微型超高压力标定系统在近代物理教学中的应用

梁桁楠，崔 航，李 岩，杜晓波，孙 昕

(吉林大学 物理学院，吉林 长春 130012)

微型超高压力标定系统在近代物理教学中的应用

梁桁楠，崔 航，李 岩，杜晓波，孙 昕

(吉林大学 物理学院，吉林 长春 130012)

搭建了便携式的超高压力标定系统，结合CCD成像技术，在微区原位测量样品的压力及观察相变状态. 利用红宝石荧光高压特殊性质，标记荧光峰位，精确计算样品压力.

微型超高压力标定系统；红宝石测压；相变

随着国家对教学事业的重视，实验教学领域的新型实验仪器层出不穷. 实验课程内容的创新，学生对当今科学前沿实验技术的知识需求，促使实验教师的教学改革方向瞄准新型实验装置的研发. 高压物理学是研究物质在高压力作用下物理行为的学科，是以材料科学、地球科学以及天文等学科为背景发展起来的. 高压物理的研究领域几乎包含凝聚态物理学的全部分支. 高压所引发的众多常压下难以观察到的新奇的物理现象，对于丰富和发展凝聚态理论具有重要的意义；高压下物质所呈现出的众多的新结构和新性质，是发现和截获具有新颖性质的新型材料的重要源泉. 因此，高压物理是以材料科学、地球物理学以及天文学的需要为背景发展起来的意义重大的物理学分支，是一门具备科学创新性及前沿性的有活力的新兴学科. 要获得高压下物质的行为信息，必须具备特殊精巧及专门的实验技术和实验方法，这是高压物理作为一门学科的另一个原因. 从高压发展的历史可见，所有高压科学优秀的实验成果都是伴随新的高压实验技术而产生的. 高压实验技术及高压测试手段的发展及发明一直以来都是高压科学发展的重要因素. 高压实验中利用金刚石对顶砧压机(DAC)进行高压实验最高可以达到550 GPa的超高压力，是人类静高压能达到的最高压力手段. 这种高压级别已经接近地球内部的压力状态，对模拟或研究地球内部的物质状态有着不可替代的意义[1].

1 实验原理

压力测量在高压科学中一直是被关注的课题. 传统物理学中测量压力的手段一般分为利用物理量的定义直接测定和使用定标的方法间接测量. 能产生百万大气压的压力条件下样品腔的空间直径一般为0.3 mm，甚至更小. 在如此微小的空间进行探测只有利用光学手段，且要应用定标的间接手段测量,由此红宝石法定标应运而生.

本项技术基于红宝石超高压力定标的方法进行改进而产生的一种快捷、方便、高效、不依赖实验仪器及测试场所随时随地都可以测量的便携式超高压力标定光谱仪. 实验中的压标物质为直径20～50 μm的圆形红宝石颗粒. 利用红宝石标定压力具有误差小、压力标定范围大、测量方便等优点，是应用最广泛的压标材料.

采用红宝石作为压标材料是依据红宝石R1荧光线随压力的变化关系. 激光照射在红宝石上时会产生2条较强的R荧光线，常压下R1线的波长为694.24 nm，R2线的波长为692.7 nm. 在压力作用下，2条荧光线会发生红移(图1)，因此利用压力与R1荧光线红移量的关系可以标定压力. 如果拉曼测量以nm为单位，压力计算关系式为

图1 红宝石荧光R1和R2线在压力下发生红移

2 实验装置结构

如果需要测量红宝石的荧光峰的频移，需要成型的能测量荧光的光学系统. 而这样的系统必须由光谱仪、透镜、激光器等组件完成，缺一不可. 传统的这些组件的体积都很大，而且光学系统很精密，不便搬运和携带，给科研测试者带来了很大

的麻烦，同时也很难搬到课堂上. 为了实现让学生近距离接触高压科学，完成授课要求，并且改善高压科学实验中测压条件苛刻、无法随时随地测压的现状，笔者改进了光路，利用现有的实验条件及仪器装置，搭建了便携式的红宝石压力标定光学系统. 光路图见图2，仪器实物图见图3.

该光路的工作原理：首先从激光器发射的激光通过反射镜折射到半反半透的棱镜中. 此时激光一半反射给金刚石对顶砧压力的样品，样品受激发产生荧光后通过半反半透棱镜透射反射给光谱仪进行荧光光谱采集，并通过软件呈现出来. 光路中的物镜是长焦镜头，目的是聚焦激光及会聚发散的样品荧光. 由于样品十分微小，也必须通过长焦镜头放大成像在CCD中观察样品状态. 滤光片的作用是滤掉激光，使CCD成像清晰. 实验操作分2步：1)使用CCD成像上端的反射镜接入光路，用CCD观察并调节样品是否在激光斑点上；2)确认样品正确位置后，取下CCD成像的反射镜，让样品荧光直接射入光谱仪进行采集.

图2 微型超高压力标定系统的简易光路图

此光路的特点是简化的荧光测量的方式，但是同时又必须满足激光面密度的要求，即测试时红宝石被激光激发出来的散射的荧光信号部分被光谱仪吸收. 要想实现此目的就必须实现用目镜直接观察调节样品腔中红宝石的位置，使激光中心直接打到红宝石上，即1套简化的微区成像装置. 所有这些设计都是为了实现在不降低信号强度及测试效果的条件下，简化系统尺寸至可便携的级别. 该套实验教学仪器的性能指标为：如果光谱仪的分辨率在0.3～10 nm 内，测量压力最小可精确到0.1 GPa,最大可测量压力20 GPa，测量适用范围非常广.

3 教学实践成果

将微型超高压力标定光谱仪系统应用在教学中[3]，利用该系统开设了近代物理实验高压科学方面的内容. 该系列课程教学效果良好，主要体现在：

1)教学手段独特，学生可以自己动手测试. 实验过程及实验现象非常震撼、有趣，激发了学生探索的兴趣.

2)课程内容紧跟前沿科学步伐. 高压科学是吉林大学物理学院的特色学科，根据学科特点设计实验课程，也是吉林大学近代物理实验教学的重大突破.

3)系统结构简单，可以让学生亲自改进调试. 相对于昂贵精密的荧光系统而言，该系统的应用无疑是让学生更好地接触该领域的最好方式. 对于教学而言此系统是1台新颖全面的专业实验教学仪器.

该仪器应用在物理教学中会给学生开辟全新的视野，其具有有趣的物理内涵：

1)可以测量最常规样品水的相变压力. 水在常温下是液体状态，在0 ℃时相变为固体冰的状态. 如果在有晶核的条件下也可以结晶为冰的单晶. 而有趣的是可以利用高压实验技术通过压力升高使水在常温下就发生相变，而转化成冰的相. 日本科学家称之为“HOT ICE”即“热冰”. 利用设计的实验装置中CCD成像技术可以观察相变过程(图4)，增加了近代物理实验的趣味性，得到“热冰”相后，可以利用红宝石法精确测量其相变压力.

2)在不同位置放置红宝石可以探讨不同位置的压力分布，探讨总结高压样品腔的力学情况.

3)此系统也可任意选择样品，选择荧光信号较强并且随压力有变化的样品，可以探讨压力对样品荧光性质的影响.

4)由于该系统的独特微区成像技术，可以作为显微系统观察压力下样品的形貌变化，乃至常压下样品表面处理的过程等一系列可开发的实验项目. 因此，此系统功能是涵盖科研、 近代物理实验教学、演示物理实验教学等多个领域的综合实验系统.

图4 微型超高压力标定系统显示的“热冰”的相变图像

4 结束语

新时代的实验教学改革的根本是自主研发实验教学仪器，建设有学科特色的实验教学课程. 微型超高压力标定系统就是本着该理念设计研制的，并且无论从实验教学还是科学研究，该微型超高压力标定系统都可以被很好地应用. 学生既可了解前言科学领域，又可以自主动手，设计相关创新实验，提高了实验教学仪器的使用领域. 另外由于此系统设计的各种优势，高压科学研究中也正筹划普及该类便携式测压系统. 此系统体积为小型手提箱的大小，拆装方便，即插式组装，有应用前景. 在高压科学领域普及此类便携测压装置是未来高压科学的一个趋势，而就实验教学方面来说，其搭建成本在10万元以下，物理内容丰富有趣，学生调节光路动手性强，在实际教学实践中学生反映良好. 该系统的应用丰富了凝聚态专业的实验教学内容.

[1] 经福谦. 我国高压物理研究的若干近期发展[J]. 物理，1991，20(7)：415-419.

[2] 郑海飞，孙樯，赵金，等. 金刚石压腔高温高压实验的压力标定方法及其现状[J]. 高压物理学报，2004,18(1)：78-82.

[3] 梁桁楠，杜菲，李岩. 高压物理实验在近代物理实验教学中的应用[J]. 大学物理实验，2013,26(增):79-81.

[责任编辑：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，吉林长春人，吉林大学物理学院讲师，博士，研究方向为凝聚态高压物理.

O521.3

A

1005-4642(2017)07-0046-03