本发明属于极端条件下物理量原位测量装置的技术领域，特别涉及用于金刚石对顶砧中进行高温高压电输运和热输运性质测量的装置。
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。利用特制的两颗金刚石压砧，已知的压力上限已经超过了1TPa，如果再结合高温技术，实验室模拟的温度和压力环境完全可以研究地球内部相关物质的物理和化学性质，是解释地震波数据、了解地球内部结构和动力学过程的重要途径，DAC技术的发展使得揭示地球内部的奥秘成为可能。同时，压力和温度能够调控材料的能隙宽度，晶格结构以及原子占位，高温高压下物质电输运及热输运性质的研究，对于分析物质的结构、化学键、晶格振动以及分子的转动等过程具有至关重要的作用。然而如何实时检测压力与温度对材料输运性质的变化存在巨大的技术难题，主要原因是高温高压下进行原位测试的相关实验技术十分复杂，要想从根本上解决，应着重实现金刚石对顶砧装置改进的技术突破。
到目前为止，在极端条件下压力的产生及标定技术已经十分成熟，但是由于金刚石压砧高温氧化，金刚石对顶砧压机高温受损等原因，限制了实验的温度范围，致使DAC内样品的加热问题一直没有得到很好的解决。现有技术对DAC内样品进行加热的方法一般有三种：(1)利用强激光脉冲穿过金刚石直接对样品进行加热；(2)将压机放入烘箱内，对压机进行加热进而提高样品温度；(3)在DAC内缠绕电热丝，利用通电的电热丝对DAC加热进而提高样品温度。然而以上三种方法都有它们各自的缺陷而限制了它们的使用：第一种方法，利用强激光脉冲对样品进行加温，隔热传压介质的引入，限制了部分电输运及热输运性质的测量。此外，由于该方法采用黑体辐射方式测温，不仅对实验设备要求较高，而且温度测量误差较大，该测温方法在1500K以上测温误差可以达到50K左右，1500K以下，测温误差更大。第二种及第三种方法，由于压机温度过高而造成的形变将导致压机受损，加压碟簧高温软化，造成压力丢失，而且暴露在空气中的金刚石压砧面临氧化的问题，因此限制了实验的温度范围。
为了解决高温环境对压机的损伤以及造成的压力丢失，申请人的专利《内冷式金刚石对顶砧压机》(专利号：201510036364.X)公开了一种内置水冷的金刚石对顶砧压机，高温实验过程中，可以确保压机机体处于室温，基本解决了压机高温受损以及压力丢失的问题，然而，由于未能解决金刚石压砧氧化的问题，因此实验温度仍然受限。内冷式金刚石对顶砧压机采用套筒式设计，电极和热电偶的布置操作难度较高；由于压机制冷效果显著，消耗了绝大部分热量，因此电热丝需要更高的功率，降低了电热丝的使用寿命，然而升温空间仍然有限；为了解决温度受限的问题，在托块与压机之间放置云母片，这又限制了调平对中的精确度；电热丝缠绕在托块上表面或者垫片上，传递到样品上的有效热量少，更多的热量以空气导热、热对流、热辐射的形式耗散。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是，给出全新的高温高压金刚石对顶砧压机设计，采用陶瓷模具、双侧加热方式、摇床的设计等，确保样品处于高温高压环境，并且在提高了实验操作的便捷性基础上，实现对样品高温高压输运性质的测量；水冷系统维持压机机体室温，进一步防止压机高温受损以及高温造成的压力丢失，真空系统的引入，抑制金刚石的氧化，提供更宽广的实验温度范围和有利于样品高温高压输运性质的测量。
本发明所述的基于金刚石对顶砧的输运性质测量分为电输运性质测量及热输运性质测量。电输运性质的测量主要包括：介电性质、电阻、磁阻、载流子浓度、霍尔系数等，通过布置在金刚石压砧砧面上的电极结合电阻率、阻抗谱、霍尔等系统进行测量；热输运性质的测量主要包括：热导率、赛贝克系数等，通过放置在金刚石压砧上的热电偶测温结合热输运分析进行测量。
本发明的具体技术方案结合说明书附图中的图1和图2叙述如下。
一种基于金刚石对顶砧高温高压输运性质测量装置，其结构包括压机上模1、压机下模11、两颗金刚石压砧2、夹放在两颗金刚石压砧2砧面之间的金属垫片6、垫片样品腔内填充样品10、两个热电偶16的测温点分别固定在两颗金刚石压砧2侧棱、测试电极15的一个端头放置在样品腔内另一个端头用于连接测试装置，两颗金刚石压砧2底面分别固定在托块4下方和摇床5上方，压机上模1与托块4间放置云母片9。结构还有托块端陶瓷模具3、摇床端陶瓷模具13，托块端陶瓷模具3和摇床端陶瓷模具13内分别缠绕有电热丝；压机上模1和压机下模11采用四柱式结构；所述的托块4，中间开洞且内壁开有圆周阶梯槽用于放置托块端陶瓷模具3；所述的摇床5，是球缺和球缺底面上的圆筒为一体、中间开洞的形状，圆筒的半径小于球缺底面半径，圆筒外表面与球缺底面构成的台阶上套装摇床端陶瓷模具13；摇床5放置于摇床底座7上，摇床底座7中间开洞且上表面有球面坑与摇床5的球面吻合安装，摇床5上部放置圆环形摇床盖8，摇床5夹在摇床底座7和摇床盖8之间并通过调平螺丝26固定；摇床底座7与压机下模11之间放置云母片9，托块端陶瓷模具3上面放置云母片9。
本发明是基于金刚石对顶砧高温高压输运性质的测量装置，因此需要制造高温高压的实验环境。高压环境的产生机理为：大质量支撑原理，利用金刚石硬度高的特性，通过两颗金刚石压砧2挤压填充在金属垫片6样品腔中的样品10，产生高压环境；高温环境的产生机理为：利用通电的电热丝对DAC加热进而提高样品10的温度，选用电阻率高的铁铬铝电热丝，将电热丝缠绕在托块端陶瓷模具3和摇床端陶瓷模具13上，托块端陶瓷模具3和摇床端陶瓷模具13分别固定在托块4和摇床5指定位置，产生高温环境以及样品10上下表面间的温度差。
本发明装置中的高温高压金刚石对顶砧压机采用四柱式设计(不同于背景技术的套筒式设计)，为实验提供宽广的实验操作空间，显著降低了实验操作难度；摇床5的球缺底面设计，为金刚石压砧2调平对中提供了便捷性，解决了由于云母片9的工艺平整度所造成的技术难题；摇床底座7的引入，为云母片9的布置提供了平台，上下两侧云母片9的放置，有效隔绝了热传导形式的热量损耗。
下面对托块端陶瓷模具3和摇床端陶瓷模具13的具体结构作进一步的说明。
所述的托块端陶瓷模具3和摇床端陶瓷模具13，是耐高温陶瓷材质，定制成平底模具和梯型模具两种不同的构型；通过调节托块端陶瓷模具3和摇床端陶瓷模具13内电热丝的功率，能够在样品10上下表面产生热输运性质测量所需的温度梯度。
所述的平底模具，横截面是矩形的圆环形状，其上下两面刻有凹槽27，上下两面的凹槽27的端头通过平底模具孔28首尾接通，电热丝通过平底模具孔28和凹槽27缠绕在平底模具上并嵌入凹槽27内部；所述的梯型模具，是由圆环形底座部分和圆环形突起部分构成的横截面是凸字形的圆环形状，底座部分上表面和突起部分的侧面形成内外两个圈圆形梯台29，在突起部分沿半径方向开有梯型模具孔30，电热丝依次穿过梯型模具孔30缠绕在梯型模具上，缠绕的电热丝均在底座部分的边沿之内。
在托块端陶瓷模具3与托块4之间的接触面、摇床端陶瓷模具13与摇床5之间的接触面、托块端陶瓷模具3与云母片9之间的接触面，均利用高温修补剂固定。
电热丝使用寿命低的主要原因是传统电热丝的缠绕方式高温下会发生形变导致局部电热丝短路，以及由于托块4和高温修补剂热膨胀系数不同所导致的电热丝脱落，为了有效提高电热丝的使用寿命，本发明设计了陶瓷材质的模具，将电热丝缠绕在模具上，避免了电热丝的局部短路及电热丝不利于固定的弊端，显著提高了电热丝的使用寿命。两种不同几何构型的平底陶瓷模具和梯型陶瓷模具，可根据不同实验需求使用，平底陶瓷模具缠绕相对更长的电热丝，样品10可以达到更高温度；梯型陶瓷模具的梯台设计，减小了电热丝与空气的接触面积，抑制了热对流、热辐射形式的热耗散，降低了电热丝对压机的升温造成的热耗散。每种几何构型的陶瓷模具根据托块4和摇床5的几何构型加工不同的尺寸，确保恰好固定在托块4内壁的阶梯槽内和摇床5平台上，可以进行两侧加热控温。与背景技术的电热丝缠绕在金属垫片6上比较，这种两侧加热控温方式的优点是：双侧加热样品10可以达到更高的温度；双侧控温可以在样品10上产生理想的温度差，实现热输运性质的测量。
本发明的基于金刚石对顶砧高温高压输运性质测量装置还可以加装水冷系统。所述的水冷系统，由铍铜材质的内置水槽的水冷台上模17和水冷台下模18两部分构成，分别装在压机上模1上面和压机下模11的下面，内置水槽通过气动快速接头19和水管与循环水冷机连接；水冷台上模17与水冷台下模18均有中心孔洞；通过旋转水冷滑轨20上的螺母，对水冷平台施加彼此靠近的力，确保水冷台上模17与压机上模1之间、水冷台下模18与压机下模11之间紧密接触。
本发明铍铜材质的水冷台和金刚石对顶砧压机分开设计，避免了内置水冷所导致的压机尺寸较大，操作不便的弊端。水冷台上模17设计了加压螺丝凹槽及导向柱凹槽，将压机加压螺丝和导向柱对应嵌入水冷台上模上述凹槽内，通过旋转水冷滑轨20上的两个螺母，对水冷平台施加彼此靠近的力，确保压机与水冷平台紧密接合；水冷台上模17与水冷台下模18设计得中心孔洞是为了便于光谱测量；水冷台通过气动快速接头19及水管与循环水冷机连接，通过循环水冷机，可以调节水冷台的温度。
本发明装置包括与高温高压金刚石对顶砧压机配套使用的真空装置。即，将基于金刚石对顶砧高温高压输运性质测量装置安置在真空系统中；所述的真空系统，结构由放置在真空基台21上的有机玻璃罩25、真空计24以及真空泵构成；穿过真空基台21集成有铜柱电极22用于连接热电偶16和测试电极15，各铜柱电极22分别与有机玻璃罩25外的接线柱23一一对应电连接，接线柱23用于高温高压输运性质测量时连接外置设备。
为了满足金刚石对顶砧输运性质测量的需求，可以在真空装置内部左右各集成了8根金属铜柱电极22，可充分满足加温、测温及电信号的传输和测量；水冷台集成在真空装置内，确保真空环境下压机机体处于室温；通过机械泵抽真空，真空计24实时读取真空装置内部的气压环境；有机玻璃罩25便于观察真空装置内部实验环境，为光学测量提供了可能。真空系统可以有效抑制金刚石压砧2及DAC装置的氧化，提高了实验的温度范围，同时真空环境隔绝了空气导热及热对流造成的热量耗散，提高热量的有效利用，降低由于空气导热及热对流造成的测温误差。
本发明的有益效果在于，将金刚石对顶砧技术、电热丝加温技术、循环水冷却技术和真空技术相结合，利用大质量支撑原理产生高压，通过通电的电热丝对DAC加热进而提高样品温度，循环水冷却系统确保压机维持室温，真空系统为实验提供真空环境，从而构建了基于金刚石对顶砧高温高压输运性质测量的实验装置和实验方法。实验装置能够维持压机室温的情况下为样品提供高温高压环境，从而解决压机机体高温所造成的压机受损以及压力丢失的问题，陶瓷模具的设计显著提高了电热丝的使用寿命，托块内壁阶梯槽的设计增加了电热丝热量的有效利用，双侧加温控温的设计可以更高效地对样品提供高温，真空系统的引入，抑制了金刚石压砧2的氧化，拓宽了实验温度范围。本发明装置操作简单，实验重复率高，与其他测试系统兼容性好，能够有效地实现高温高压下各种输运性质的测量，为高温高压条件下多物理量的原位测量提供了有利条件。本发明得到了国家自然科学基金(11674404，11374121，11404133，11774126，11604133)，吉林省科技进步计划(20140520105JH)，超硬材料国家重点实验室开放项目(201612)的支持。
附图说明
图1是本发明的高温高压金刚石对顶砧压机结构纵剖面示意图。
图2是输运性质测量中金刚石对顶砧上测试电极及热电偶的布置图。
图3是本发明的平底模具俯视图。
图4是图3的A-A剖面图。
图5是本发明的梯型模具俯视图。
图6是图5的A-A剖面图。
图7是本发明的压机及水冷平台纵剖面示意图。
图8是本发明的水冷上模俯视图。
图9是本发明的真空装置纵剖面示意图。
图10是本发明的真空装置的俯视示意图。
具体实施方案
实施例1结合附图说明本发明的结构。
在图1～6中，1为压机上模，2为金刚石压砧，3为托块端陶瓷模具，4为托块，5为摇床，6为金属垫片，7为摇床底座，8为摇床盖，9为云母片，10为样品，11为压机下模，12为固定螺丝，13为摇床端陶瓷模具，14为对中螺丝，26为调平螺丝，15为测试电极，16为热电偶，27为凹槽，28为平底模具孔，29为圆形梯台，30为梯型模具孔。
压机上模1与压机下模11构筑成四柱式结构的压机。在压机上模1和压机下模11的内部空间放置两颗金刚石压砧2，两颗金刚石压砧2之间放置金属垫片6。压机上模1与金刚石压砧2之间固定放置托块4，压机下模11与金刚石压砧2之间放置摇床底座7和摇床5。摇床底座7上表面有球面坑与摇床5下面的球面吻合安装，摇床5上部放置圆环形摇床盖8，摇床5夹在摇床底座7和摇床盖8之间。调平螺丝26可以有3颗，用于摇床底座7、摇床5摇床盖8的调平固定。压机通过托块4和摇床5以及金刚石压砧2施压给砧面间的样品10。摇床端陶瓷模具13和托块端陶瓷模具3用于安装电热丝，在上下两端通过金刚石压砧2为样品腔内的样品10加热。在托块端陶瓷模具3与托块4之间的接触面、摇床端陶瓷模具13与摇床5之间的接触面、托块端陶瓷模具3与云母片9之间的接触面，均可以用高温修补剂固定。固定螺丝12可以有3颗，用于固定压机下模11、云母片9和摇床底座7；对中螺丝14可以有4颗装在压机上模1上，用于调节金刚石压砧2砧面中心和金属垫片6预压成的样品腔中心重合。测试电极15在输运性质测量需要时布置在金刚石压砧2的砧面处；两条热电偶16的测温点分别固定于两颗金刚石压砧2侧棱。
图3～6给出摇床端陶瓷模具13和托块端陶瓷模具3的结构图。以下各段所述的陶瓷模具是摇床端陶瓷模具13和托块端陶瓷模具3的统称。陶瓷模具设计为平底模具和梯型模具两种不同的构型。平底模具为横截面是矩形的圆环形状，其上下两面刻有凹槽27，上下两面的凹槽27通过平底模具孔28首尾相接通，电热丝通过平底模具孔28和凹槽27缠绕在平底模具上并嵌入凹槽27内部；所述的梯型模具，为大环和小环同心相叠成一体，构成横截面为“凸”字形的圆环性状，其中大环视为梯型模具的圆环形底座部分，小环视为梯型模具的圆环形突起部分。大环与小环相接的表面与小环的侧面形成圆形梯台29，在小环横截面上沿半径方向开有梯型模具孔30，电热丝依次穿过梯型模具孔30缠绕在梯型模具上，缠绕的电热丝均在大环侧面边沿之内。
托块4内壁开有一圈阶梯槽，托块端陶瓷模具3放置于托块4内壁的阶梯槽里。摇床端陶瓷模具13套装于摇床5的圆筒外侧座落于球缺底面的平台上。配合托块4内壁开有的阶梯槽的圆周直径大小，可以将托块端陶瓷模具3制作出平底模具和梯型模具两种不同的构型；同样，配合摇床5圆筒直径的大小，将摇床端陶瓷模具13制作出平底模具和梯型模具两种不同的构型。托块4内壁的阶梯槽设计，热源嵌入阶梯槽内部，增大了热源与托块4的接触面积，将电热丝的热量更有效地利用，抑制了电热丝以空气导热、热对流、热辐射的形式产生的热量耗散。
在图7～10中，17为水冷台上模，18为水冷台下模，19为气动快速接头，20为水冷滑轨，21为真空基台，22为铜柱电极，23为接线柱，24为真空计，25为有机玻璃罩。
水冷台上模17、水冷台下模18分别安装在压机上模1上面和压机下模11的下面，内置水槽通过气动快速接头19和水管与循环水冷机连接。由真空基台21、有机玻璃罩25、真空计24以及真空泵构成真空系统；穿过真空基台21集成有16个铜柱电极22用于连接热电偶16和测试电极15等，16个铜柱电极22分别与有机玻璃罩25外的16个接线柱23电连接，接线柱23用于高温高压输运性质测量时连接外置设备。
实施例2结合图1、2说明高温高压金刚石对顶砧压机组装过程。
第一步：用常规方法去除金刚石压砧2表面的污渍，可以将金刚石压砧2放入丙酮和酒精的混合液中超声20分钟去除表面污渍，取出后用去离子水冲洗。
第二步：利用公装压机，将清洗好的两颗金刚石压砧2分别固定在托块4及摇床5上，通过调整金刚石压砧2位置，使得金刚石压砧2砧面中心和托块4及摇床5中心孔重合，旋动公装压机加压螺丝，使金刚石压砧2与托块4及摇床5紧密接合。
第三步：将高温修补剂A和B按质量比1:1混合均匀，涂抹在金刚石压砧2和托块4及摇床5的连接处，室温放置24小时，100℃条件下脱水2～3小时，150℃条件下固化2～3小时。
第四步：如图1所示，将加工好的云母片9分别放置在压机上模1和压机下模11指定位置，摇床底座7放置在压机下模11内，利用3颗固定螺丝将摇床底座与压机下模11固定，将制备好的托块4利用对中螺丝14固定在压机上模1内，制备好的摇床5放置在摇床底座7上，摇床5上部放置摇床盖8，利用调平螺丝26将摇床5、摇床盖8及压机下模11固定。
第五步：通过调节调平螺丝26保证两颗金刚石压砧2砧面平行，调节对中螺丝14将两颗金刚石压砧2砧面中心重合。
第六步：选择250μm厚的T301钢或者金属铼作为垫片材料，利用金刚石压砧2预压至50μm厚左右，利用激光打孔机在金刚石压砧2砧面压痕圆心处打孔充当样品腔，孔的直径小于金刚石压砧2砧面压痕直径。
第七步：如图2所示，根据实验情况，在金刚石压砧2砧面布置测试电极15，将两根线径100μm的K型热电偶16测温点固定在两颗金刚石压砧2侧棱指定位置。
第八步：将制备好的金属垫片6进行复位，确保样品腔中心和砧面中心重合，在样品腔内填充样品及红宝石，施加压力，利用红宝石荧光峰进行标压。
实施例3结合图1、图3～6说明电热丝的缠绕方式及陶瓷模具的安装。
第一步：根据实验需求，确定托块端陶瓷模具3和摇床端陶瓷模具13选取平底模具或者梯型模具。
第二步：选取平底模具，将电热丝上下表面交叉缠绕，缠绕过程中注意确保电热丝均嵌入模具凹槽内部，防止电热丝裸露部分实验过程中与托块或摇床接触造成局部短路；选取梯型模具，将电热丝内外径向依次缠绕，缠绕过程中注意确保电热丝均可被梯台边沿覆盖，同样防止电热丝裸露部分实验过程中与托块或摇床接触造成局部短路。
第三步：将铜导线与电热丝接头紧密缠绕接合。
第四步：如图1所示，将制备好的托块端陶瓷模具3(可以是平底陶瓷模具或梯型陶瓷模具)放置在托块4内壁的阶梯槽内，并利用高温修补剂固定；摇床端陶瓷模具13(可以是平底陶瓷模具或梯型陶瓷模具)放置在摇床5的平台上，并利用高温修补剂固定；随后将加工好的云母片9通过高温修补剂覆盖在托块端陶瓷模具3的上表面，降低陶瓷模具的热耗散。
实施例4结合图5～8说明水冷平台和真空装置的组装过程。
第一步：将组装好的高温高压金刚石对顶砧压机放置在水冷台上模17和水冷台下模18之间，将压机加压螺丝和导向柱嵌入水冷台上模凹槽内。
第二步：通过旋转水冷滑轨20上的两个螺母，对水冷平台施加彼此靠近的力，确保压机与水冷平台紧密接合。
第三步：将水冷平台上的气动快速接头19与真空装置内的水管连接，真空装置外的水管与循环水冷机连接。
第四步：将电热丝，热电偶16以及测试电极15引出的导线依次连接到真空装置内的铜柱电极22上。真空装置外的铜柱电极22依次连接到相应的接线柱23上，将直流稳压电源，多功能数据采集系统，阻抗谱系统，霍尔系统或者其他输运性质测量系统与接线柱23连接，实现对真空系统内部金刚石对顶砧装置进行测量。
第五步：将有机玻璃罩25放置在真空基台21上，利用机械泵对真空系统进行抽真空处理，通过真空计24实时读取真空装置内部的真空度。
第六步：连接完毕的基于金刚石对顶砧高温高压输运性质测量系统可以在真空环境下，对样品10进行高温高压原位电输运或热输运性质的测量，同时确保压机机体处于室温。