2.4 Paris-Edinburgh砧

2.4.1 Paris-Edinburgh砧結(jié)構(gòu)

中子衍射實驗（2.5.1）所需的樣品體積是粉末X射線衍射的106倍，因此不能使用金剛石壓砧。因此，在Paris-Edinburgh砧（PEC）出現(xiàn)以前，高壓中子衍射的研究嚴重受限。PEC的出現(xiàn)將壓力范圍擴大至10～20GPa[2]，而且由于其重量輕和便攜性好而廣受推崇——PEC約重50kg，其他設(shè)備可重達一噸。由于其可在光束下使用液壓油缸直接裝載樣品，且保持位置不變，因此該設(shè)備極大程度地簡化了高壓實驗。

PEC與DAC、Bridgman砧也一樣是二面頂壓設(shè)備。在PEC的結(jié)構(gòu)中，樣品由碳化鎢WC或燒結(jié)金剛石壓縮，見圖2.13（a）。早期設(shè)計使用的是零散射TiZr環(huán)形墊片，將其置于砧面溝槽中，以密封樣品和固體傳壓介質(zhì)。當前壓縮實驗使用的液態(tài)傳壓介質(zhì)（甲醇∶乙醇，正戊烷∶異戊烷）的壓力極限為2.0GPa，用法蘭式半球帽（TiZr）封裝的樣品和傳壓介質(zhì)可避免介質(zhì)與砧面直接接觸[41]。這樣砧面能得到保護，且靜水壓力可增至甲醇∶乙醇的凍結(jié)壓力（＞9.0GPa）。封裝墊片與一般的環(huán)形墊片的對比見圖2.13（b）。

圖2.13 （a）Paris-Edinburgh砧（V3b）剖面圖；（b）封裝墊片與一般環(huán)形墊片的對比

2.4.2 Paris-Edinburgh砧內(nèi)置變溫器

Paris-Edinburgh砧最近加入了內(nèi)置變溫器（VTI），能有效地控制110～500K樣品溫度（Marshall WG, Francis DJ, Barry CJ, Kirichek O, Pulham CR, Tucker MG, manuscript in preparation, 2010），這使得其應(yīng)用面得到大幅度地推廣。該設(shè)備使用液氮循環(huán)冷卻系統(tǒng)冷卻樣品和WC砧，同時使用內(nèi)置240W電阻加熱器控制升溫，如圖2.14所示。其目的是減少由溫度突然變化引起的體積變化，減少溫度響應(yīng)時間。整個PEC裝置由室溫降至120K通常需要4～5小時。在對內(nèi)置變溫器的調(diào)試實驗中，研究者發(fā)現(xiàn)此裝置能在45分鐘內(nèi)由室溫降溫至100K，或者升溫至473K（Marshall W G, Francis D J, Barry C J, Kirichek O, Pulham C R, Tucker M G, manuscript in preparation,2010）。這一技術(shù)裝備不僅使得在粉末中子衍射實驗中溫度的可調(diào)控性成為可能，而且也為在常壓下回收高溫或高溫/高壓晶型提供了有效方法。

圖2.14 Paris-Edinburgh砧內(nèi)置變溫器：（a）WC砧，內(nèi)裝液氮管線和電阻線；（b）裝置內(nèi)砧裝載近照；（c）裝有VTI的PEC照，可以很清楚地看見其復(fù)雜程度

2.4.3 壓力測定

與金剛石壓砧不同，研究人員無法對Paris-Edinburgh砧的樣品艙內(nèi)的情況進行直接觀察，因此必須使用壓力校準方法。本方法將取代紅寶石熒光法，使用少量內(nèi)部壓力校準材料如NaCl（s）或Pb（s）。這兩種材料均有完整的狀態(tài)方程[42,43]，這意味著這兩種校準物的晶胞體積（通過Rietveld精修粉末衍射圖確定）直接與墊片內(nèi)壓力相關(guān)。