒内部原有的挤压程度可能不同,零点也会略有差别。加压后继续跟踪同一颗晶粒,就能把位移量得更清楚。
波长移动要换成压力,还需一条事先量好的对应关系。Mao、Xu与Bell在一九八六年发表的一种常用压标,用金属压缩作压力参考,同时记录红宝石谱线怎样移动。小晶粒便有了一条从先前测量得来的压力刻度。
样品室各处可以承受不同压力
一颗红宝石读到的是它附近的受压状态。若把几颗晶粒放在样品室不同位置,逐颗照亮并各自对照零压谱,就能比较各处压力。某一侧红移更多,可能表示那里压得更紧。
这也解释了为什么测压位置很重要。离样品远一点的晶粒,即使谱线很清楚,也可能没读到样品真正经历的压力。分散的几个测点能显出空间差异,帮助研究者调整装样和加载。
温度和受力方向也会改变红光
升温也会让红线移动,激光照得太强甚至会把晶粒局部加热。要把位移解释成压力,得知道晶粒温度,并选用适合那种温度的压标。较弱、较短的照明也有助于减小测量本身带来的加热。
各个方向挤得很不一样时,谱线还会展宽或变形。常用室温压标有自己的受力条件,准静水条件指的是尽量接近各个方向同样挤压的情况。温度已知、受力条件合适,红线的位置便能把微小样品室的压力送到外面的光谱图上。