微型超高壓力標定系統(tǒng)在近代物理教學中的應用

梁桁楠，崔 航，李 巖，杜曉波，孫 昕

(吉林大學 物理學院，吉林 長春 130012)

微型超高壓力標定系統(tǒng)在近代物理教學中的應用

梁桁楠，崔 航，李 巖，杜曉波，孫 昕

(吉林大學 物理學院，吉林 長春 130012)

搭建了便攜式的超高壓力標定系統(tǒng)，結合CCD成像技術，在微區(qū)原位測量樣品的壓力及觀察相變狀態(tài). 利用紅寶石熒光高壓特殊性質，標記熒光峰位，精確計算樣品壓力.

微型超高壓力標定系統(tǒng)；紅寶石測壓；相變

隨著國家對教學事業(yè)的重視，實驗教學領域的新型實驗儀器層出不窮. 實驗課程內(nèi)容的創(chuàng)新，學生對當今科學前沿實驗技術的知識需求，促使實驗教師的教學改革方向瞄準新型實驗裝置的研發(fā). 高壓物理學是研究物質在高壓力作用下物理行為的學科，是以材料科學、地球科學以及天文等學科為背景發(fā)展起來的. 高壓物理的研究領域幾乎包含凝聚態(tài)物理學的全部分支. 高壓所引發(fā)的眾多常壓下難以觀察到的新奇的物理現(xiàn)象，對于豐富和發(fā)展凝聚態(tài)理論具有重要的意義；高壓下物質所呈現(xiàn)出的眾多的新結構和新性質，是發(fā)現(xiàn)和截獲具有新穎性質的新型材料的重要源泉. 因此，高壓物理是以材料科學、地球物理學以及天文學的需要為背景發(fā)展起來的意義重大的物理學分支，是一門具備科學創(chuàng)新性及前沿性的有活力的新興學科. 要獲得高壓下物質的行為信息，必須具備特殊精巧及專門的實驗技術和實驗方法，這是高壓物理作為一門學科的另一個原因. 從高壓發(fā)展的歷史可見，所有高壓科學優(yōu)秀的實驗成果都是伴隨新的高壓實驗技術而產(chǎn)生的. 高壓實驗技術及高壓測試手段的發(fā)展及發(fā)明一直以來都是高壓科學發(fā)展的重要因素. 高壓實驗中利用金剛石對頂砧壓機(DAC)進行高壓實驗最高可以達到550 GPa的超高壓力，是人類靜高壓能達到的最高壓力手段. 這種高壓級別已經(jīng)接近地球內(nèi)部的壓力狀態(tài)，對模擬或研究地球內(nèi)部的物質狀態(tài)有著不可替代的意義[1].

1 實驗原理

壓力測量在高壓科學中一直是被關注的課題. 傳統(tǒng)物理學中測量壓力的手段一般分為利用物理量的定義直接測定和使用定標的方法間接測量. 能產(chǎn)生百萬大氣壓的壓力條件下樣品腔的空間直徑一般為0.3 mm，甚至更小. 在如此微小的空間進行探測只有利用光學手段，且要應用定標的間接手段測量,由此紅寶石法定標應運而生.

本項技術基于紅寶石超高壓力定標的方法進行改進而產(chǎn)生的一種快捷、方便、高效、不依賴實驗儀器及測試場所隨時隨地都可以測量的便攜式超高壓力標定光譜儀. 實驗中的壓標物質為直徑20～50 μm的圓形紅寶石顆粒. 利用紅寶石標定壓力具有誤差小、壓力標定范圍大、測量方便等優(yōu)點，是應用最廣泛的壓標材料.

采用紅寶石作為壓標材料是依據(jù)紅寶石R1熒光線隨壓力的變化關系. 激光照射在紅寶石上時會產(chǎn)生2條較強的R熒光線，常壓下R1線的波長為694.24 nm，R2線的波長為692.7 nm. 在壓力作用下，2條熒光線會發(fā)生紅移(圖1)，因此利用壓力與R1熒光線紅移量的關系可以標定壓力. 如果拉曼測量以nm為單位，壓力計算關系式為

圖1 紅寶石熒光R1和R2線在壓力下發(fā)生紅移

2 實驗裝置結構

如果需要測量紅寶石的熒光峰的頻移，需要成型的能測量熒光的光學系統(tǒng). 而這樣的系統(tǒng)必須由光譜儀、透鏡、激光器等組件完成，缺一不可. 傳統(tǒng)的這些組件的體積都很大，而且光學系統(tǒng)很精密，不便搬運和攜帶，給科研測試者帶來了很大

的麻煩，同時也很難搬到課堂上. 為了實現(xiàn)讓學生近距離接觸高壓科學，完成授課要求，并且改善高壓科學實驗中測壓條件苛刻、無法隨時隨地測壓的現(xiàn)狀，筆者改進了光路，利用現(xiàn)有的實驗條件及儀器裝置，搭建了便攜式的紅寶石壓力標定光學系統(tǒng). 光路圖見圖2，儀器實物圖見圖3.

該光路的工作原理：首先從激光器發(fā)射的激光通過反射鏡折射到半反半透的棱鏡中. 此時激光一半反射給金剛石對頂砧壓力的樣品，樣品受激發(fā)產(chǎn)生熒光后通過半反半透棱鏡透射反射給光譜儀進行熒光光譜采集，并通過軟件呈現(xiàn)出來. 光路中的物鏡是長焦鏡頭，目的是聚焦激光及會聚發(fā)散的樣品熒光. 由于樣品十分微小，也必須通過長焦鏡頭放大成像在CCD中觀察樣品狀態(tài). 濾光片的作用是濾掉激光，使CCD成像清晰. 實驗操作分2步：1)使用CCD成像上端的反射鏡接入光路，用CCD觀察并調節(jié)樣品是否在激光斑點上；2)確認樣品正確位置后，取下CCD成像的反射鏡，讓樣品熒光直接射入光譜儀進行采集.

圖2 微型超高壓力標定系統(tǒng)的簡易光路圖

此光路的特點是簡化的熒光測量的方式，但是同時又必須滿足激光面密度的要求，即測試時紅寶石被激光激發(fā)出來的散射的熒光信號部分被光譜儀吸收. 要想實現(xiàn)此目的就必須實現(xiàn)用目鏡直接觀察調節(jié)樣品腔中紅寶石的位置，使激光中心直接打到紅寶石上，即1套簡化的微區(qū)成像裝置. 所有這些設計都是為了實現(xiàn)在不降低信號強度及測試效果的條件下，簡化系統(tǒng)尺寸至可便攜的級別. 該套實驗教學儀器的性能指標為：如果光譜儀的分辨率在0.3～10 nm 內(nèi)，測量壓力最小可精確到0.1 GPa,最大可測量壓力20 GPa，測量適用范圍非常廣.

3 教學實踐成果

將微型超高壓力標定光譜儀系統(tǒng)應用在教學中[3]，利用該系統(tǒng)開設了近代物理實驗高壓科學方面的內(nèi)容. 該系列課程教學效果良好，主要體現(xiàn)在：

1)教學手段獨特，學生可以自己動手測試. 實驗過程及實驗現(xiàn)象非常震撼、有趣，激發(fā)了學生探索的興趣.

2)課程內(nèi)容緊跟前沿科學步伐. 高壓科學是吉林大學物理學院的特色學科，根據(jù)學科特點設計實驗課程，也是吉林大學近代物理實驗教學的重大突破.

3)系統(tǒng)結構簡單，可以讓學生親自改進調試. 相對于昂貴精密的熒光系統(tǒng)而言，該系統(tǒng)的應用無疑是讓學生更好地接觸該領域的最好方式. 對于教學而言此系統(tǒng)是1臺新穎全面的專業(yè)實驗教學儀器.

該儀器應用在物理教學中會給學生開辟全新的視野，其具有有趣的物理內(nèi)涵：

1)可以測量最常規(guī)樣品水的相變壓力. 水在常溫下是液體狀態(tài)，在0 ℃時相變?yōu)楣腆w冰的狀態(tài). 如果在有晶核的條件下也可以結晶為冰的單晶. 而有趣的是可以利用高壓實驗技術通過壓力升高使水在常溫下就發(fā)生相變，而轉化成冰的相. 日本科學家稱之為“HOT ICE”即“熱冰”. 利用設計的實驗裝置中CCD成像技術可以觀察相變過程(圖4)，增加了近代物理實驗的趣味性，得到“熱冰”相后，可以利用紅寶石法精確測量其相變壓力.

2)在不同位置放置紅寶石可以探討不同位置的壓力分布，探討總結高壓樣品腔的力學情況.

3)此系統(tǒng)也可任意選擇樣品，選擇熒光信號較強并且隨壓力有變化的樣品，可以探討壓力對樣品熒光性質的影響.

4)由于該系統(tǒng)的獨特微區(qū)成像技術，可以作為顯微系統(tǒng)觀察壓力下樣品的形貌變化，乃至常壓下樣品表面處理的過程等一系列可開發(fā)的實驗項目. 因此，此系統(tǒng)功能是涵蓋科研、 近代物理實驗教學、演示物理實驗教學等多個領域的綜合實驗系統(tǒng).

圖4 微型超高壓力標定系統(tǒng)顯示的“熱冰”的相變圖像

4 結束語

新時代的實驗教學改革的根本是自主研發(fā)實驗教學儀器，建設有學科特色的實驗教學課程. 微型超高壓力標定系統(tǒng)就是本著該理念設計研制的，并且無論從實驗教學還是科學研究，該微型超高壓力標定系統(tǒng)都可以被很好地應用. 學生既可了解前言科學領域，又可以自主動手，設計相關創(chuàng)新實驗，提高了實驗教學儀器的使用領域. 另外由于此系統(tǒng)設計的各種優(yōu)勢，高壓科學研究中也正籌劃普及該類便攜式測壓系統(tǒng). 此系統(tǒng)體積為小型手提箱的大小，拆裝方便，即插式組裝，有應用前景. 在高壓科學領域普及此類便攜測壓裝置是未來高壓科學的一個趨勢，而就實驗教學方面來說，其搭建成本在10萬元以下，物理內(nèi)容豐富有趣，學生調節(jié)光路動手性強，在實際教學實踐中學生反映良好. 該系統(tǒng)的應用豐富了凝聚態(tài)專業(yè)的實驗教學內(nèi)容.

[1] 經(jīng)福謙. 我國高壓物理研究的若干近期發(fā)展[J]. 物理，1991，20(7)：415-419.

[2] 鄭海飛，孫檣，趙金，等. 金剛石壓腔高溫高壓實驗的壓力標定方法及其現(xiàn)狀[J]. 高壓物理學報，2004,18(1)：78-82.

[3] 梁桁楠，杜菲，李巖. 高壓物理實驗在近代物理實驗教學中的應用[J]. 大學物理實驗，2013,26(增):79-81.

[責任編輯：任德香]

Mini high-pressure calibration system in modern physics teaching

LIANG Heng-nan, CUI Hang, LI Yan, DU Xiao-bo, SUN Xin

(College of Physics, Jilin University, Changchun 130012, China)

A portable high-pressure calibration system was set up. Combining with CCD imaging technology, the pressure of the sample was measured and the phase transition was observed in micro-area. Using the special properties of ruby fluorescence under high-pressure, the fluorescence peak positions were marked, and the pressure was accurately calculated.

mini high-pressure calibration system; ruby pressure measurement; phase transition

2016-12-28；修改日期：2017-03-02

梁桁楠(1983-)，男，吉林長春人，吉林大學物理學院講師，博士，研究方向為凝聚態(tài)高壓物理.

O521.3

A

1005-4642(2017)07-0046-03