CN107121343A - 一种基于对称型金刚石对顶砧技术的动态加载装置 - Google Patents

一种基于对称型金刚石对顶砧技术的动态加载装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于对称型金刚石对顶砧技术的动态加载装置，包括载体、对称型DAC、多个压电陶瓷和静压加载螺钉；载体包括上盖和套筒；上盖为圆形平板状，套筒为圆柱体状，套筒顶部中心有一凹槽，用来装载对称型DAC，对称型DAC活塞部与载体套筒通过螺钉固定；载体套筒底部沿加载轴方向中心对称分布多个贯通的压电陶瓷装填孔和多个静压加载螺纹安装孔；载体上盖和套筒中心均开通光孔；压电陶瓷为柱状；压电陶瓷与套筒轴线平行，固定设于套筒外周部装填孔内；压电陶瓷下端通过固定螺钉固定在套筒外周部装填孔内，上端与上盖底表面接触。该装置既可用对称型DAC，又可实验快速加载/卸载的实验装置，简化实验操作过程，提高装置使用率，降低实验难度。

Description

一种基于对称型金刚石对顶砧技术的动态加载装置
技术领域
本发明涉及一种高压装置。
背景技术
高压实验科学传统上可以分为两个领域，静高压实验和动态加载实验。静高压实验主要用于研究准静水压条件下物质的变化。动态或者冲击实验主要研究物质在不同的应变速率下物性的变化。适当的应变速率可以使材料脱离常规的化学平衡态而形成一些亚稳态相，这些对于研究地球矿物的生长过程和动力学研究都有重大意义。因此，为了能够更好的研究和了解应变速率对物质性质的影响，急需一种能够有效实施动态加载的工具。
DAC(diamond anvil cell，金刚石对顶砧)是一种可以产生极高静水压的实验装置，实验过程中几乎不会产生应变率，而动高压技术可以获得103以上应变率。2007年美国Lawrence Livermore National Laboratory的高压研究小组，在传统金刚石对顶砧静态高压技术的基础上，首先发展了可以实现快速加载的高压装置dDAC(Dynamic diamond anvilcell，动态金刚石对顶砧)。作为快速加载装置的一个雏形，此设备所能达到的最大加载速率为500GPa/s。这一技术填补了静态和动高压在压缩速率方面的空白。
Lawrence Livermore National Laboratory的dDAC虽然可以实现比较高的加载速率，但是由于它需要专门化的设计和较大的体积，使装置的调配和装填样品比较困难，且无法使用常用的对称型DAC，导致该装置一次只能准备一个样品，实验过程中无法根据需求快速更换样品，这些很大程度上降低了装置的使用率，增加了实验难度，从而导致装置调配困难、实验操作性差、装置利用率低等技术问题。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明公开了一种既可以利用常用的对称型DAC，又可以实验快速加载/卸载的实验装置DLD(dynamic loading device，快速加载装置)，简化了实验操作过程，可以提高装置的使用率，降低实验难度。
本发明的基于对称型金刚石对顶砧技术的动态加载装置，包括载体、对称型DAC、多个压电陶瓷和静压加载螺钉；其中，
载体包括上盖和套筒；上盖为圆形平板状，套筒为圆柱体状，套筒的顶部中心有一凹槽，用来装载对称型DAC，对称型DAC的活塞部与载体的套筒通过螺钉固定；
载体的套筒的底部沿加载轴方向中心对称分别分布多个贯通的压电陶瓷的装填孔和多个静压加载螺纹的安装孔；
载体的上盖和套筒中心均开有通光孔；
压电陶瓷为柱状；压电陶瓷与套筒的轴线平行，固定设置于套筒的外周部的装填孔内；压电陶瓷的下端通过固定螺钉固定在套筒的外周部的装填孔内，上端与上盖的底表面接触。
优选的，载体的套筒的底部沿加载轴方向中心对称分别分布三个贯通的压电陶瓷的装填孔和三个静压加载螺纹的安装孔。
优选地，上盖和套筒通过静压加载螺钉固定连接。
优选地，将对称型DAC置于该快速加载卸载装置中后，对称型DAC位于凹槽内，对称型DAC位于上盖的下方，与上盖的下表面接触。
优选地，上盖中部有多个螺纹孔，与对称型DAC的套筒部顶端的多个螺纹孔对应。
优选地，本发明的基于对称型金刚石对顶砧技术的动态加载装置包括3个压电陶瓷。
优选地，静压加载螺钉穿过上盖的外周部的安装孔和套筒的外周部的安装孔，由螺钉固定于其中，通过调节静压加载螺钉可以对DAC加载压力。
优选地，在载体的套筒中，容纳压电陶瓷的装填孔和静压记载螺钉的安装孔间隔设置于套筒的外周部。
本发明的基于对称型金刚石对顶砧技术的动态加载装置操作简单，可靠性强，可以使用现有技术中本领域技术人员使用较广的的通用型的对称型DAC，操作人员可以同时准备多个样品，能够大大提高实验的成功率和设备的使用率。
附图说明
图1为本发明的基于对称型金刚石对顶砧技术的动态加载装置的侧视图。
图2为本发明的基于对称型金刚石对顶砧技术的动态加载装置的顶视图。
图3为本发明的包括快速加载卸载装置的快速测压系统组成示意框图。
具体实施方式
参考图1和2，示岀了本发明的基于对称型金刚石对顶砧技术的动态加载装置的结构示意图。如图1所示，本发明的基于对称型金刚石对顶砧技术的动态加载装置1包括载体2、对称型DAC3、多个压电陶瓷4和静压加载螺钉5。
载体2包括上盖21和套筒22。上盖21为圆形平板状，套筒22为圆柱体状，套筒22的顶部中心有一凹槽23，用来装载对称型DAC3，对称型DAC的活塞部与载体2的套筒22通过螺钉固定。上盖21和套筒22通过静压加载螺钉5固定连接。将对称型DAC3置于该快速加载卸载装置中后，对称型DAC3位于凹槽23内。对称型DAC3位于上盖21的下方，与上盖21的下表面接触。
载体2的套筒22的底部沿加载轴方向中心对称分别分布多个贯通的压电陶瓷4的装填孔和多个静压加载螺纹5的安装孔。每个压电陶瓷尾部都有一固定螺钉24用于防止压电陶瓷后退。载体2的上盖21和套筒22中心均开有通光孔25。优选的，载体2的套筒22的底部沿加载轴方向中心对称分别分布三个贯通的压电陶瓷4的装填孔和三个静压加载螺纹5的安装孔。
上盖21中部有多个螺纹孔，与对称型DAC3的套筒部顶端的多个螺纹孔对应。优选的，上盖21中部四个螺纹孔，与对称型DAC套筒部顶端的四个螺纹孔对应。
压电陶瓷4为柱状，可以是圆柱状。压电陶瓷4与套筒22的轴线平行，固定设置于套筒22的外周部的装填孔内。压电陶瓷4的下端通过固定螺钉24固定在套筒22的外周部的装填孔内，上端与上盖21的底表面接触。
本发明的基于对称型金刚石对顶砧技术的动态加载装置1优选包括3～6个压电陶瓷4，更优选为3个，该数量的压电陶瓷4可以达到稳定的加压和卸压效果，且不会对DAC和光线通过造成影响。本发明中的压电陶瓷采购于德国Physik Instrumente(PI)公司，该公司提供多种型号的压电陶瓷，用户可以根据自己的实验需求对应采购。本发明中采用细长形状的压电陶瓷，型号为P-025.80P，直径为25毫米，这样可以有效减小装置的体积；压电陶瓷的最大行程为120微米，电容量为2600纳法，最大阻滞力为14000牛顿，这样可以保证压电陶瓷有足够大的承压能力。本发明采用PI公司的E-471K012功率放大器，可以使压电陶瓷获得更短的反应时间。本发明中压电陶瓷的行程由信号发生器发出的波函数进行控制，信号发生器发出振幅为0～10V波函数，然后功率放大器将波函数信号转换为0～1000V的电压控制压电陶瓷的行程。
静压加载螺钉5穿过上盖21的外周部的安装孔和套筒22的外周部的安装孔，由螺钉固定于其中，通过调节静压加载螺钉5可以对DAC3加载压力。
在载体2的套筒22中，容纳压电陶瓷4的装填孔和静压记载螺钉5的安装孔间隔设置于套筒22的外周部。
对本发明的基于对称型金刚石对顶砧技术的动态加载装置1的装配方法，包括如下操作步骤：
(1)将利用常规装样法装好样品的对称型DAC放入载体套筒部的凹槽内，原DAC的静态加压螺钉取出；
(2)DAC的活塞和套筒分别用螺钉固定在载体的套筒和上盖上；
(3)通过载体上的三个静压加载螺钉将载体的套筒和上盖部连接，三根静压加载螺钉的旋转方向和力度一致，且保证此时DAC两部分相对松弛，对样品无压力；
(4)将三个压电陶瓷有序装入载体的压电陶瓷装填孔中，压电陶瓷的球面部头部与上盖无压力接触，为了防止实验过程中压电陶瓷的松动，每个压电陶瓷尾部都用一个固定螺钉将其固定使其无法后退；
(5)实验初始压力值设置，通过调整三个静压加载螺钉的旋转角度和红宝石标压来设置目标压力值。
本发明还公开了一种快速测量系统，如图3所示，其中示岀了该快速测量系统的结构框图。该快速测压系统是采用本发明的基于对称型金刚石对顶砧技术的动态加载装置能够进行快速加载/卸载实验的基础。使用过程中，压电陶瓷和探测器的行为均由波函数控制。入射激光照射DAC样品腔中的红宝石，探测器通过获取红宝石荧光的变化来标定样品的压力。快速加载/卸载实验中，通过信号发生器同时给压电陶瓷功率放大器和Shutter(光栅)控制器发送波函数信号。压电陶瓷收到的信号用来控制其伸长或缩短，分别对应着卸载和加载过程。Shutter收到信号后则控制光谱仪开始采集数据。
采用本发明的快速加载卸载装置，其快速加载过程包括如下步骤：
(1)设置快速加载的初始压力值；
(2)调整压电陶瓷功率放大器面板上的旋钮使压电陶瓷伸长；
(3)拧紧压电陶瓷尾部的固定螺钉，使压电陶瓷抵住载体的上盖；
(4)扭转载体上的三个静压加载螺钉，由于压电陶瓷为刚性材料，此时加载螺钉预紧载体的上盖和套筒；
(5)信号发生器分别给压电陶瓷和探测器发送开始信号，压电陶瓷收到信号后缩短，载体上盖和套筒间的巨大张力得以释放出来，作用在DAC的套筒和活塞上，随即给样品施加一个快速的巨大的力；
(6)压电陶瓷回复初始状态，加载过程完成。
采用本发明的快速加载卸载装置，其快速卸载过程包括如下步骤：
(1)调整压电陶瓷功率放大器面板上的旋钮使压电陶瓷长度缩至最短；
(2)设置快速卸载的初始压力值；
(3)拧紧压电陶瓷尾部的固定螺钉，使压电陶瓷抵住载体的上盖；
(4)信号发生器分别给压电陶瓷和探测器发送开始信号，压电陶瓷收到信号后伸长，抵消掉载体上盖和套筒作用在DAC上的力，从而减小作用在样品上的力；
(5)压电陶瓷回复初始状态，卸载过程完成。
本发明的快速加载/卸载装置，操作简单，可靠性强，可以使用现存的通用型的对称型DAC，操作人员可以同时准备多个样品，能够大大提高实验的成功率和设备的使用率。
当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于对称型金刚石对顶砧技术的动态加载装置，包括载体、对称型DAC、多个压电陶瓷和静压加载螺钉；其中，
载体包括上盖和套筒；上盖为圆形平板状，套筒为圆柱体状，套筒的顶部中心有一凹槽，用来装载对称型DAC，对称型DAC的活塞部与载体的套筒通过螺钉固定；
载体的套筒的底部沿加载轴方向中心对称分别分布多个贯通的压电陶瓷的装填孔和多个静压加载螺纹的安装孔；
载体的上盖和套筒中心均开有通光孔；
压电陶瓷为柱状；压电陶瓷与套筒的轴线平行，固定设置于套筒的外周部的装填孔内；压电陶瓷的下端通过固定螺钉固定在套筒的外周部的装填孔内，上端与上盖的底表面接触。
2.如权利要求1所述的快速加载卸载装置，其特征在于，载体的套筒的底部沿加载轴方向中心对称分别分布三个贯通的压电陶瓷的装填孔和三个静压加载螺纹的安装孔。
3.如权利要求1所述的快速加载卸载装置，其特征在于，上盖和套筒通过静压加载螺钉固定连接。
4.如权利要求1所述的快速加载卸载装置，其特征在于，将对称型DAC置于该快速加载卸载装置中后，对称型DAC位于凹槽内，对称型DAC位于上盖的下方，与上盖的下表面接触。
5.如权利要求1所述的快速加载卸载装置，其特征在于，上盖中部有多个螺纹孔，与对称型DAC的套筒部顶端的多个螺纹孔对应。
6.如权利要求1所述的快速加载卸载装置，其特征在于，包括3个压电陶瓷。
7.如权利要求1所述的快速加载卸载装置，其特征在于，静压加载螺钉穿过上盖的外周部的安装孔和套筒的外周部的安装孔，由螺钉固定于其中，通过调节静压加载螺钉可以对DAC加载压力。
8.如权利要求1所述的快速加载卸载装置，其特征在于，在载体的套筒中，容纳压电陶瓷的装填孔和静压记载螺钉的安装孔间隔设置于套筒的外周部。
9.一种使用如权利要求1～8中任一项所述的快速加载卸载装置的方法，其特征在于，其快速加载方法包括如下步骤：
设置快速加载的初始压力值；
调整压电陶瓷功率放大器面板上的旋钮使压电陶瓷伸长；
拧紧压电陶瓷尾部的固定螺钉，使压电陶瓷抵住载体的上盖；
扭转载体上的三个静压加载螺钉，由于压电陶瓷为刚性材料，此时加载螺钉预紧载体的上盖和套筒；
信号发生器分别给压电陶瓷和探测器发送开始信号，压电陶瓷收到信号后缩短，载体上盖和套筒间的巨大张力得以释放出来，作用在DAC的套筒和活塞上，随即给样品施加一个快速的巨大的力；
压电陶瓷回复初始状态，加载过程完成。
10.一种使用如权利要求1～8中任一项所述的快速加载卸载装置的方法，其特征在于，其快速卸载方法包括如下步骤：
调整压电陶瓷功率放大器面板上的旋钮使压电陶瓷长度缩至最短；
设置快速卸载的初始压力值；
拧紧压电陶瓷尾部的固定螺钉，使压电陶瓷抵住载体的上盖；
信号发生器分别给压电陶瓷和探测器发送开始信号，压电陶瓷收到信号后伸长，抵消掉载体上盖和套筒作用在DAC上的力，从而减小作用在样品上的力；
压电陶瓷回复初始状态，卸载过程完成。
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