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万焦耳激光装置上多热力学路径高压加载技术实验研究

王哲斌 段晓溪 张琛 薛全喜 杨为明 章欢 彭晓世 理玉龙 刘永刚 关赞洋 刘浩 孙亮 叶青 李志超 郭亮 李三伟 杨冬 王峰 杨家敏 江少恩 丁永坤

王哲斌, 段晓溪, 张琛, 等. 万焦耳激光装置上多热力学路径高压加载技术实验研究[J]. 强激光与粒子束, 2020, 32: 092008. doi: 10.11884/HPLPB202032.200139
引用本文: 王哲斌, 段晓溪, 张琛, 等. 万焦耳激光装置上多热力学路径高压加载技术实验研究[J]. 强激光与粒子束, 2020, 32: 092008. doi: 10.11884/HPLPB202032.200139
Wang Zhebin, Duan Xiaoxi, Zhang Chen, et al. Experimental research on high-pressure loading technology of multiple thermodynamic paths on 10 kJ-level laser facility[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2020, 32: 092008. doi: 10.11884/HPLPB202032.200139
Citation: Wang Zhebin, Duan Xiaoxi, Zhang Chen, et al. Experimental research on high-pressure loading technology of multiple thermodynamic paths on 10 kJ-level laser facility[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2020, 32: 092008. doi: 10.11884/HPLPB202032.200139

万焦耳激光装置上多热力学路径高压加载技术实验研究

doi: 10.11884/HPLPB202032.200139
基金项目: 国家重点研发计划项目(2017YFA043201);国家自然科学基金项目(11805183);科学挑战专题项目(TZ2016001);国家自然科学基金项目(11704351)
详细信息
    作者简介:

    王哲斌(1978—),男,博士,研究员,从事激光加载极端高压物性实验研究、辐射烧蚀与冲击波实验研究;zhebinw@vip.sina.com

  • 中图分类号: O532;TN249

Experimental research on high-pressure loading technology of multiple thermodynamic paths on 10 kJ-level laser facility

  • 摘要: 针对极端高压条件物质特性研究需求,在我国万焦耳激光装置上利用其高能量、高功率、任意整形长脉冲输出的技术优势先后开展了冲击压缩、准等熵压缩以及“预冲击准等熵压缩”复合热力学路径压缩等多种热力学路径的高压加载技术研究,建立了实用的高压加载设计方法,重点优化了高压加载源的平面性和干净性,发展了高压状态精密表征技术,实现了1011 Pa以上准等熵,1012 Pa以上冲击以及两种路径之间的宽区高压加载状态能力,为激光装置上的高压状态方程及相变动力学研究提供了重要的技术基础。
  • 图  1  激光装置上三种典型热力学路径高压加载路线的示意图:(a)冲击压缩路径;(b)准等熵压缩路径;(c)预冲击准等熵压缩路径

    Figure  1.  Schematic diagram of high-pressure loading routes based on three typical thermodynamic paths on the laser facility:(a)shock compression path;(b)quasi-isentropic compression path;(c)“shock+quasi-isentropic” composite thermodynamic path

    图  2  万焦耳激光装置典型冲击压缩实验布局图:(a)实验设置;(b)VISAR测量结果;(c)PSBO测量结果

    Figure  2.  Typical shock compression experiment lasyout:(a)experimental setup;(b)shock velocity detected by VISAR;(c)shock breakout detected by PSBO

    图  3  万焦耳激光装置典型间接驱动冲击加载源平面性测量结果

    Figure  3.  Experimental result of indirectly laser-driven shock planarity

    图  4  高灵敏度干净性实验表征技术

    Figure  4.  Experimental characterization technology of shock cleanness with high sensitivity

    图  5  冲击加载源干净性优化结果

    Figure  5.  Experimental result of optimization of shock cleanness

    图  6  基于辐射流体程序的非稳冲击加载技术分析[23]

    Figure  6.  Analysis of unsteady shock loading technology based on the radiation hydrodynamic simulation

    图  7  基于铁材料的典型激光间接驱动冲击压缩实验结果

    Figure  7.  Typical indirectly-laser-driven shock Hügoniot experimental result of iron,where Ds represents shock velocity with relative uncertainty components such as sample height,transit time,shock planarity,shock stability

    图  8  激光驱动准等熵加载验证性实验

    Figure  8.  Verification experiment of laser-driven quasi-isentropic loading technology

    图  9  激光驱动铝准等熵压缩实验[34]

    Figure  9.  Laser-driven quasi-isentropic compression experiment of Aluminum

    图  10  激光驱动准等熵压缩实验LiF窗口致盲现象优化研究

    Figure  10.  Optimization of LiF window blinding in laser-driven quasi-isentropic compression experiment

    图  11  激光间接驱动准等熵压缩实验布局

    Figure  11.  Layout of indirectly laser-driven quasi-isentropic compression experiment

    图  12  “预冲击准等熵压缩”的复合热力学路径设计示意图

    Figure  12.  Schematic diagram of high pressure loading along “shock + quasi-isentropic” composite thermodynamic path

    图  13  “预冲击准等熵压缩”的复合热力学路径高压加载实验验证

    Figure  13.  Experiment verification of high pressure loading along “shock + quasi-isentropic” composite thermodynamic path

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出版历程
  • 收稿日期:  2020-05-21
  • 修回日期:  2020-07-31
  • 网络出版日期:  2020-08-05
  • 刊出日期:  2020-08-15

万焦耳激光装置上多热力学路径高压加载技术实验研究

doi: 10.11884/HPLPB202032.200139
    基金项目:  国家重点研发计划项目(2017YFA043201);国家自然科学基金项目(11805183);科学挑战专题项目(TZ2016001);国家自然科学基金项目(11704351)
    作者简介:

    王哲斌(1978—),男,博士,研究员,从事激光加载极端高压物性实验研究、辐射烧蚀与冲击波实验研究;zhebinw@vip.sina.com

  • 中图分类号: O532;TN249

摘要: 针对极端高压条件物质特性研究需求,在我国万焦耳激光装置上利用其高能量、高功率、任意整形长脉冲输出的技术优势先后开展了冲击压缩、准等熵压缩以及“预冲击准等熵压缩”复合热力学路径压缩等多种热力学路径的高压加载技术研究,建立了实用的高压加载设计方法,重点优化了高压加载源的平面性和干净性,发展了高压状态精密表征技术,实现了1011 Pa以上准等熵,1012 Pa以上冲击以及两种路径之间的宽区高压加载状态能力,为激光装置上的高压状态方程及相变动力学研究提供了重要的技术基础。

English Abstract

王哲斌, 段晓溪, 张琛, 等. 万焦耳激光装置上多热力学路径高压加载技术实验研究[J]. 强激光与粒子束, 2020, 32: 092008. doi: 10.11884/HPLPB202032.200139
引用本文: 王哲斌, 段晓溪, 张琛, 等. 万焦耳激光装置上多热力学路径高压加载技术实验研究[J]. 强激光与粒子束, 2020, 32: 092008. doi: 10.11884/HPLPB202032.200139
Wang Zhebin, Duan Xiaoxi, Zhang Chen, et al. Experimental research on high-pressure loading technology of multiple thermodynamic paths on 10 kJ-level laser facility[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2020, 32: 092008. doi: 10.11884/HPLPB202032.200139
Citation: Wang Zhebin, Duan Xiaoxi, Zhang Chen, et al. Experimental research on high-pressure loading technology of multiple thermodynamic paths on 10 kJ-level laser facility[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2020, 32: 092008. doi: 10.11884/HPLPB202032.200139
  • 极端高压条件下材料物质特性研究不仅是凝聚态学科中基础性的物理问题,在地球及天体物理、激光聚变、国防科学等领域都有着重要应用价值[1-2]。在极端高压条件下,物质的电子结构、晶格将发生强烈畸变,从而在原子、分子、团簇及宏观块体等各种空间尺度上呈现迥异于常态的物理、力学和化学性质。由于高压下物质响应呈现强非线性、非平衡、强耦合等特性,理论模拟非常困难,必须发展直接的极端高压物性实验研究能力,通过理论和实验互相检验,才能有效地获得极端高压条件下物性完整认知。

    激光平台已经发展成为极端条件高压物性研究的重要实验平台[3],而激光高压加载技术是激光高压物性实验平台的两大支撑技术之一。激光高压加载技术是利用高能脉冲激光与物质相互作用,将激光能量快速集中地沉积到物质从而产生高压物质状态的实验技术。它具有时间极短(10−12~10−9 s量级)、光强极高(1012~1018 W/cm2量级)的特点,与传统气炮及化爆等动高压加载方法相比,物质压力加载有了多个量级上的提升,极大地扩展了极端高压物性实验研究参数范围。

    20世纪70年代人们就开始探索强激光驱动物质高压状态的产生方法[4],其技术路线上主要是基于冲击压缩原理。随着1985年Cottet等人通过激光冲击压缩加载验证了产生10 TPa压强的可行性[5]以及Cauble利用激光驱动得到了75 TPa的超高压强[6],激光技术在物质高压加载方面的独特优势获得了广泛认可。之后人们开始不断发掘激光驱动的潜力并改进激光加载冲击波的质量。目前激光驱动高压冲击加载技术可以分为激光直接加载(激光与物质直接相互作用)和激光间接加载(比如激光首先转化为X光,然后X光和物质相互作用)等两种路线。这两种路线各有优劣,都可用于高压状态方程及物性研究[7]。经过四十多年发展,激光驱动冲击压缩路线在氢及同位素[8]、石英[9]、金刚石[10]、铝(Al)[4]、铜(Cu)[7]、铁(Fe)[11]、金(Au)[12]等重要材料的高压物性实验研究中得到了广泛应用。在激光驱动冲击压缩路线中,由于冲击熵增,物质温升很高,物质很容易熔化甚至等离子体化,从而限制了它在高压固-固相变研究中的应用。随着高功率激光技术的发展和物理认识的深入,人们又发展了基于等熵压缩路线的激光准等熵高压加载方法[13-14]。相比整形电磁脉冲加载、斜波发生器、化爆、气炮加载阻抗梯度等传统等熵加载技术[15-20],激光驱动准等熵加载具有最强的高压、高应变率的特色。特别是随着整形激光技术发展,美国、法国、日本在多个大型激光装置上开展了大量整形激光加载的准等熵压缩实验,激光准等熵高压加载压强超过传统方法一个量级以上。目前准等熵加载下材料产生的最高固体压强基本上都是基于整形激光准等熵加载路线。随着激光准等熵加载技术的成熟,进一步发展了基于“预冲击准等熵压缩”复合热力学路径下的高压加载技术,从而在激光平台上实现了可控地宽热力学状态参数区间高压状态产生能力,为极端高压物性实验研究提供了强力支撑。比如美国国家点火激光装置(NIF)利用“预冲击准等熵压缩”路线实现了金刚石5 TPa固体压强状态的产生,从而使得人类具备了在实验室中研究宇宙20%星球内核压强状态物质特性的能力[21]。综上所述,在极端条件高压物性研究驱动下,随着激光技术的快速发展,激光平台先后主要发展了冲击压缩、准等熵压缩和“预冲击准等熵压缩的”的复合热力学路径压缩等多种高压加载技术,实现了单一热力学路径状态到宽区高压热力学状态的能力提升。

    国内激光高压加载技术主要由中国工程物理研究院的上海激光等离子体研究所、流体物理研究所、激光聚变研究中心在神光系列激光装置发展。上海激光等离子体研究所自20世纪90年代在我国率先开展了基于激光直接驱动方式的冲击压缩加载技术[22]和准等熵加载技术研究,并建立了高压物性实验平台。流体物理研究所重点开展了基于气库靶的准等熵加载技术。2012年,激光聚变研究中心的材料压缩特性研究组基于激光聚变冲击波调控研究及高压物性研究需求,开始在万焦耳激光装置上发展高压加载及物性实验研究能力,先后建立了基于激光间接驱动(辐射驱动)方式的冲击压缩加载技术[23]、基于整形激光直接驱动[24]和间接驱动的准等熵高压加载技术,近年又进一步发展了基于“预冲击准等熵压缩”的复合热力学路径高压加载技术[25],实现了从百GPa准等熵高压加载到TPa冲击高压加载的宽区高压状态产生能力;在此基础上,进一步发展了宏观热力学状态和微观结构测量技术,从而在万焦耳激光装置上建立了高精度辐射驱动冲击压缩状态方程、高压相变及熔化等极端高压物性实验平台。

    • 按照材料压缩热力学路径的不同,目前激光平台上常用的高压加载技术可以分为冲击压缩、准等熵压缩、“预冲击准等熵压缩”的复合热力学路径压缩、基于对顶金刚石砧预压缩下的激光冲击压缩、等容加热等多种技术路线。本文主要介绍前三种技术路线,其基本原理如图1所示。它们都可以分为激光直接驱动和间接驱动两类。激光直接驱动是激光和样品相互作用,直接将能量沉积到样品内部形成高压加载源;而激光间接驱动则是先将激光能量进行转换,比如最主流地是先转换为X光(最常见的是激光入射到一个高Z柱腔内部形成一个高强度X光辐射源),X光再和样品相互作用从而在样品内部形成高压加载源[26]。对高压加载源的品质而言,激光直接驱动具有更高的能量利用效率从而能产生更高的压力,而激光间接驱动具有更好的加载空间均匀性(即所谓压力加载源的平面性),这对压力测量数据处理及后续精密物理分析有很好的作用。

      图  1  激光装置上三种典型热力学路径高压加载路线的示意图:(a)冲击压缩路径;(b)准等熵压缩路径;(c)预冲击准等熵压缩路径

      Figure 1.  Schematic diagram of high-pressure loading routes based on three typical thermodynamic paths on the laser facility:(a)shock compression path;(b)quasi-isentropic compression path;(c)“shock+quasi-isentropic” composite thermodynamic path

      当激光(或X光)在样品内部沉积能量时,沉积位置产生的压力源强度p和激光强度I(或X光强度Tr)呈现强依赖的正关联。如果激光(或X光)的能量采取不加控制地快速注入,此时能量沉积位置形成的压力源很容易在物质内部的传输过程中出现不同时刻压缩波快速汇聚变成一个强间断的冲击波,如图1(a)所示。该冲击波在后续物质内部传输中使得未压缩物质极快地(10−12~10−11 s量级)达到冲击绝热线状态,因此该路线被称为冲击压缩高压加载技术。由于冲击Hugonit压缩前后状态遵循普适而简洁的质量、动量和能量守恒关系式,如公式(1)~(3)所示,在初始状态已知的情况下,只需要测量冲击压缩下两个参量就可以获得其他三个参量,因此非常适合于高压状态方程实验研究。

      $${\rho _0}\left( {D - {u_0}} \right) = \rho \left( {D - u} \right)$$ (1)
      $$p - {p_0} = {\rho _0}\left( {D - {u_0}} \right)\left( {u - {u_0}} \right)$$ (2)
      $$E - {E_0} = \frac{1}{2}\left( {p + {p_0}} \right)\left( {\frac{1}{{{\rho _0}}} - \frac{1}{\rho }} \right)$$ (3)

      式中:$D$是冲击波速度;${u_0},u$是冲击压缩前后的粒子速度;${\rho _0},\rho $是冲击压缩前后材料的密度;${p_0},p$是冲击压缩前后材料的压强;${E_0},E$是冲击压缩前后材料的比内能。

      如果在时间上精准地控制激光(或X光)在样品内部能量沉积强度,使得沉积位置所形成的压力源逐步增加,此时物质内部后面序列的压缩波强度在经历较长时间和空间尺度上才能追赶上前序压缩波,在追赶之前物质内部熵增很小,近乎沿着等熵热力学路径进行压缩,因此被称为准等熵压缩技术,如图1(b)所示。在准等熵压缩过程中,物质内部温升较小,不仅更容易地被压缩到更高密度,而且物质容易维持固相,这对极端高压结构相变研究有重要应用价值。

      随着整形激光技术精密化和激光靶耦合物理认识的深化,可以进一步地控制激光(或X光)在样品内部能量沉积的时间行为,形成一个初始冲击波再接着一个连续的准等熵压缩的“预冲击准等熵压缩”的复合热力学路径高压加载过程,如图1(c)所示。通过控制初始的先驱冲击波强度可以很好地实现冲击压缩和准等熵压缩两个热力学路径之间宽区高压状态的产生,一方面可以用于不同热力学路径条件下的高压状态方程参数研究,同时,通过该技术在样品中实现特定热力学参数的高压加载,进一步耦合高压相结构诊断、光学特性测量等技术获取该热力学状态参数条件下的各种高压物性参数。该技术已经成为激光平台上实现宽区高压状态产生的主流技术。

    • 利用万焦耳激光装置的高能量优势选择了间接驱动路线发展冲击压缩高压加载技术。该类实验典型布局如图2所示。

      图  2  万焦耳激光装置典型冲击压缩实验布局图:(a)实验设置;(b)VISAR测量结果;(c)PSBO测量结果

      Figure 2.  Typical shock compression experiment lasyout:(a)experimental setup;(b)shock velocity detected by VISAR;(c)shock breakout detected by PSBO

      万焦耳激光装置的八路激光分上下两簇入射到金腔内部形成高温黑体辐射源,它在样品内部通过辐射烧蚀形成强冲击源。冲击样品通常设计成台阶结构:其基底样品(base)一般选择铝等标准材料,台阶样品(step)选择铝、石英等标准材料以及待研究材料。实验中采用针孔相机(XPHC)监测激光注入情况,采用软X光能谱仪(SXS)、平响应XRD(FXRD)阵列测量辐射流强度及角分布,Au-M带XRD(MXRD)阵列测量金M带硬X射线(1.6~4.4 keV)强度及角分布。在反映冲击压缩关系的公式(1)~(3)中,当前容易实现高精度测量的物理量是冲击波速度,专门发展了两类冲击波速度诊断技术—被动式冲击波速度诊断系统(PSBO)和成像型任意反射面速度干涉仪系统(VISAR),其中PSBO通过测量冲击波传到样品背侧时的发光行为获得冲击波卸载时刻,利用台阶样品设计可以获得台阶区域内冲击波的平均速度;而VISAR技术类似于雷达,通过测量探针光在冲击波阵面的反射光的相位变化,从而获得冲击波阵面的速度变化,结合光学条纹相机可以获得一维时空分布的冲击波速度演化行为,它主要适用于对探针光透明的样品。图2(b)给出了典型的VISAR测量结果,图2(c)给出了PSBO测量结果。

      当前激光驱动冲击压缩状态方程研究进入精密物理应用阶段,它对数据质量提出了极高要求。在实现了冲击波速度测量相对不确定度≤2%(k=2)的精密化后[27-28],冲击加载源品质主要包括平面性、干净性和稳定性三种,成为影响数据质量的主要因素。其中,冲击加载源的平面性表征了冲击波波头强度横向空间分布一致性,对于一维冲击加载,横向空间强度一致的冲击波波头的空间位置呈现平面性;冲击加载源的干净性是指样品在冲击波到达之前保持初始状态的能力;冲击加载源稳定性是指波头冲击波速度在时间上保持稳定不变的能力。

      间接驱动在控制激光驱动冲击加载源平面性质量上具有内禀优势。首先相比相干激光,通过黑腔转换后的X光是非相干光,它与物质的相互作用能够消除相干激光的固有不均匀性;其次间接驱动方式下样品感受到的辐射流均匀性可以很方便地通过调控激光入射黑腔上的弹着点位置来实现,而激光直接驱动方式则必须依赖昂贵的、特定设计的束匀滑技术来实现。

      图3给出了万焦耳激光装置上典型的辐射驱动冲击波平面性测量结果。实验采用厚度为52 μm的平面铝样品,利用180 eV的黑腔辐射场在样品中产生了约32.5 km/s的高速冲击波。通过统计样品背侧冲击波卸载发光时刻可以看到在冲击波传输了1599 ps时刻后,样品中间400 μm横向空间内冲击波卸载时刻的涨落仅2.7 ps,对于通常设计的800 ps冲击波渡越时间尺度,它对渡越时间的影响仅0.34%,远小于1%的设计要求。本实验验证的平面性是目前公开报道的大型激光驱动冲击加载源中最佳平面性。它为精密冲击压缩实验设计及控制提供了足够裕量。这正是本研究选择间接驱动方式开展冲击加载源技术的重要原因。

      图  3  万焦耳激光装置典型间接驱动冲击加载源平面性测量结果

      Figure 3.  Experimental result of indirectly laser-driven shock planarity

      在强激光实验中,激光与物质相互作用下会产生超热电子以及硬X光,它们具有长程作用,会在冲击波到达待测样品之前预热样品,从而破坏冲击加载源的干净性。这类预热导致的干净性破坏效应是影响早期激光冲击压缩实验数据不一致的主要物理因素。为了优化冲击加载源干净性,首先建立了高灵敏度加载源预热效应表征技术[29-30]图4给出了预热效应定量表征技术路线:利用VISAR测量样品背侧的预热膨胀速度实现预热效应的定量表征,通过FXRD测量冲击加载的辐射驱动源强,MXRD测量主要预热源即硬X光源,在源强和预热效应两类约束条件下开展基于辐射流体程序的正算及比对研究就可以实现样品预热及冲击状态的定量表征:即以实验测量到的辐射驱动源强及M带强度作为辐射流体程序中输入源强,以样品背侧观察到的预热速度作为辐射流体程序正算结果的比对对象。由于FXRD测量到的源强和样品感受到的源强并不完全一致,但是存在正相关,通常将源强乘以适当比列系数,就可以使得模拟计算的材料预热速度与实验一致,此时模拟计算得到的材料预热温度就能较可靠地反映材料真实预热程度。

      图  4  高灵敏度干净性实验表征技术

      Figure 4.  Experimental characterization technology of shock cleanness with high sensitivity

      在此基础上开展了间接驱动冲击加载源干净性优化研究。相比传统的冲击波阻抗匹配靶样品,通过在基底样品增加一层高Z材料(如金)吸收硬X光,实现了抑制待测样品预热强度的目的。图5(a)给出了传统样品下干净性测量结果,可以看到在180.1 eV(1 eV=11 604 K)黑腔辐射源加载条件下,在冲击波传到样品背侧卸载之前,样品基底区域背侧就因预热膨胀使得VISAR条纹发生移动,但是随着样品厚度的增加,样品自吸收效应增强,从厚台阶区域样品背侧可以看到没有出现显著的预热膨胀现象。图5(b)给出了加入高Z材料后的测量结果,可以看到在更高的187.4 eV黑腔辐射源环境下,基底区域样品背侧反射的VISAR条纹始终保持静止状态,反映了样品预热引起的运动极弱,低于VISAR速度探测的灵敏度(约0.1 km/s,对应的温升小于300 K)。这种弱预热已经满足高精度冲击压缩实验需求。

      图  5  冲击加载源干净性优化结果

      Figure 5.  Experimental result of optimization of shock cleanness

      由于激光转换到X光以及X光能量沉积到样品的过程不仅受激光稳定性的影响,还包含了诸多复杂的物理过程,因此在激光驱动下实现冲击波长时间速度不变的高稳定传输非常困难。在此情况下,专门发展了基于非稳定冲击加载源条件下的冲击压缩实验路线[23],其基本图像是样品中冲击波传输特性不仅与加载源密切相关,还与样品状态方程切相关,因此在相同冲击加载源下,不同样品冲击波传输不稳定性的相对关系实际上主要反映了不同样品状态方程的相对差异。图6给出了基于辐射流体模拟的验证,分别计算了衰减冲击波、加速冲击波和扰动冲击波三种非稳定冲击加载情况下铝材料和铜材料的响应,可以看到两种材料响应的冲击波速度及变化行为差别其实与各自的物性密切相关;在采用非稳冲击加载修正后,由模拟程序获得的两个材料的冲击波速度相对关系(红点值)与理论关系(红线值)差别很小。因此通过这种修正可以显著地减小加载源非稳定性的影响。模拟表明,对于大多数金属材料,加载源不稳定性<15%时,通过修正可以将它对阻抗匹配实验速度分析的不确定性控制在1%,从而满足了高精度的冲击压缩实验需求。

      图  6  基于辐射流体程序的非稳冲击加载技术分析[23]

      Figure 6.  Analysis of unsteady shock loading technology based on the radiation hydrodynamic simulation

      在优化了间接驱动冲击加载源三性品质后,利用该加载技术开展了冲击压缩状态方程实验应用。图7给出了2016年第43发次铁材料冲击压缩实验测量结果。值得强调的是,当前冲击波速度不确定度分析方法[31]实现了冲击加载源平面性和稳定性的定量评估,从图中可以看到冲击加载源平面性、稳定性和干净性控制得很好,它对标准材料(铝)和待测材料(铁)中冲击波速度不确定度影响较小,主要的不确定度来源于样品厚度测量不确定度。本发次实验获得了铁材料2.8 TPa高压状态数据,也验证了激光平台冲击压缩路线在极端高压加载强度方面的优势。

      图  7  基于铁材料的典型激光间接驱动冲击压缩实验结果

      Figure 7.  Typical indirectly-laser-driven shock Hügoniot experimental result of iron,where Ds represents shock velocity with relative uncertainty components such as sample height,transit time,shock planarity,shock stability

    • 激光加载准等熵压缩主要有整形激光脉冲法和气库法两类。整形激光脉冲加载法对入射激光脉冲波形有很高要求,而气库法对激光脉冲波形要求低,但对靶的结构要求很高。随着整形激光技术的进步,具有更高潜力的整形激光脉冲法应用日益广泛。万焦耳激光装置具备20 ns长脉冲的任意整形激光输出能力,这为整形激光准等熵压缩技术的实现提供了关键技术支撑。准等熵压缩技术是通过在样品材料中形成平滑的缓变压缩波实现材料的连续准等熵压缩。在大部分物质中,压缩波的波头速度小于波尾速度,随着传播距离的增加,波头和波尾间距逐渐减小,因此最终不可避免地汇聚形成冲击波。特别是,由于激光驱动时间显著小于传统技术,因此需要发展适用于激光驱动的准等熵压缩理论,从而提高实验设计及分析的效率及可靠性。从1972年开始准等熵压缩理论研究一直在不断发展,但是与激光结合不够紧密。为此本研究发展了激光驱动准等熵压缩理论。首先采用实用的Murnaghan状态方程将压力和密度直接关联获得了含时的压力波形显示表达式

      $$p(t) = {\rho _0}c_0^2/\gamma [{(1 - t/{t_0})^{ - 2\gamma /(\gamma + 1)}} - 1]$$ (4)

      式中:$p,t$代表物质压力和时间;$\gamma $为状态方程系数;${t_0}$为设定的冲击波出现时刻;${c_0},{\rho _0}$为常态物质声速和密度。此时${c_0}{t_0}$实际上代表了最大的等熵压缩空间尺度。基于该方程可以快速地得到波头及流场内部密度、声速、压力和粒子速度时空分布[32]

      进一步将激光功率与烧蚀压的关系式和公式(4)关联可以得到整形激光直接驱动准等熵加载关系式。针对万焦耳激光装置351 nm激光入射条件以及实验常用的铝材料,选用A. Ng实验给出的激光烧蚀压定标关系[33],得到准等熵加载激光波形${I_{{\rm{ramp}}}}$如式(5)所示

      $${I_{{\rm{ramp}}}} = 0.302 \times {\left[ {{{(1 - t/{t_0})}^{ - 2{\gamma _0}/(1 + {\gamma _0})}} - 1} \right]^{1.2}}({10^{12}}\;{\rm{W/c}}{{\rm{m}}^2})$$ (5)

      基于式(5),利用万焦耳激光的2~4束激光开展了铝材料准等熵加载验证性实验。实验设计中加载时间取10 ns,冲击波产生时间${t_0}$选用13 ns。靶结构及详细参数如图8(a)所示,烧蚀材料CH厚度9 μm,压缩材料为三台阶纯铝,三台阶的厚度分别为20,30和40 μm,窗口材料为LiF。靶面光斑采用CPP匀滑技术,其光斑直径为2 mm。图8(b)给出了实际输出激光波形与设计波形的比对,两者形状基本相符,反映了万焦耳激光装置具备较好的波形设计响应能力。尽管4~8 ns之间实际输出激光波形高于设计波形,但在9~10 ns之间略低于设计波形测量区域,但是实验仍能较好地保持准等熵压缩,如图8(c)所示。它给出了VISAR测的样品后界面运动速度行为,从中可以看到条纹从静止连续加速变化,图中没有出现条纹跳变,这反映了没有出现显著的速度跳变,即没有明显的冲击压力,因此具有良好的准等熵压缩特性。图8(d)红线给出了VISAR数据处理结果,红色的虚线代表了三个台阶面粒子速度的测量值。可以看到,三个界面运动依次起动,随着时间增加,界面粒子速度在持续压缩下逐渐增强,当激光结束后,后续稀疏波赶上,速度又逐渐减小。同一界面上粒子速度起始点位置相同,说明准等熵压缩加载源具有较好的平面性,数据分析可以采用一维近似。利用实际的激光输出波形,采用建立的激光驱动准等熵压缩理论进行计算得到的结果如图8(d)黑线所示,不同黑线代表了样品中不同空间位置的粒子速度演化历史,可以看到整个样品内部。在设计的三个界面位置上,冲击波出现的时间点、大小以及变化趋势均与实验结果相符。这验证了理论模型的有效性。

      图  8  激光驱动准等熵加载验证性实验

      Figure 8.  Verification experiment of laser-driven quasi-isentropic loading technology

      在上述靶型优化基础上开展了铝材料准等熵压缩数据获取实验[34],典型实验结果如图9所示。图9(a)给出了三台阶铝和LiF界面处的VISAR图像及数据处理结果。基于该结果进一步获得应力-密度关系式,结果如图9(b)所示,其中红线为本实验结果,紫线为Z装置上的实验结果,可以看到本实验获得的425 GPa压强显著大于Z装置获得的240 GPa压强,这也证明了激光装置在准等熵热力学路径下压强加载的优势。此外,本次实验获得准等熵线相比Z装置更偏离理论等熵线。这反映了激光平台准等熵实验的重要特点,即由于高应变率及强激光环境影响,样品准等熵压缩状态容易偏离理想等熵过程。

      图  9  激光驱动铝准等熵压缩实验[34]

      Figure 9.  Laser-driven quasi-isentropic compression experiment of Aluminum

      这类激光实验通常出现后期VISAR条纹间断丢失的现象,这通常被称为窗口材料致盲现象。研究发现,致盲现象主要是源于压致温升及X光电离双重作用导致LiF窗口离化所产生的自由电子对VISAR探针光的吸收过程[35]。对此采用了同前面冲击加载源干净性优化一样的措施,即在铝样品中增加了金作为X光的吸收层。图10给出了优化措施的实验验证结果,VISAR测量数据质量大幅度上升:条纹变化连续匀滑,没有明显的弱冲击波导致的条纹跳变信号,清晰地看到了样品中准等熵压缩及衰减全过程。数据处理表明铝材料中最高界面速度和压强分别达到7.28 km/s和327 GPa。

      图  10  激光驱动准等熵压缩实验LiF窗口致盲现象优化研究

      Figure 10.  Optimization of LiF window blinding in laser-driven quasi-isentropic compression experiment

      为了提升激光装置上准等熵加载数据质量,进一步开展了整形激光间接驱动准等熵加载技术研究,即同间接驱动冲击压缩加载技术一样,利用金腔将整形激光转换为整形X光后再和样品作用实现准等熵高压加载。同样首先开展了间接驱动准等熵加载理论建模工作,和直接驱动理论建立思路类似,此时需要考虑X光辐射烧蚀压和辐射温度的关系、激光和金腔内部X光转换关系。在此基础上获得了间接驱动下整形激光理论。

      接着开展了间接驱动准等熵加载实验验证研究。实验布局如图11所示。图11(a)给出了激光间接驱动准等熵加载实验布局:上四路整形激光入射到ϕ3 mm×3 mm金腔内部形成整形X光辐射源,FXRD阵列测量辐射源强。准等熵样品采用含金层的铝/铁/LiF三层结构设计,VISAR测量铁和LiF界面的运动速度来考察准等熵加载情况。实验实际输出的激光波形及对应的辐射流波形如图11(b)上侧所示,结合理论模型开展激光和辐射流的关联可以获得理论模型中几个重要的可调参数,从而为后续实验设计提供依据。VISAR测量得到的条纹图像如图11(c)所示,条纹图像的平面性和光滑性显著提升,这对数据处理的可靠性提升有明显作用。图中同时给出了处理获得的样品内部几个位置(铁和LiF的界面、铁和金层界面、金层和铝层界面以及压力加载位置)的压力波形,可以看到靶内部每个界面上的压力均缓慢增大,无冲击波产生,反映了样品沿着准等熵路径压缩。进一步分析了辐射烧蚀压定标律的实验定标:将实验测得辐射温度波形和计算得到的靶面烧蚀压波形对比,计算得到本实验条件下的辐射烧蚀压表达式为$p\left( {{\rm{10^2{\text{ G}}Pa}}} \right) \approx 2.55{T_{\rm{r}}}{\left( {100\;{\rm{eV}}} \right)^{3.5}}$,它与Lindl的实验结果[26]$p\left( {{\rm{10^2{\text{ G}}Pa}}} \right) \approx 3{T_{\rm{r}}}{\left( {100\;{\rm{eV}}} \right)^{3.5}}$接近。本烧蚀压定律可以作为以后同类实验设计的依据。

      图  11  激光间接驱动准等熵压缩实验布局

      Figure 11.  Layout of indirectly laser-driven quasi-isentropic compression experiment

      本次实验得到的铁压强约120 GPa,显著低于前述整形激光直接驱动准等熵加载方式。在激光输出功率有限的情况下,实验可以通过缩小黑腔尺寸增加腔内辐射温度形式提升准等熵加载压强,但是此时要特别注意黑腔变小情况下,腔内等离子体聚心引起的强冲击过程。

    • 在万焦耳激光装置上建立了可控的冲击压缩和准等熵压缩高压加载技术后,进一步拓宽高压物性研究覆盖的热力学参数区间,我们进一步开展了“预冲击准等熵压缩”的复合热力学路径高压加载技术的理论设计和实验验证工作。“预冲击准等熵压缩”的基本设计思路是将冲击加载技术与等熵加载结合,通过激光长脉冲整形,调整激光与物质相互作用过程能量沉积的时间行为,在样品中形成一个初始较稳定的冲击波和后续的实现等熵压缩的斜波,从样品所经历的热力学路径上看,样品首先通过一个稳定的初始冲击达到冲击压缩线的一个特定的冲击点,然后沿着以该点为初始点的等熵线达到不同的高压状态。为了验证该高压加载技术的有效性,我们选择了激光间接驱动方式开展技术实验验证。

      验证性实验设计路线如图12所示。实验采用了常用的标准材料铝材料和LiF材料,其结构如图12(b)所示。针对铝材料的“预冲击准等熵压缩”压力加载过程,采用类似于间接驱动准等熵实验中的辐射烧蚀压定标率获得样品所需的辐射流波形;再根据激光与X光转换关系获得所需激光波形。以该激光波形为基准,采用包含三维几何结构下视角因子处理的IRAD3D程序进行迭代计算来修正激光波形,由此可以获得腔内样品及各角度FXRD探测器的辐射流行为。靶样品结构如图12(b)所示,通过VISAR测量铝和LiF界面速度可以反推铝材料中压力加载过程。在此设计下,铝/LiF界面速度时间演化行为为一个典型的初始冲击+等熵加载过程,如图12(c)所示:初始辐射流产生的冲击导致铝后界面首先出现一个速度约2 km/s的跳变,对应的初始冲击压强大约40 GPa,之后随着后续辐射流的逐步增加,界面速度连续增加,对应的准等熵加载从40 GPa上升到约580 GPa,反映了材料历经一个准等熵压缩的过程。

      图  12  “预冲击准等熵压缩”的复合热力学路径设计示意图

      Figure 12.  Schematic diagram of high pressure loading along “shock + quasi-isentropic” composite thermodynamic path

      实验验证结果如图13所示。图13(a)给出了实际测量的腔内辐射流强行为,它和设计波形较接近。图13(b)给出了VISAR测量到的铝和LiF界面运动的变化过程。图13(c)给出了其速度处理结果,可以清楚地看到铝材料经历了“预冲击准等熵压缩”压缩过程:铝和LiF界面在6 ns时首先经历一个初始起跳以后,界面以一个较稳定的速度运动大约4 ns,对应于设计的初始冲击状态,随后由于辐射温度的上升,后续的压缩波强度以准等熵形式逐渐增强,对应的界面速度呈现缓慢上升直到其峰值状态,接下来由于激光停止,辐射温度下降,烧蚀压加载面压强无法维持,开始稀疏,当稀疏波到达界面时,界面速度开始衰减。VISAR数据处理给出了界面初始冲击对应的粒子速度大约3 km/s,对应的初始冲击波强度大约80 GPa,随后等熵压缩达到的峰值速度大约5 km/s,对应的加载压力大约170 GPa。本次实验是国内强激光装置上“预冲击准等熵压缩”复合热力学路径高压加载技术的首次可靠验证,它显示了万焦耳激光装置上具备了宽区高压状态产生的实验能力。

      图  13  “预冲击准等熵压缩”的复合热力学路径高压加载实验验证

      Figure 13.  Experiment verification of high pressure loading along “shock + quasi-isentropic” composite thermodynamic path

    • 极端高压物性不仅是重要的基础科学问题,同时在激光聚变、天体物理、国防领域等方面有重要应用。高压状态的产生与表征是极端高压物性实验研究的基础。激光高压加载技术的发展历程及趋势与在这些领域的重大科学问题及应用需求密切相关。激光高压加载技术的一大发展趋势是提升宽热力学参数区间产生能力,为此从早期单一的热力学路径产生技术(冲击压缩、准等熵压缩、等容高压加载)向多热力学路径组合的复合热力学路径高压加载技术发展。激光高压加载技术另一发展趋势就是响应精密物理实验需求,持续提升加载技术的可控性,即提升设计与输出的一致性以及实验状态控制的稳定性。这更多地多依赖于激光技术和靶物理设计及制备技术的改进。比如近年准等熵加载技术的快速发展正是依赖于整形激光技术的进步。为了进一步拓展激光加载高压状态范围,发展样品初始温度、密度状态可控调节下的各类热力学路径加载技术将成为以后加载技术发展的一个主要方向。

      在极端高压物性实验研究的强烈需求下,利用万焦耳激光装置八路可选输出、高能量高功率及20 ns长脉冲任意整形等技术特色,先后开展了激光间接驱动冲击压缩高压加载技术和整形激光直接和间接两种驱动方式下的准等熵高压加载技术研究,重点优化了冲击加载源的平面性、干净性和稳定性等三性品质,建立了准等熵加载源的理论模型,提升了高压加载技术应用的可靠性。在此基础上,发展并验证了基于“预冲击准等熵压缩”的复合热力学路径高压加载技术。

      目前万焦耳激光已经实现了百GPa以上准等熵、TPa以上冲击压缩以及两者之间的宽区高压状态产生能力。多种热力学路径高压加载技术为极端高压物性实验研究提供了关键技术支撑,目前已经建立了辐射驱动冲击压缩实验平台,高压相变及强度实验研究平台。针对物理需求,激光聚变研究中心的大型激光装置具备进一步拓展高压加载技术的潜力,比如发展10 TPa压强以上超高压加载技术、高稳定冲击加载技术、基于初始预压缩后的冲击或准等熵高压加载技术以及高质量的飞片碰撞高压加载技术。它们对提升我国极端高压物性实验研究能力具有重要作用。

      致 谢 感谢激光聚变研究中心激光装置运行人员、制靶工作人员、物理实验诊断人员在本研究中的辛苦付出。感谢北京应用物理与计算数学研究所物性团队所对本研究的强力支持。

参考文献 (35)

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