CN104764761B - 一种测量静高压下物质相变的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量静高压下物质相变的方法，采用短波长X射线衍射方法测量金刚石对顶砧（DiamondAnvilCell）内物质高压结构相变。本发明利用短波长X射线的高能量、高穿透性，实现对金刚石压砧内材料的X射线衍射。本发明的特点是提高了测试效率和精度，给高压研究者提供了良好的实验技术手段，特别适用于高原子序数的高压相变研究，为在普通实验室内完成高压x射线衍射实验提供一种新的途径。

Description

一种测量静高压下物质相变的方法

技术领域

本发明涉及一种短波长X射线衍射方法，适用于金刚石压砧高压科学X射线衍射的方法，用于测量高压作用下物质的晶体结构从而确定其相变化。

背景技术

在压力作用下，物质体积被压缩，内部原子间距减小，从而带来一系列的改变，如电子密度的重新分布排列、晶体结构的变化、能带的改变，导致物质光电磁性质的改变等，这些现象统称为高压相变。它的改变机理给科研工作者提供了一个更广泛的检验物理、化学等理论定律的空间。

目前提供高压环境的实验技术主要是金刚石对顶砧技术，金刚石压砧高压实验技术结合X射线衍射能获得材料的晶体结构、晶格参数、弹性常数、体模量、切变模量等信息，参考（孙墙，郑海飞。金刚石压腔实验技术，地学前沿，2005）。从而能研究高压下物质的相变，获得物质的高压状态方程、高压物理性质等。因此金刚石高压实验技术结合X射线衍射已经成为一种探测材料高压下的物理行为的重要技术手段。

为了获得较高的压力，金刚石压砧内的样品很少，通常在微米量级，金刚石压砧的构造决定只能采用透射法获得衍射数据。因此高压X射线衍射对光的穿透性、准直性、亮度等都有较高的要求。

目前高压X射线衍射有两种方法实现：一种是普通的X射线衍射；另外一种是通过同步辐射高能X射线衍射，参考（徐济安。同步辐射X射线光源在高压科学研究中的应用，物理，2012）。并且都是通过透射式X射线衍射技术来实现。高压实验中，普通X射线衍射由于亮度差、波长较长、穿透性差也较差导致一般的衍射实验需要1到2周，即使采用转靶X射线源和弯曲位置灵敏度探测器也需要2天时间。因此结合金刚石高压技术的普通X射线衍射是非常耗时且效果很差的。同步辐射光由于其拥有高亮度、高通量等良好性质能把测试时间缩短到只需要数秒或者数分钟时间，成为目前高压学者的首选测试手段。但同步辐射光源造价昂贵、实验机时有限，并不能为高压研究者及时实现想法的提供实验手段。

发明内容

本发明针对上述不足，提供一种成本低，可及时实现的测量方法。

本发明一种测量静高压下物质相变的方法，步骤为：

步骤一，在常压下将样品放置于压机的金刚石压砧腔体内；

步骤二，将压机放入短波长X射线衍射装置，使样品位于衍射中心；

步骤三，移动探测器到坐标原点，启动X光管高压系统，采用低电压、低电流激发阳极靶，通过X轴的轴向移动，确定X轴的样品中心；

步骤四，移动探测器到坐标原点，固定X轴的位置为步骤二中样品中心位置，启动短波长X射线衍射装置高压系统，采用低电压、低电流激发阳极靶，通过Y轴的轴向移动，确定Y轴的样品中心；

步骤五，固定X轴、Y轴为步骤三、步骤四种确定样品中心，移动探测器到2θ=样品晶体衍射的最强峰，短波长X射线衍射装置采用高电压、高电流激发阳极靶，通过Z轴的轴向移动，根据最强的衍射信号确定Z轴样品中心；

步骤六，样品定位到步骤三、步骤四、步骤五确定的位置，短波长X射线衍射装置采用高电压、高电流激发阳极靶，移动探测器采样；

步骤七，取下压机，施加一定压力，重复步骤二至步骤六，得到样品各个压力点下的X射线衍射谱，进一步得到样品的晶体结构。

本发明一种测量静高压下物质相变的方法，所述步骤三和步骤四，根据X射线透光强度与坐标对应关系曲线，确定曲线的凹陷中心为样品中心位置。

本发明一种测量静高压下物质相变的方法，步骤六所述高电压、高电流为200kev、3mA。

本发明一种测量静高压下物质相变的方法，所述步骤六探测器移动范围为绕衍射中心做弧线运动，扫描范围、步进均连续可调。

本发明一种测量静高压下物质相变的方法，所述探测器为点探测器。

本发明一种测量静高压下物质相变的方法，所述步骤二通过在短波长X射线衍射装置的入射光路上设置一可见光定位光路，初步定位样品的中心位置。

本发明一种测量静高压下物质相变的方法，所述短波长X射线衍射装置中设有复位装置，常压定好样品位置后，可直接进行步骤六的采谱工作。

本发明一种测量静高压下物质相变的方法，根据X射线衍射谱和pdf卡片（粉末衍射标准联合委员会JCPDS出版的标准粉末衍射卡，称为PDF卡），可得到样品的晶体结构。

根据高压实验所遇到的一些问题，提出了短波长X射线用于金刚石对顶砧高压实验方法。利用银靶或钨靶等重金属靶提供的短波长X射线，能获得较高穿透性的X射线，适合金刚石压砧的高压实验。

此外高压X射线衍射实验均采用面探测器实现采谱的功能，该方法采谱效率较高。为了适应本短波长X射线高压X射线衍射，也为了获得较高的角度精度和较方便的获取衍射中心位置，本方法采用点探测器（3X3mm）沿着衍射中心做弧线运动以完成采谱。

本发明的目的是提供一种利用重金属靶等短波长X射线进行金刚石压砧高压X射线衍射来测定高压相变的实验方法。

众所周知，X射线波长越短，其能量越高，穿透性越强，能很好的弥补金刚石压砧要求必须采用透射式X射线衍射的缺点。本发明就是基于该原理，采用X射线衍射透射的方法，对金刚石压砧内的样品衍射分析。即X射线射到金刚石压砧内的样品上发生衍射，通过分析透射出的X射线来判断物质所处的结构状态。

本发明采用了一种专利号为Zl200410068880.2的短波长X射线衍射装置，设有复位台，使得其更适用于静高压相变的测量，可以保证每次加压后测量位置为同一点。根据低压X射线直射样品时的透光规律，判断样品所处的中心。

本发明利用短波长X射线的高能量、高穿透性，实现对金刚石压砧内材料的X射线衍射。本发明的特点是提高了测试效率和精度，给高压研究者提供了良好的实验技术手段，特别适用于高原子序数的高压相变研究，为在普通实验室内完成高压x射线衍射实验提供一种新的途径。

附图说明

图1. 样品轴向移动时的短波长X射线透射谱

图2. 静高压下金属铋的短波长X射线衍射谱。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

（1）静高压腔体的选择：选择具有长条开口托块的压机，能实现样品全谱的测量。采用普通的500um砧面的金刚石对顶砧，250um厚的T301垫片用金刚石对顶砧预压至100um厚，在预压中心部分开一个直径为200um的圆形通孔。装填样品采用通常的高压实验方法。

（2）样品衍射中心确定：在样品所受压力较低时（通常选择常压），移动探测器到X射线原点（2θ=0°），采用短波长X射线试验机的低电压、低电流（如30kev，0.5mA）时的X射线，通过分别X轴和Y轴的轴向移动，根据透光X射线强度，确定样品中心位置。透射X射线强度曲线一般呈“凹”字形，“凹”字形凹陷的中心即为样品中心位置，见图1。采用高电压、高电流（如200kev，3mA）时的X射线移动探测器到所测样品的特征峰位（可通过常压时普通XRD确定），通过Z轴的轴向移动，确定待测样品的衍射中心。

（3）衍射谱的测定：根据信号强弱设置采谱时间，通过探测器沿着以样品中心为原点的圆弧转动，测定衍射谱。

（4）加压复位：采用加压复位装置，保证每次测定的为同一部分样品。在同步辐射高压站上也有类似的加压复位装置。

具体实例一

利用本发明方法进行了铋(Bi)的高压相变研究。步骤如下，

步骤一，按照高压实验要求封填好金属铋的块体，通过拧复位装置上压机的螺钉加压。根据激光所示位置，初步定位压机的中心位置。

步骤二，移动探测器到坐标原点，启动高压枪，采用30kev、0.5mA电压电流激发钨靶，通过X轴的轴向移动，找到X轴的采样中心。凹点出即为样品位置（如图1）。

步骤三，移动探测器到坐标原点，固定X轴的位置为步骤二中确定的值，启动高压枪，采用30kev、0.5mA电压电流激发钨靶，通过Y轴的轴向移动，找到Y轴的采样中心。

步骤四，固定X轴、Y轴为步骤二、步骤三种确定的值，移动探测器到2θ=3.66°（铋的常压最强峰），采用200kev、3mA电压电流，通过Z轴的轴向移动，根据最强的衍射信号确定Z轴样品中心位置。

步骤五，样品定位到步骤二、步骤三、步骤四确定的位置，采用200kev、3mA电压电流，探测器2θ从3°扫描到6°，步进为0.01°，采样时间为120S。

步骤六，常压、2.14GPa、4.8GPa、6.2GPa重复步骤一到五获得个各个压力点的衍射图谱，如图2。需要说明的是由于带有复位装置，一般情况下常压定好位置后，步骤一到步骤四可以省略，直接进行步骤五的采谱工作。

常压下我们观察到了铋的菱方相结构，和pdf卡片（粉末衍射标准联合委员会JCPDS出版的标准粉末衍射卡，称为PDF卡）编号85-1330吻合。压力达到2.14GPa时，代表菱方相的特征峰仍然存在，说明未发生相变。当压力达到4.8GPa时，菱方相的峰消失，并出现了新的特征峰，与pdf卡片编号51-765对比，确定发生了相变，新相为单斜结构。继续加压到6.2GPa，单斜相仍然存在。我们首次使用短波长X射线衍射方法观察到了铋的高压相变，和已有的铋的高压实验结构相符合。其中采用的是红宝石荧光谱的位移来确定的压力，采用的是硅油作为传压介质。单个谱线的采样时间约为8小时。

以上实施方式只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明思想的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种测量静高压下物质相变的方法，步骤为：

步骤一，在常压下将样品放置于压机的金刚石压砧腔体内；

步骤二，将压机放入短波长X射线衍射装置，使样品位于衍射中心；

步骤三，移动探测器到坐标原点，启动X光管高压系统，采用低电压、低电流激发阳极靶，通过X轴的轴向移动，确定X轴的样品中心；

步骤四，移动探测器到坐标原点，固定X轴的位置为步骤二中样品中心位置，启动短波长X射线衍射装置高压系统，采用低电压、低电流激发阳极靶，通过Y轴的轴向移动，确定Y轴的样品中心；

步骤五，固定X轴、Y轴为步骤三、步骤四种确定样品中心，移动探测器到2θ=样品晶体衍射的最强峰，短波长X射线衍射装置采用高电压、高电流激发阳极靶，通过Z轴的轴向移动，根据最强的衍射信号确定Z轴样品中心；

步骤六，样品定位到步骤三、步骤四、步骤五确定的位置，短波长X射线衍射装置采用高电压、高电流激发阳极靶，移动探测器采谱；

步骤七，取下压机，施加一定压力，重复步骤二至步骤六，得到样品各个压力点下的X射线衍射谱，进一步得到样品的晶体结构。

2.根据权利要求1所述的一种测量静高压下物质相变的方法，其特征在于，所述步骤三和步骤四，根据X射线透光强度与坐标对应关系曲线，确定曲线的凹陷中心为样品中心位置。

3.根据权利要求1或2所述的一种测量静高压下物质相变的方法，其特征在于，步骤六所述高电压、高电流为200kev、3mA。

4.根据权利要求1或2所述的一种测量静高压下物质相变的方法，其特征在于，所述步骤六探测器移动范围为绕衍射中心做弧线运动，角度扫描范围、步进均连续可调。

5.根据权利要求1所述的一种测量静高压下物质相变的方法，其特征在于，所述探测器为点探测器。

6.根据权利要求1所述的一种测量静高压下物质相变的方法，其特征在于，所述步骤二通过在短波长X射线衍射装置的入射光路上设置一可见光定位光路，初步定位样品的中心位置。

7.根据权利要求1所述的一种测量静高压下物质相变的方法，其特征在于，所述短波长X射线衍射装置中设有复位装置，常压确定样品位置后，可直接进行步骤六的采谱工作。