CN110702018B - 一种金刚石对顶砧内样品厚度测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的一种金刚石对顶砧内样品厚度测量装置及方法,属于物理量测量的技术领域。所述的测量装置，主要结构包括：定位激光承台(8)、测角激光A承台(5)、测角激光B承台(2)、测距仪(3)、定位调平激光承台(30)以及定位激光承台滑轨(9)、测距滑轨(4)等；由折射定律关系sinθ1/sinθ2＝sinθ3/sinθ4，经过数学换算推导出样品承压垫片(19)在加压后的厚度h4＝h3‑h1‑h2+Δh1+Δh2。本发明测量设备简单且易于操作，并且测量时综合考虑了各种因素的影响，从而使测量结果更加准确保证物质电学性质和稳态法热学性质测试结果的准确性。
Description
技术领域
本发明属于物理量测量的技术领域，特别涉及一种金刚石对顶砧内样品厚度的测量方法及测量装置。
背景技术
金刚石对顶砧(Diamond Anvil Cell,简称DAC)是目前唯一能够产生百万大气压静态压力的科学装置，是高压科学与技术研究领域中最重要的科学仪器。其主要利用特制的两颗金刚石压砧经过调平对中后，在两个砧面共轴且平行的砧面间对样品进行挤压，从而使样品获得极端压力测试条件。借助DAC技术可以实现多种物理研究，如物质结构研究、拉曼光谱研究、荧光光谱研究、磁变换研究、电学性质研究和热学性质研究等。
但在使用DAC进行物质电学性质和稳态法热学性质研究中，要精确的得到样品的电导率和热学参数值，样品的厚度是一个不可缺少的参数。但由于DAC自身和DAC砧面大小，以及金刚石和垫片的形变，导致样品厚度的准确测量非常困难。所以到目前为止，测量主要采用卸压后直接对样品进行测量、测多个数据点进行拟合估算、单侧点阵测量等方法，如CN100545575C中采多次测量压力与厚度关系，而后用压力与厚度数据进行拟合，从而由拟合数据读取各压力点下样品厚度；CN104990500A中采用单侧点阵测量样品不同深度处厚度值模拟计算方法，上述两种方法及其他相关测量方法均未考虑金刚石较大的折射率对光程差的影响、金刚石未受压时和受压时折射率变化的影响、测量时测量工具是否与压砧底面垂直的影响以及每颗金刚石和样品的特异性的影响，因此测量结果准确性依然难以保证。
本发明是在综合考虑金刚石自身折射率和金刚石受压时折射率变化，测量时测量工具是否与压砧底面垂直，每颗金刚石和样品的特异性的基础上创建的，不但可以达到实时测量的要求，而且可以更加准确的对样品厚度进行测量，从而保证物质电学性质和稳态法热学性质测试结果的准确性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服背景技术存在的缺陷，即在DAC加压过程中，由于DAC自身体积小、DAC中金刚石压砧砧面小，以及金刚石和垫片在加压时同时存在形变，导致样品厚度难以实时厚度的准确测量的问题，提供一种全新的测量面和测量点确定以及样品厚度计算推导方法，不但可以保证各计算数据数值的可靠性，并具有设备简单，方法可靠，结果准确的诸多优点。
本发明的技术方案如下：
一种金刚石对顶砧内样品厚度测量装置，结构包括：中央处理器1、多功能调整平台滑轨15和安放于多功能调整平台滑轨15上的多功能调整平台17，在多功能调整平台17上安装有金刚石A压砧18、金刚石B压砧20以及夹在金刚石A压砧18和金刚石B压砧20中间的样品承压垫片19，样品承压垫片19中心压腔内放置样品32；所述的多功能调整平台17是具备上下、左右、单侧倾角调整功能的平台；其特征在于，结构还有定位激光承台8、测角激光A承台5、测角激光B承台2、测距仪3、定位调平激光承台30以及定位激光承台滑轨9、测距滑轨4；其中，定位激光承台8安放于定位激光承台滑轨9上，测距仪3、测角激光A承台5、测角激光B承台2安放于测距滑轨4上；
在定位激光承台8上，安装有A图像传感器10和定位激光11，并由A转换光路12连接，A转换光路12内的光路转口处还安装有A半透反射镜7，A半透反射镜7与水平光路成45度角，以使定位激光11发出的光透过，并把来自金刚石A压砧18方向的光反射成竖直方向至A图像传感器10；
在测角激光A承台5上，安装有测角定位A激光13、测角A激光14、定位A传感器16和测角激光A滑轨6；测角定位A激光13固定在测角激光A滑轨6的一端，测角A激光14能在测角激光A滑轨6上平移；
在测角激光B承台2上，安装有测角定位B激光22、测角B激光23、定位B传感器21和测角激光B滑轨29；测角定位B激光22固定在测角激光B滑轨29的一端，测角B激光23能在测角激光B滑轨29上平移；
所述的定位A传感器16和定位B传感器21是测距仪3的两个传感探头，分别与金刚石A压砧18和金刚石B压砧20的底面接触，用于测量金刚石对顶砧的总厚度；
在定位激光承台8上，安装有A图像传感器10和定位激光11，并由A转换光路12连接，A转换光路12内的光路转口处还安装有A半透反射镜7，A半透反射镜7与水平光路成45度角，以使定位激光11发出的光透过，并把来自金刚石A压砧18方向的光反射成竖直方向至A图像传感器10；
在定位调平激光承台30上，安装有定位调平辅助激光组支架24和B转换光路26以及由B转换光路26连接的B图像传感器27和定位调平激光25；在定位调平辅助激光组支架24上安装有定位调平辅助激光组28；在B转换光路26内的光路转口处还安装有B半透反射镜33，B半透反射镜33与水平光路成45度角，以使定位调平激光25发出的光透过，并把来自金刚石B压砧20方向的光反射成竖直方向至B图像传感器27；
定位激光11、A图像传感器10、测角定位A激光13、测角A激光14、测距仪3、测角定位B激光22、测角B激光23、定位调平辅助激光组28、定位调平激光25、B图像传感器27均与中央处理器1进行电气连接。为了提高测量精度，A图像传感器10、B图像传感器27优选用高分辨率CCD，如FT-JX1080。
进一步的定位激光11与定位调平激光25所发出的激光是共轴的；测角定位A激光13和测角定位B激光22与定位调平激光25所发出的激光是平行的；定位激光11、测角定位A激光13、测角A激光14、定位调平激光25与测角定位B激光22、测角B激光23所发出的激光是共平面的。
进一步的所述的测角激光A滑轨6是圆弧形的，圆弧的圆心在金刚石A压砧18与A定位传感器16的接触面上；测角激光B滑轨29是圆弧形的，圆弧中心在金刚石B压砧20与B定位传感器21的接触面上。
进一步的，所述的定位调平辅助激光组28是由三个激光器在定位调平辅助激光组支架24上呈等边三角形排列构成，三个激光器发出的激光光线的交点在定位调平激光25所发出的光线上，定位调平辅助激光组支架24为同步转动支架，以实现定位调平辅助激光组28同时向内外角度调整。
一种金刚石对顶砧内样品厚度测量装置及方法，其方法包括：
首先，测量金刚石A压砧18的厚度记为h1，测量金刚石B压砧20的厚度记为h2；其次，将未加压的金刚石A压砧18、样品承压垫片19、金刚石B压砧20组合体放置于多功能调整平台17上，调整多功能调整平台17，使金刚石B压砧20和样品32的接触面与定位调平激光25发出的激光垂直，固定定位传感器B21；
之后，调整测角A激光14的入射角度，使测角A激光14发出的光线36的折射光线与定位激光11发出的光线34的交点处于金刚石A压砧18的加压面上，记此时测角定位A激光13发出的光线35与测角A激光发出的光线36的夹角为θ1，测角定位A激光13发出的光线35与定位激光11发出的光线34间距为S2，锁定测角A激光14的角度，调整测角B激光23的入射角度，使测角定位B激光发出的光线43的折射光线与定位调平激光25发出的光线41的交点处于在金刚石B压砧20的加压面上，记此时测角定位B激光22发出的光线42与测角B激光23发出的光线43的夹角为θ5，测角定位B激光22发出的光线42与定位调平激光25发出的光线41间距为S4，锁定测角B激光23的角度；
而后，对金刚石A压砧18、样品承压垫片19、金刚石B压砧20的组合体进行加压，加压后的组合体放置于多功能调整平台17上，调整多功能调整平台17，使金刚石B压砧20与样品32的接触面与定位调平激光25发出的光线垂直，并使也样品32相对的底面与B定位传感器21接触，移动A定位传感器16使其接触金刚石A压砧18的底面，通过测距仪3测得A定位传感器16与B定位传感器21之间的距离，即为加压后金刚石A压砧18、金刚石B压砧20和样品承压垫片19构成的组合体的总厚度h3，记此时测角定位A激光13发出的光线35与测角A激光14发出的光线36的折射光夹角θ2，测角定位B激光22发出的光线42与测角B激光23发出的光线43的折射光夹角θ6，测角定位A激光发出的光线35与测角A激光发出的光线36的折射光在金刚石A压砧18变形后加压砧面37上的距离为S1，测角定位B激光22发出的光线42与测角B激光23发出的光线43的折射光在金刚石压砧B变形后加压砧面44上的距离为S3；
然后，再次调整测角A激光14的入射角度，使测角定位A激光14发出的光线36的折射光线与定位激光11发出的光线34在金刚石A压砧18变形后的加压砧面37上相交，记此时测角定位A激光13发出的光线35与测角A激光14发出的光线36的夹角为θ3，测角定位A激光13发出的光线35与测角A激光14发出的光线36的折射光的夹角为θ4；调整测角B激光23的入射角度，使测角定位B激光发出的光线43的折射光线与定位调平激光25发出的光线41在金刚石B压砧变形后的加压砧面44上相交，记此时测角定位B激光22发出的光线42与测角B激光23发出的光线43的夹角为θ7，测角定位B激光22发出的光线42与测角B激光23发出的光线43的折射光夹角为θ8；记加压后金刚石A压砧18厚度减小Δh1，加压后金刚石B压砧20厚度减小Δh2；则样品承压垫片19在加压后的厚度h4由下式得出：
h4＝h3-h1-h2+Δh1+Δh2；
其中，Δh1＝h1-S1S2[(sin2θ1-sin2θ3)/(S1 2sin2θ3-S2 2sin2θ1)]1/2；
Δh2＝h2-S3S4[(sin2θ5-sin2θ7)/(S3 2sin2θ7-S4 2sin2θ5]1/2。
进一步的定位调平激光25在金刚石B压砧20与样品32接触面上的光斑，处于定位调平辅助激光组28发出三条光线在金刚石B压砧20与样品32接触面上的三个光斑构成的等边三角形的型心时，即判断金刚石B压砧20与样品32的接触面与定位调平激光25发出的激光垂直。
有益效果：
本发明解决了在DAC加压过程中，由于DAC自身体积小、DAC中金刚石压砧砧面小，以及金刚石和垫片在加压时同时存在形变，导致样品厚度难以实时厚度的准确测量的问题。测量设备简单且易于操作，并且测量综合考虑了加压过程中金刚石压砧的变形问题、测量面与测量工具垂直问题、传统光学测量计算中金刚石折射率对计算结果影响的问题等，从而使测量结果更加准确保证物质电学性质和稳态法热学性质测试结果的准确性。本发明为金刚石对顶砧内样品厚度测量的重大技术突破，本发明的应用不但可以指导相关测试技术发展，而且可大幅提高物质电学性质和稳态法热学性质测试结果的准确性。
附图说明
图1是本发明金刚石对顶砧内样品厚度测量设备三维示意图。
图2是本发明金刚石对顶砧内样品厚度测量设备的剖面示意图。
图3是本发明中B定位传感器21、测角定位B激光22、测角B激光23的相对关系示意图。
图4是本发明金刚石对顶砧金刚石压砧及样品厚度变化关系示意图。
图5是本发明金刚石A压砧18在加压前后测量光线示意图。
图6是本发明金刚石B压砧20在加压前后测量光线示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本发明的具体结构如图1、2、3所示。结构包括：中央处理器1(单片机或ARM均可)、多功能调整平台滑轨15和安放于多功能调整平台滑轨15上的多功能调整平台17，在多功能调整平台17上安装有金刚石A压砧18、金刚石B压砧20以及夹在金刚石A压砧18和金刚石B压砧20中间的样品承压垫片19，样品承压垫片19中心压腔内放置样品32；所述的多功能调整平台17是具备上下、左右、单侧倾角调整功能的平台；结构还有定位激光承台8、测角激光A承台5、测角激光B承台2、测距仪3、定位调平激光承台30以及定位激光承台滑轨9、测距滑轨4；其中，定位激光承台8安放于定位激光承台滑轨9上，测距仪3、测角激光A承台5、测角激光B承台2安放于测距滑轨4上。
在定位激光承台8上，安装有A图像传感器10和定位激光11，并由A转换光路12连接，A转换光路12内的光路转口处还安装有A半透反射镜7，A半透反射镜7与水平光路成45度角，以使定位激光11发出的光透过，并把来自金刚石A压砧18方向的光反射成竖直方向至A图像传感器10。
在测角激光A承台5上，安装有测角定位A激光13、测角A激光14、定位A传感器16和测角激光A滑轨6；测角定位A激光13固定在测角激光A滑轨6的一端，测角A激光14能在测角激光A滑轨6上平移。
在测角激光B承台2上，安装有测角定位B激光22、测角B激光23、定位B传感器21和测角激光B滑轨29；测角定位B激光22固定在测角激光B滑轨29的一端，测角B激光23能在测角激光B滑轨29上平移。
所述的定位A传感器16和定位B传感器21是测距仪3的两个传感探头，分别与金刚石A压砧18和金刚石B压砧20的底面接触，用于测量金刚石对顶砧的总厚度。
在定位激光承台8上，安装有A图像传感器10和定位激光11，并由A转换光路12连接，A转换光路12内的光路转口处还安装有A半透反射镜7，A半透反射镜7与水平光路成45度角，以使定位激光11发出的光透过，并把来自金刚石A压砧18方向的光反射成竖直方向至A图像传感器10。
在定位调平激光承台30上，安装有定位调平辅助激光组支架24和B转换光路26以及由B转换光路26连接的B图像传感器27和定位调平激光25；在定位调平辅助激光组支架24上安装有定位调平辅助激光组28；在B转换光路26内的光路转口处还安装有B半透反射镜33，B半透反射镜33与水平光路成45度角，以使定位调平激光25发出的光透过，并把来自金刚石B压砧20方向的光反射成竖直方向至B图像传感器27。
定位激光11、A图像传感器10、测角定位A激光13、测角A激光14、测距仪3、测角定位B激光22、测角B激光23、定位调平辅助激光组28、定位调平激光25、B图像传感器27均与中央处理器1进行电气连接。
具体安装注意事项及步骤如下：
第一步，调整定位激光11与定位调平激光25使两者发出的光线共轴(重合)；
第二步，调整定位激光11、测角定位A激光13、测角A激光14、定位调平激光25与测角定位B激光22、测角B激光23，使其发出的光线处于同一平面；
第三步，调整测角定位A激光13和测角定位B激光22与定位调平激光25，使其发出的光线平行；
第四步，调整圆弧形测角激光A滑轨6，使圆弧中心在金刚石A压砧18与A定位传感器16的接触面上；
第五步，调整圆弧形测角激光B滑轨29，使圆弧中心在金刚石B压砧20与B定位传感器21的接触面上；
第六步，调整定位调平辅助激光28组，使三个激光器发出的光线交点在定位调平激光25发出的光线上41上。
实施例2
结合附图4、5、6说明样品厚度测量计算原理。
第一步，测量金刚石A压砧18的厚度记为h1，测量金刚石B压砧20的厚度记为h2；其次，将未加压的金刚石A压砧18、样品承压垫片19、金刚石B压砧20组合体放置于多功能调整平台17上，调整多功能调整平台17，使金刚石B压砧20和样品32的接触面与定位调平激光25发出的激光垂直，固定定位传感器B21；
第二步，调整测角A激光14的入射角度，使测角A激光14发出的光线36的折射光线与定位激光11发出的光线34的交点处于金刚石A压砧18的加压面上，记此时测角定位A激光13发出的光线35与测角A激光发出的光线36的夹角为θ1，测角定位A激光13发出的光线35与定位激光11发出的光线34间距为S2，锁定测角A激光14的角度，调整测角B激光23的入射角度，使测角定位B激光发出的光线43的折射光线与定位调平激光25发出的光线41的交点处于在金刚石B压砧20的加压面上，记此时测角定位B激光22发出的光线42与测角B激光23发出的光线43的夹角为θ5，测角定位B激光22发出的光线42与定位调平激光25发出的光线41间距为S4，锁定测角B激光23的角度；
第三步，对金刚石A压砧18、样品承压垫片19、金刚石B压砧20的组合体进行加压，加压后的组合体放置于多功能调整平台17上，调整多功能调整平台17，使金刚石B压砧20与样品32的接触面与定位调平激光25发出的光线垂直，并使也样品32相对的底面与B定位传感器21接触，移动A定位传感器16使其接触金刚石A压砧18的底面，通过测距仪3测得A定位传感器16与B定位传感器21之间的距离，即为加压后金刚石A压砧18、金刚石B压砧20和样品承压垫片19构成的组合体的总厚度h3，记此时测角定位A激光13发出的光线35与测角A激光14发出的光线36的折射光夹角θ2，测角定位B激光22发出的光线42与测角B激光23发出的光线43的折射光夹角θ6，测角定位A激光发出的光线35与测角A激光发出的光线36的折射光在金刚石A压砧18变形后加压砧面37上的距离为S1，测角定位B激光22发出的光线42与测角B激光23发出的光线43的折射光在金刚石压砧B变形后加压砧面44上的距离为S3；
第四步，再次调整测角A激光14的入射角度，使测角定位A激光14发出的光线36的折射光线与定位激光11发出的光线34在金刚石A压砧18变形后的加压砧面37上相交，记此时测角定位A激光13发出的光线35与测角A激光14发出的光线36的夹角为θ3，测角定位A激光13发出的光线35与测角A激光14发出的光线36的折射光的夹角为θ4；调整测角B激光23的入射角度，使测角定位B激光发出的光线43的折射光线与定位调平激光25发出的光线41在金刚石B压砧变形后的加压砧面44上相交，记此时测角定位B激光22发出的光线42与测角B激光23发出的光线43的夹角为θ7，测角定位B激光22发出的光线42与测角B激光23发出的光线43的折射光夹角为θ8；记加压后金刚石A压砧18厚度减小Δh1，加压后金刚石B压砧20厚度减小Δh2；
第五步，计算样品承压垫片19在加压后的厚度h4：
h4＝h3-h1-h2+Δh1+Δh2；
其中Δh1厚度变换关系为：由光的折射定律关系sinθ1/sinθ2＝sinθ3/sinθ4，式中sinθ2＝S1/[S1 2+(h1-Δh1)2]1/2，式中sinθ4＝S2/[S2 2+(h1-Δh1)2]1/2，最后计算得到公式Δh1＝h1-S1S2[(sin2θ1-sin2θ3)/(S1 2sin2θ3-S2 2sin2θ1)]1/2；
其中Δh2厚度变换关系为：由光的折射定律关系sinθ5/sinθ6＝sinθ7/sinθ8，式中sinθ6＝S3/[S3 2+(h2-Δh2)2]1/2，式中sinθ8＝S4/[S4 2+(h2-Δh2)2]1/2，最后计算得到公式Δh2＝h2-S3S4[(sin2θ5-sin2θ7)/(S3 2sin2θ7-S4 2sin2θ5]1/2。
实施例3样品厚度测量实例1
根据实施例1，实施例2组装调整设备，在10.2GPa压力条件下；
测量得到金刚石A压砧18的厚度h1＝2120.124532μm，金刚石B压砧20的厚度为h2＝2100.022154μm；
测得加压前测角定位A激光13发出的光线35与测角A激光14发出的光线36的夹角θ1＝13.162259°；
测得加压前测角定位A激光13发出的光线35与定位激光11发出的光线34的间距S2＝200μm；
测得加压前测角定位B激光22发出的光线42与测角B激光发出的光线43夹角θ5＝11.741125；
测得加压前测角定位B激光22发出的光线42与定位调平激光25发出的光线41的间距S4＝200μm；
测得加压后金刚石A压砧18、金刚石B压砧20和样品承压垫片19总厚度h3＝4289.273678μm；
测得加压后测角定位A激光13发出的光线35与测角A激光14发出的光线36的折射光在金刚石A压砧变形后加压砧面上37的距离为S1＝199.116229μm；
测得加压后测角定位B激光22发出的光线42与测角B激光23发出的光线43的折射光在金刚石B压砧20变形后加压砧面44上的距离为S3＝199.307164μm；
测得加压调整后测角定位A激光13发出的光线35与测角A激光14发出的光线36的夹角θ3＝13.221212°；
测得加压调整后测角定位B激光22发出的光线42与测角B激光23发出的光线43的夹角θ7＝11.782152°；
由Δh1厚度变换关系Δh1＝h1-S1S2[(sin2θ1-sin2θ3)/(S1 2sin2θ3-S2 2sin2θ1)]1/2，计算加压后金刚石A压砧18的厚度减小Δh1＝1.656758μm；
由Δh2厚度变换关系Δh2＝h2-S3S4[(sin2θ5-sin2θ7)/(S3 2sin2θ7-S4 2sin2θ5]1/2，计算加压后金刚石B压砧20的厚度减小Δh2＝1.241637μm；
最后根据h4＝h3-h1-h2+Δh1+Δh2计算出样品承压垫片在加压后的厚度为h4＝72.025387μm。
实施例4样品厚度测量实例2
根据实施例1，实施例2组装调整设备，在18.45GPa压力条件下；
测量得到h1＝2120.124532μm，h2＝2100.022154μm；
测得加压前θ1＝13.162259°；
测得加压前S2＝200μm；
测得加压前θ5＝11.741125；
测得加压前S4＝200μm；
测得加压后h3＝4274.531996μm；
测得加压后S1＝192.925330μm；
测得加压后S3＝196.320220μm；
测得加压调整后θ3＝13.649824°；
测得加压调整后θ7＝11.962425°；
由Δh1厚度变换关系Δh1＝h1-S1S2[(sin2θ1-sin2θ3)/(S1 2sin2θ3-S2 2sin2θ1)]1/2，算出Δh1＝2.186001μm；
由Δh2厚度变换关系Δh2＝h2-S3S4[(sin2θ5-sin2θ7)/(S3 2sin2θ7-S4 2sin2θ5]1/2，算出Δh2＝3.919045μm；
最后利用h4＝h3-h1-h2+Δh1+Δh2计算可得样品承压垫片加压后厚度h4＝60.490356μm。
实施例5样品厚度测量实例3
根据实施例1，实施例2组装调整设备，在30.04GPa压力条件下；
测量得到h1＝2120.124532μm，h2＝2100.022154μm；
测得加压前θ1＝13.162259°；
测得加压前S2＝200μm；
测得加压前θ5＝11.741125；
测得加压前S4＝200μm；
测得加压后h3＝4265.985116μm；
测得加压后S1＝182.284109μm；
测得加压后S3＝187.587582μm；
测得加压调整后θ3＝14.456964°；
测得加压调整后θ7＝12.523321°；
由Δh1厚度变换关系Δh1＝h1-S1S2[(sin2θ1-sin2θ3)/(S1 2sin2θ3-S2 2sin2θ1)]1/2，算出Δh1＝4.943839μm；
由Δh2厚度变换关系Δh2＝h2-S3S4[(sin2θ5-sin2θ7)/(S3 2sin2θ7-S4 2sin2θ5]1/2，算出Δh2＝4.341283μm；
最后由h4＝h3-h1-h2+Δh1+Δh2计算可得样品承压垫片加压后厚度h4＝55.123552μm。
实施例6验证本发明样品厚度测量的准确性
将实施例3，实施例4，实施例5中加压测量后金刚石A压砧18、金刚石B压砧20和样品承压垫片19进行分别拆卸，记直接测量各加压后的垫片厚度分别为72.02μm，60.32μm，55.12μm，与实施例3、4、5的测量结果对比，结果如表1所示。
表1用本发明的方法测量结果与拆卸后直接测量的结果对比
从实施例对比实验结果可知，本方法不但可以准确的进行DAC内样品厚度的测算，而且可以达到DAC内连续准确测量的要求，而非模拟或估算结果，是一种真正的实时测量数据结果。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下，可以对这些实施例进行多样性变化修改、替换和变形，本发明的范围有所附权利要求及其同等物限定。
Claims (6)
1.一种金刚石对顶砧内样品厚度测量装置，结构包括：中央处理器(1)、多功能调整平台滑轨(15)和安放于多功能调整平台滑轨(15)上的多功能调整平台(17)，在多功能调整平台(17)上安装有金刚石A压砧(18)、金刚石B压砧(20)以及夹在金刚石A压砧(18)和金刚石B压砧(20)中间的样品承压垫片(19)，样品承压垫片(19)中心压腔内放置样品(32)；所述的多功能调整平台(17)是具备上下、左右、单侧倾角调整功能的平台；其特征在于，结构还有定位激光承台(8)、测角激光A承台(5)、测角激光B承台(2)、测距仪(3)、定位调平激光承台(30)以及定位激光承台滑轨(9)、测距滑轨(4)；其中，定位激光承台(8)安放于定位激光承台滑轨(9)上，测距仪(3)、测角激光A承台(5)、测角激光B承台(2)安放于测距滑轨(4)上；
在测角激光A承台(5)上，安装有测角定位A激光(13)、测角A激光(14)、定位A传感器(16)和测角激光A滑轨(6)；测角定位A激光(13)固定在测角激光A滑轨(6)的一端，测角A激光(14)能在测角激光A滑轨(6)上平移；
在测角激光B承台(2)上，安装有测角定位B激光(22)、测角B激光(23)、定位B传感器(21)和测角激光B滑轨(29)；测角定位B激光(22)固定在测角激光B滑轨(29)的一端，测角B激光(23)能在测角激光B滑轨(29)上平移；
所述的定位A传感器(16)和定位B传感器(21)是测距仪(3)的两个传感探头，分别与金刚石A压砧(18)和金刚石B压砧(20)的底面接触，用于测量金刚石对顶砧的总厚度；
在定位激光承台(8)上，安装有A图像传感器(10)和定位激光(11)，并由A转换光路(12)连接，A转换光路(12)内的光路转口处还安装有A半透反射镜(7)，A半透反射镜(7)与水平光路成45度角，以使定位激光(11)发出的光透过，并把来自金刚石A压砧(18)方向的光反射成竖直方向至A图像传感器(10)；
在定位调平激光承台(30)上，安装有定位调平辅助激光组支架(24)和B转换光路(26)以及由B转换光路(26)连接的B图像传感器(27)和定位调平激光(25)；在定位调平辅助激光组支架(24)上安装有定位调平辅助激光组(28)；在B转换光路(26)内的光路转口处还安装有B半透反射镜(33)，B半透反射镜(33)与水平光路成45度角，以使定位调平激光(25)发出的光透过，并把来自金刚石B压砧(20)方向的光反射成竖直方向至B图像传感器(27)；
定位激光(11)、A图像传感器(10)、测角定位A激光(13)、测角A激光(14)、测距仪(3)、测角定位B激光(22)、测角B激光(23)、定位调平辅助激光组(28)、定位调平激光(25)、B图像传感器(27)均与中央处理器(1)进行电气连接。
2.根据权利要求1所述的一种金刚石对顶砧内样品厚度测量装置，其特征在于，所述的定位激光(11)与定位调平激光(25)所发出的激光是共轴的；测角定位A激光(13)和测角定位B激光(22)与定位调平激光(25)所发出的激光是平行的；定位激光(11)、测角定位A激光(13)、测角A激光(14)、定位调平激光(25)与测角定位B激光(22)、测角B激光(23)所发出的激光是共平面的。
3.根据权利要求1所述的一种金刚石对顶砧内样品厚度测量装置，其特征在于，所述的测角激光A滑轨(6)是圆弧形的，圆弧的圆心在金刚石A压砧(18)与A定位传感器(16)的接触面上；测角激光B滑轨(29)是圆弧形的，圆弧中心在金刚石B压砧(20)与B定位传感器(21)的接触面上。
4.根据权利要求1所述的一种金刚石对顶砧内样品厚度测量装置，其特征在于，所述的定位调平辅助激光组(28)是由三个激光器在定位调平辅助激光组支架(24)上呈等边三角形排列构成，三个激光器发出的激光光线的交点在定位调平激光(25)所发出的光线上，定位调平辅助激光组支架(24)为同步转动支架，以实现定位调平辅助激光组(28)同时向内外角度调整。
5.一种基于权利要求1所述装置的金刚石对顶砧内样品厚度测量方法，步骤有：
首先，测量金刚石A压砧(18)的厚度记为h1，测量金刚石B压砧(20)的厚度记为h2；其次，将未加压的金刚石A压砧(18)、样品承压垫片(19)、金刚石B压砧(20)组合体放置于多功能调整平台(17)上，调整多功能调整平台(17)，使金刚石B压砧(20)和样品(32)的接触面与定位调平激光(25)发出的激光垂直，固定B定位传感器(21)；
之后，调整测角A激光(14)的入射角度，使测角A激光(14)发出的光线(36)的折射光线与定位激光(11)发出的光线(34)的交点处于金刚石A压砧(18)的加压面上，记此时测角定位A激光(13)发出的光线(35)与测角A激光发出的光线(36)的夹角为θ1，测角定位A激光(13)发出的光线(35)与定位激光(11)发出的光线(34)间距为S2，锁定测角A激光(14)的角度，调整测角B激光(23)的入射角度，使测角定位B激光发出的光线(43)的折射光线与定位调平激光(25)发出的光线(41)的交点处于在金刚石B压砧(20)的加压面上，记此时测角定位B激光(22)发出的光线(42)与测角B激光(23)发出的光线(43)的夹角为θ5，测角定位B激光(22)发出的光线(42)与定位调平激光(25)发出的光线(41)间距为S4，锁定测角B激光(23)的角度；
而后，对金刚石A压砧(18)、样品承压垫片(19)、金刚石B压砧(20)的组合体进行加压，加压后的组合体放置于多功能调整平台(17)上，调整多功能调整平台(17)，使金刚石B压砧(20)与样品(32)的接触面与定位调平激光(25)发出的光线垂直，并使也样品(32)相对的底面与B定位传感器(21)接触，移动A定位传感器(16)使其接触金刚石A压砧(18)的底面，通过测距仪(3)测得A定位传感器(16)与B定位传感器(21)之间的距离，即为加压后金刚石A压砧(18)、金刚石B压砧(20)和样品承压垫片(19)构成的组合体的总厚度h3，记此时测角定位A激光(13)发出的光线(35)与测角A激光(14)发出的光线(36)的折射光夹角θ2，测角定位B激光(22)发出的光线(42)与测角B激光(23)发出的光线(43)的折射光夹角θ6，测角定位A激光发出的光线(35)与测角A激光发出的光线(36)的折射光在金刚石A压砧(18)变形后加压砧面(37)上的距离为S1，测角定位B激光(22)发出的光线(42)与测角B激光(23)发出的光线(43)的折射光在金刚石压砧B变形后加压砧面(44)上的距离为S3；
然后，再次调整测角A激光(14)的入射角度，使测角定位A激光(14)发出的光线(36)的折射光线与定位激光(11)发出的光线(34)在金刚石A压砧(18)变形后的加压砧面(37)上相交，记此时测角定位A激光(13)发出的光线(35)与测角A激光(14)发出的光线(36)的夹角为θ3，测角定位A激光(13)发出的光线(35)与测角A激光(14)发出的光线(36)的折射光的夹角为θ4；调整测角B激光(23)的入射角度，使测角定位B激光发出的光线(43)的折射光线与定位调平激光(25)发出的光线(41)在金刚石B压砧变形后的加压砧面(44)上相交，记此时测角定位B激光(22)发出的光线(42)与测角B激光(23)发出的光线(43)的夹角为θ7，测角定位B激光(22)发出的光线(42)与测角B激光(23)发出的光线(43)的折射光夹角为θ8；记加压后金刚石A压砧(18)厚度减小Δh1，加压后金刚石B压砧(20)厚度减小Δh2；则样品承压垫片(19)在加压后的厚度h4由下式得出：
h4＝h3-h1-h2+Δh1+Δh2；
其中，Δh1＝h1-S1S2[(sin2θ1-sin2θ3)/(S1 2sin2θ3-S2 2sin2θ1)]1/2；
Δh2＝h2-S3S4[(sin2θ5-sin2θ7)/(S3 2sin2θ7-S4 2sin2θ5]1/2。
6.根据权利要求5所述的一种金刚石对顶砧内样品厚度测量方法，其特征在于，所述的定位调平激光(25)在金刚石B压砧(20)与样品(32)接触面上的光斑，处于定位调平辅助激光组(28)发出三条光线在金刚石B压砧(20)与样品(32)接触面上的三个光斑构成的等边三角形的型心时，即判断金刚石B压砧(20)与样品(32)的接触面与定位调平激光(25)发出的激光垂直。
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