多砧压机通过一种称为几何向心压缩的多级力集中系统来实现超高压。大型液压机驱动六个主砧，主砧反过来压缩八个截角形次级砧，这些次级砧由碳化钨或金刚石制成。这种配置将总力集中在一个微小的中心陶瓷腔室上，将压力放大到足以进行地幔模拟的水平。
核心原理是“几何向心压缩”，即通过 6 对 8 的砧结构将实验室的标准力进行机械聚焦。这可以将压力放大到 25-30 GPa 或更高，从而能够研究地幔条件和地核形成过程。
压力倍增的力学原理
第一阶段
过程始于一台大型实验室压机产生初始机械力。
这个外力驱动六个主砧向内挤压。它们作为压缩层级的第一阶段，将力从大面积区域导向装置中心。
第二阶段
六个主砧汇聚在一起，压缩第二组内层砧。
这组次级砧由八个截角形砧组成。为了承受不断增大的力，这些砧由极硬的材料制成，特别是碳化钨或金刚石。
几何向心压缩
主砧和次级砧之间的相互作用产生了一种称为几何向心压缩的特定机械效应。
通过这种特定的 6 对 8 配置排列砧，压机确保力是平衡且向内聚焦的。这种几何形状有效地将来自大型主驱动器的负载集中到内层组件的更小表面积上。
中心样品环境
陶瓷八面体
在八个次级砧的正中心是一个陶瓷八面体腔室。
这个小腔室充当压力介质并容纳实验样品。内层砧的“截角”边缘压在八面体的面上。
实现超高压
由于力被集中在如此小的陶瓷体积上，该系统可以达到 25-30 GPa 或更高的压力。
这个压力范围远高于标准活塞-缸式装置所能达到的压力。它为需要相当于行星内部深处力的实验打开了大门。
关键考虑因素和限制
材料限制
达到 30 GPa 的能力严格取决于次级砧的材料质量。
参考资料强调了碳化钨或金刚石的使用。如果砧材料不够硬（例如，内层使用钢而不是碳化物），砧会在目标压力传递到陶瓷腔室之前发生变形或失效。
几何精度
“几何向心压缩”一词意味着需要高精度的对齐。
六个主砧必须均匀地驱动八个次级砧。几何形状的任何偏差都会导致压力分布不均，可能导致陶瓷八面体破裂或无法模拟地幔的均匀静水压力。
科学应用：为何重要
模拟地幔深处
产生 25-30 GPa 的主要目的是复制地球深部地幔的环境。
在这些压力下，材料的行为与在地表不同。这使得研究人员能够观察到在地表以下数百公里处发生的相变和化学反应。
研究地核形成
特别是，该装置用于研究金属-硅酸盐分配。
通过重现这些极端条件，科学家可以模拟数十亿年前行星地核是如何形成并与硅酸盐地幔分异的。
为您的研究做出正确选择
如果您计划进行高压矿物物理学实验，请考虑以下因素：
- 如果您的主要重点是地幔模拟：利用这种压机设计来产生 25-30 GPa 的压力，以复制地球深部地幔和地核-地幔边界的条件。
- 如果您的主要重点是设备配置：确保您的设置包括必要的八个截角形次级砧，由金刚石或碳化钨制成，以成功地将力从六个主驱动器集中。
多砧压机是将标准液压转化为行星形成秘密所需的千兆帕斯卡压力（gigapascal pressures）的决定性工具。
总结表：
| 组件 | 数量 | 材料 | 功能 |
|---|---|---|---|
| 主砧 | 6 | 高强度钢 | 将初始液压导向内部 |
| 次级砧 | 8 | 碳化钨或金刚石 | 通过截角几何形状集中力 |
| 样品腔室 | 1 | 陶瓷八面体 | 容纳样品；充当压力介质 |
| 压力范围 | 不适用 | 25–30+ GPa | 复制地幔深处和地核条件 |
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参考文献
- Célia Dalou, Paolo A. Sossi. Review of experimental and analytical techniques to determine H, C, N, and S solubility and metal–silicate partitioning during planetary differentiation. DOI: 10.1186/s40645-024-00629-8
本文还参考了以下技术资料 Kintek Press 知识库 .
