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Sandbox Physics
物理仪器怎样测量

走进仪器

金刚石对顶砧怎样从红宝石的光读出压力

两颗金刚石可以把一小点物质压得很紧,又让光穿过样品室。放在里面的一颗红宝石受绿光照射,会发出窄窄的红光;压力升高,红线向更长波长移动。研究者量这点移动,就能从封闭的样品旁边读出压力。

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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。

来源:[1][4]

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。

来源:[2][5][3]

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。

来源:[2][4][5][6][7]

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。

来源:[4][1]

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。

来源:[5][4]

来源与延伸阅读

  1. Almax easyLab, ChicagoDAC application note ML16_02

    相向压砧、垫片样品室、承载结构和光学通道。不把该装置的载荷关系当成通用压标。

  2. Almax easyLab, Ruby grains as a Pressure Sensor, ML22_02

    含铬红宝石、绿光激发、红移窄线,以及测量同一颗晶粒零压位置的重要性。

  3. ESRF, Pressure by Ruby Luminescence

    显微镜与光纤收集、单色仪和CCD、绿光激发及短时开光测量。不采用当前束线清单或产品性能指标。

  4. Mao, Xu and Bell, Calibration of the ruby pressure gauge to 800 kbar under quasi-hydrostatic conditions, JGR 91 (1986)

    室温准静水条件下,以金属压缩作参考的波长位移标定。教学实验明确采用该压标,限制在零至二十吉帕。

  5. Vos and Schouten, On the temperature correction to the ruby pressure scale, JAP 69 (1991)

    温致位移、独立氖氩波长参考、局部激光加热与单独测温。不采用通用高压温度校正。

  6. NIST Handbook, Strong Lines of Neon

    已知氖线,以及空气与真空波长栏的区别。

  7. NIST Handbook, Persistent Lines of Neutral Argon

    独立氩线波长参考。谱线表提供光学标定信息,不是压力标尺。

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