D-DIA装置与同步辐射源结合技术及其在矿物高温高压变形实验中的应用
发布时间：2019-09-11 08:36
【摘要】：高温高压变形实验是研究地球深部组成矿物流变学性质的重要技术手段之一.D-DIA(deformation-DIA)装置是最近10年来兴起的一种新的高温高压变形实验设备,通常可实现的最高压力为15GPa和温度约为2 000K;而同步辐射X射线衍射已经广泛地应用到物质结构科学的研究中,二者相结合,能够有效原位地研究材料物质在高温高压下的流变学性质.以美国布鲁克海文国家实验室配合有同步辐射源的D-DIA装置为例,介绍该装置的基本结构、工作原理及D-DIA装置与X射线结合技术如何实现矿物高温高压下变形过程的原位观测及相关定量力学数据的获取.这一技术突破了传统流变仪的压力局限,为在更高压力(P4GPa)条件下研究地球深部组成物质的高温高压流变学性质提供了有效途径.
【图文】：
将６个压砧同步推向装置的中心，从而产生准静水压力，以使样品获得高压．同时，ＤＩＡ是利用电流变化调节温度的，低压高电流的交流电可通过加热样品装置中的石墨加热管使样品获得高温．Ｄ－ＤＩＡ是ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ－ＤＩＡ的简称，是在ＤＩＡ的多面压砧装置基础上开发、改进而来的一套新型高温高压变形设备（Ｄｕｒｈａｍｅｔａｌ．，２００２；Ｗａｎｇｅｔａｌ．，２００３）．它是在上下导块内各增加了一个小型液压缸，驱动液压缸内的活塞可使得上下两个压砧能够独立图２ＤＩＡ模具工作原理示意Ｆｉｇ．２ＣｏｎｃｅｐｔｕａｌｄｉａｇｒａｍｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｎｇｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｔｈｅＤＩＡｃｕｂｉｃａｎｖｉｌａｐｐａｒａｔｕｓ据Ｗａｎｇｅｔａｌ．（２００３）修改于周边的４个压砧而上下运动（Ｗａｎｇｅｔａｌ．，２００３）．因此，加压过程中，在产生准静水压力以后，，上下压砧的竖直轴向运动能够产生差异应力从而对样品进行可控的变形．Ｄ－ＤＩＡ装置可产生的最大压力取决于两个主要因素：压砧材料硬度和压砧截面边长大小．例如，当使用碳化钨压砧时，对于截面边长为４ｍｍ和３ｍｍ的压砧，Ｄ－ＤＩＡ装置可实现的最大压力分别为１０ＧＰａ和１３ＧＰａ（Ｓｈｉｍｏｍｕｒａｅｔａｌ．，１９９２）．因此，我们可以根据实验目的选择不同的Ｄ－ＤＩＡ装置压砧材料和压砧截面型号．Ｄ－ＤＩＡ装置的实验压力通常可高达１５ＧＰａ（即相当于地球深部大约４５０ｋｍ处的压力），温度最高为２０００Ｋ（Ｗａｎｇｅｔａｌ．，２００３）．目前实验中，利用常规样品组合
地球科学ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｅａｒｔｈ－ｓｃｉｅｎｃｅ．ｎｅｔ第４２卷图４晶体发生Ｘ射线衍射示意Ｆｉｇ．４ＣｏｎｃｅｐｔｕａｌｄｉａｇｒａｍｓｈｏｗｉｎｇＸ－ｒａｙｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎｉｎｔｈｅｃｒｙｓｔａｌ很短（２０．００～０．０６姒）的电磁波．由于晶体具有点阵结构，是由原子周期性规则排列而成的晶胞组成，且这些规则排列原子之间的距离与Ｘ射线波长属于相同的数量级．因此，当Ｘ射线进入晶体之后，由不同原子散射的Ｘ射线相互干涉，从而显示与晶体结构相对应的衍射现象．入射Ｘ射线（原始Ｘ射线）引起晶体各原子中电子的振动，从而产生二次射线，由此每个原子就作为一个新的Ｘ射线光源向四周放射Ｘ射线．这种射线与入射Ｘ射线的波长相等，但其强度却非常小．由于在晶体中存在周期重复的原子，这些原子所产生的次生Ｘ射线会发生干涉现象．干涉的结果是使次生Ｘ射线互相叠加（增强）或互相抵消（减弱）．图４中各点代表晶体中相当的原子，１、２、３、４分别是一组平行的晶面，晶面间距为ｄ，假设原始Ｘ射线Ｓ０（波长为λ）沿与晶面成θ角（掠射角，又称布拉格角）方向入射，并在Ｓ１方向产生“反射”线（实际上是在该方向产生衍射线）．产生“反射”的条件是：相邻晶面所反射的Ｘ射线的行程差等于波长的整数倍．由图４可以看出，在晶体中，由晶面２衍射的Ｘ射线较由晶面１衍射的Ｘ射线所走路程差为ＡＢ＋ＢＣ，且由图中几何关系得ＡＢ＋ＢＣ等于２ｄｓｉｎθ．如果在Ｓ１方向能产生衍射，那么所行路程差应该为波长
【作者单位】： 长安大学地球科学与资源学院;长安大学西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室;中国地质大学地球科学学院;明尼苏达大学地球科学系;
【基金】：国家自然科学基金项目(No.41402188) 中央高校基础研究项目(No.310827151059)
【分类号】：P579
本文编号：2534315
【图文】：
将６个压砧同步推向装置的中心，从而产生准静水压力，以使样品获得高压．同时，ＤＩＡ是利用电流变化调节温度的，低压高电流的交流电可通过加热样品装置中的石墨加热管使样品获得高温．Ｄ－ＤＩＡ是ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ－ＤＩＡ的简称，是在ＤＩＡ的多面压砧装置基础上开发、改进而来的一套新型高温高压变形设备（Ｄｕｒｈａｍｅｔａｌ．，２００２；Ｗａｎｇｅｔａｌ．，２００３）．它是在上下导块内各增加了一个小型液压缸，驱动液压缸内的活塞可使得上下两个压砧能够独立图２ＤＩＡ模具工作原理示意Ｆｉｇ．２ＣｏｎｃｅｐｔｕａｌｄｉａｇｒａｍｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｎｇｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｔｈｅＤＩＡｃｕｂｉｃａｎｖｉｌａｐｐａｒａｔｕｓ据Ｗａｎｇｅｔａｌ．（２００３）修改于周边的４个压砧而上下运动（Ｗａｎｇｅｔａｌ．，２００３）．因此，加压过程中，在产生准静水压力以后，，上下压砧的竖直轴向运动能够产生差异应力从而对样品进行可控的变形．Ｄ－ＤＩＡ装置可产生的最大压力取决于两个主要因素：压砧材料硬度和压砧截面边长大小．例如，当使用碳化钨压砧时，对于截面边长为４ｍｍ和３ｍｍ的压砧，Ｄ－ＤＩＡ装置可实现的最大压力分别为１０ＧＰａ和１３ＧＰａ（Ｓｈｉｍｏｍｕｒａｅｔａｌ．，１９９２）．因此，我们可以根据实验目的选择不同的Ｄ－ＤＩＡ装置压砧材料和压砧截面型号．Ｄ－ＤＩＡ装置的实验压力通常可高达１５ＧＰａ（即相当于地球深部大约４５０ｋｍ处的压力），温度最高为２０００Ｋ（Ｗａｎｇｅｔａｌ．，２００３）．目前实验中，利用常规样品组合
地球科学ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｅａｒｔｈ－ｓｃｉｅｎｃｅ．ｎｅｔ第４２卷图４晶体发生Ｘ射线衍射示意Ｆｉｇ．４ＣｏｎｃｅｐｔｕａｌｄｉａｇｒａｍｓｈｏｗｉｎｇＸ－ｒａｙｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎｉｎｔｈｅｃｒｙｓｔａｌ很短（２０．００～０．０６姒）的电磁波．由于晶体具有点阵结构，是由原子周期性规则排列而成的晶胞组成，且这些规则排列原子之间的距离与Ｘ射线波长属于相同的数量级．因此，当Ｘ射线进入晶体之后，由不同原子散射的Ｘ射线相互干涉，从而显示与晶体结构相对应的衍射现象．入射Ｘ射线（原始Ｘ射线）引起晶体各原子中电子的振动，从而产生二次射线，由此每个原子就作为一个新的Ｘ射线光源向四周放射Ｘ射线．这种射线与入射Ｘ射线的波长相等，但其强度却非常小．由于在晶体中存在周期重复的原子，这些原子所产生的次生Ｘ射线会发生干涉现象．干涉的结果是使次生Ｘ射线互相叠加（增强）或互相抵消（减弱）．图４中各点代表晶体中相当的原子，１、２、３、４分别是一组平行的晶面，晶面间距为ｄ，假设原始Ｘ射线Ｓ０（波长为λ）沿与晶面成θ角（掠射角，又称布拉格角）方向入射，并在Ｓ１方向产生“反射”线（实际上是在该方向产生衍射线）．产生“反射”的条件是：相邻晶面所反射的Ｘ射线的行程差等于波长的整数倍．由图４可以看出，在晶体中，由晶面２衍射的Ｘ射线较由晶面１衍射的Ｘ射线所走路程差为ＡＢ＋ＢＣ，且由图中几何关系得ＡＢ＋ＢＣ等于２ｄｓｉｎθ．如果在Ｓ１方向能产生衍射，那么所行路程差应该为波长
【作者单位】： 长安大学地球科学与资源学院;长安大学西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室;中国地质大学地球科学学院;明尼苏达大学地球科学系;
【基金】：国家自然科学基金项目(No.41402188) 中央高校基础研究项目(No.310827151059)
【分类号】：P579
本文编号：2534315
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