2.4 Paris-Edinburgh砧

2.4.1 Paris-Edinburgh砧结构

中子衍射实验（2.5.1）所需的样品体积是粉末X射线衍射的106倍，因此不能使用金刚石压砧。因此，在Paris-Edinburgh砧（PEC）出现以前，高压中子衍射的研究严重受限。PEC的出现将压力范围扩大至10～20GPa[2]，而且由于其重量轻和便携性好而广受推崇——PEC约重50kg，其他设备可重达一吨。由于其可在光束下使用液压油缸直接装载样品，且保持位置不变，因此该设备极大程度地简化了高压实验。

PEC与DAC、Bridgman砧也一样是二面顶压设备。在PEC的结构中，样品由碳化钨WC或烧结金刚石压缩，见图2.13（a）。早期设计使用的是零散射TiZr环形垫片，将其置于砧面沟槽中，以密封样品和固体传压介质。当前压缩实验使用的液态传压介质（甲醇∶乙醇，正戊烷∶异戊烷）的压力极限为2.0GPa，用法兰式半球帽（TiZr）封装的样品和传压介质可避免介质与砧面直接接触[41]。这样砧面能得到保护，且静水压力可增至甲醇∶乙醇的冻结压力（＞9.0GPa）。封装垫片与一般的环形垫片的对比见图2.13（b）。

图2.13 （a）Paris-Edinburgh砧（V3b）剖面图；（b）封装垫片与一般环形垫片的对比

2.4.2 Paris-Edinburgh砧内置变温器

Paris-Edinburgh砧最近加入了内置变温器（VTI），能有效地控制110～500K样品温度（Marshall WG, Francis DJ, Barry CJ, Kirichek O, Pulham CR, Tucker MG, manuscript in preparation, 2010），这使得其应用面得到大幅度地推广。该设备使用液氮循环冷却系统冷却样品和WC砧，同时使用内置240W电阻加热器控制升温，如图2.14所示。其目的是减少由温度突然变化引起的体积变化，减少温度响应时间。整个PEC装置由室温降至120K通常需要4～5小时。在对内置变温器的调试实验中，研究者发现此装置能在45分钟内由室温降温至100K，或者升温至473K（Marshall W G, Francis D J, Barry C J, Kirichek O, Pulham C R, Tucker M G, manuscript in preparation,2010）。这一技术装备不仅使得在粉末中子衍射实验中温度的可调控性成为可能，而且也为在常压下回收高温或高温/高压晶型提供了有效方法。

图2.14 Paris-Edinburgh砧内置变温器：（a）WC砧，内装液氮管线和电阻线；（b）装置内砧装载近照；（c）装有VTI的PEC照，可以很清楚地看见其复杂程度

2.4.3 压力测定

与金刚石压砧不同，研究人员无法对Paris-Edinburgh砧的样品舱内的情况进行直接观察，因此必须使用压力校准方法。本方法将取代红宝石荧光法，使用少量内部压力校准材料如NaCl（s）或Pb（s）。这两种材料均有完整的状态方程[42,43]，这意味着这两种校准物的晶胞体积（通过Rietveld精修粉末衍射图确定）直接与垫片内压力相关。