摘 要

物质在高压下的弹性性质对地球物理学以及高压物理学而言具有重要意义，而获取弹性性质的直接途径为测量声速。本文简要地对四种在高压下测量固体样品声速的方法进行了阐述，它们分别是：基于压电换能装置的传统GHz超声法、基于光学的布里渊散射法、基于同步辐射光源的非弹性X射线散射法以及基于泵浦探测技术的激光超声法。本文详述了上述各方法的原理，介绍了它们在各自领域内的研究现状，讨论和比较了它们的优缺点。针对不同的测量技术，本文还区别讨论了其适合的样品种类，比如：单晶、多晶、透光及不透光等固体样品。

关键词：高压；声速；弹性性质

Abstract

The elastic properties of matter under high pressure are of great significance to geophysics and high-pressure physics, and the direct way to obtain the elastic properties is to measure the acoustic wave velocity. This article briefly describes four methods for measuring the acoustic wave velocity of solid samples under high pressure. The four methods are: traditional GHz ultrasonic method based on piezoelectric transducers, Brillouin scattering method based on optical technology，inelastic X-ray scattering method based on synchrotron radiation source and laser ultrasonic method based on pump-probe technique. This article details the principles of the above methods, introduces their research status in their respective fields, discusses and compares their advantages and disadvantages. For different measurement techniques, this article also discusses the suitable sample types, such as: single crystal, polycrystalline, transparent and opaque solid samples.

Key Words：High pressure; Acoustic wave velocity; Elastic properties

目 录

第1章 绪论 1

1.1 高压下声速测量的目的和意义 1

1.2 静高压实验装置 1

1.2.1 金刚石压腔 1

1.2.2 大腔体压机 2

1.3 静高压下固体声速测量的研究现状 2

第2章 传统的GHz超声法 3

2.1 传统的GHz超声法在大腔体压机中的应用 3

2.2 传统的GHz超声法在DAC中的应用 5

2.3 传统的GHz超声法的研究现状 6

2.4 优点及局限性 6

第3章 布里渊散射法 8

3.1 布里渊散射法测量声速的原理 8

3.2 布里渊散射法测量高压下固体声速的研究现状 10

3.3 优点及局限性 12

第4章 非弹性X射线散射法 13

4.1 IXS法测量声速的原理 13

4.2 NRIXS法测量声速的原理 14

4.3 IXS法以及NRIXS法测量声速的研究现状 15

4.4 优点及局限性 16

第5章 激光超声法 17

5.1 激光超声法测量声速的原理 17

5.1.1 超声波的产生 17

5.1.2 超声波的探测 17

5.2 激光超声法测量声速的研究现状 18

5.3 优点及局限性 20

第6章 结论与展望 21

参考文献 22

致谢 27

第1章 绪论

1.1 高压下声速测量的目的和意义

高压下弹性性质的研究在地球物理学以及高压物理学中占有重要地位。而根据声速，我们能够计算固体的杨氏模量、体积模量、剪切模量、拉梅常数以及泊松比等弹性常数，因此高压下声速测量的意义重大。

对于地球物理学而言，通过测量高压下各类岩石以及矿物的弹性波速，我们能够将地震波弹性波速、地球内部组分、组分密度以及深度结合起来研究，对地震观测结果进行物质成分解释^[1]，并确定地球内部构造和物质状态。例如，研究人员发现，外地核没有横波通过，在穿过下地幔-外地核-内地核的过程中，纵波波速经历了先下降后上升的过程，由此确定了地球外核为液态以及地球内核为固态。另外，声速的测量可以推知地球内部各类岩石及矿物的弹性常数，完善人们对地球内部的认知。

对于高压物理学而言，高压下声速的测量可以得到物质的弹性模量随压力变化的关系，并得到其对压力的偏导数，进而建立等温物态方程。在物质Steinberg模型高压本构方程的确立过程中，也需要静高压下声速的测量来给出相关弹性模量及其对压力偏导数。测量固体物质在动高压下的屈服强度如使用双屈服面法以及压-剪法测量时，也需要进行声速的测量。

此外，当物质发生相变时，其微观结构与性质会发生变化，声速在相变点左右不连续，因而能用于物质相变起始压力的确定。特别地，某些固体在高压下发生熔化时，横波会消失，此特征为高压熔化点压力的确定提供了一种新的途径。

1.2 静高压实验装置

本文讨论的高压不涉及动高压，仅涉及室温下的静高压，常见的静高压装置有金刚石压腔（，以下简称DAC）以及大腔体压机，研究人员常在这两种装置上进行声速的测量。

1.2.1 金刚石压腔

DAC主要由金刚石压砧、支撑加压部分以及外部机械装置组成^[2]，图1为其结构示意图，图2为其实物图。1948年，Lawson和汤定元设计了第一台DAC，其最高压力可达3.0 GPa。在DAC发展的过程中，Bassett^[3]、Mao^[4-5]和Bell以及Piermarini^[6]等人均做出了重要贡献，大幅提高了DAC的压力上限，其最高的腔体压力已经可以达到600 GPa^[7]。DAC高压装置具有较高的强度、硬度以及良好的透光性，但由于金刚石的尺寸局限，其腔体的容积较小。