激光驱动高速金属颗粒与气体相互作用

采用激光驱动技术模拟高速运动金属颗粒与气体相互作用过程,研究高速气固两相流输运过程。采用驱动靶优化设计、激光参数调节等方法对颗粒加速过程进行控制,利用高时空分辨率、高精度瞬态实验诊断技术获取高速颗粒瞬态物理图像。通过求解三维雷诺平均Navier-Stokes方程和刚体飞行六自由度动力学方程数值模拟高速单颗粒与气体混合过程,方程采用高斯−赛德尔隐式方法进行时间推进求解。研究表明,激光驱动方法能够有效地发射金属颗粒,阴影照相技术能够有效获取高速颗粒物理图像。数值模拟给出了高速颗粒与气体作用的流场参数。     

强激光加载下锡材料微喷颗粒与气体混合回收实验研究及颗粒度分析

冲击波在金属材料自由面卸载时,材料表面会形成微颗粒向外喷射,这是材料表面一种特殊的破坏形态.在内爆压缩和高压工程领域的相关物理过程中,微喷射颗粒是引起界面混合现象的重要来源,会直接影响后期的混合状态和压缩过程.而微颗粒的尺寸、形态、运动速度等是开展微喷混合过程理论和数值模拟研究的重要参数.由于实验中动态诊断的难度较大,目前已获取的微喷颗粒尺寸及分布数据十分有限.基于神光Ⅲ原型激光装置,本文设计并开展了强激光驱动冲击加载,锡材料微喷颗粒经过气体区混合后,低密度泡沫材料对微颗粒进行回收分析的实验研究.通过对微喷颗粒回收样品的X光电子计算机断层扫描分析和图像重建,获得了两个典型加载压强条件下与气体混合后微喷颗粒的三维图像,通过与真空实验条件下回收微喷颗粒图像的对比分析,对混合后的微喷颗粒分布形态有了初步的认识;测量统计了回收颗粒尺寸与数目,并通过分析,给出了微喷颗粒尺寸的双指数分布规律.     

激光加载下金属锡材料微喷颗粒与低密度泡沫混合实验研究

金属材料的微喷是冲击加载下金属表面发生的一种动态破碎现象,微喷研究在很多领域都具有重要意义,包括惯性约束聚变(ICF)和烟火制造等.由于激光实验特有的优势,近几年国内外开展了很多利用强激光驱动冲击加载研究材料微喷过程的实验.利用泡沫材料对微喷颗粒进行静态软回收虽然可以获得颗粒的形态分布、颗粒尺寸及颗粒质量等定量结果,但并不能反演微喷颗粒从进入泡沫到停滞过程中的动态混合过程.为此,在神光Ⅱ升级装置上利用皮秒脉冲激光照射金丝产生高能X射线,实现了对锡微喷颗粒与低密度泡沫混合过程的高时间分辨和高空间分辨背光照相.背光图像面密度结果证实微喷颗粒在泡沫中并没有发生二次破碎.静态回收结果表明,在锡材料与泡沫紧贴放置的情况下,微喷颗粒在泡沫中的穿透深度随着加载压强升高呈现先增大后减小的规律,与非紧贴放置的实验结果有明显的差别.     

神光Ⅲ原型装置激光驱动高速飞片实验研究进展

激光驱动飞片技术具有产生的飞片速度高、成本低、装置简单等传统动高压加载技术无法取代的优点.随着激光技术的发展,利用高功率激光脉冲发射高速飞片受到越来越多的关注.本文介绍了在神光Ⅲ原型装置上开展的激光驱动高速飞片实验研究.利用纳秒短脉冲和纳秒整形长脉冲,设计并开展了几种不同方式加速飞片的实验研究,成功获得了10 km·s~(-1)的固态铝飞片和50 km·s~(-1)超高速度的复合金属飞片,而且飞片具有良好的平面性和完整性.对实验的物理设计、技术途径和数据结果进行了比较全面的分析,为进一步开展激光驱动高速飞片相关实验研究提供了思路,同时也证明了神光Ⅲ原型装置在激光驱动高速飞片实验研究方面有着巨大的潜力.     

激光自混合显微系统的设计及实验研究

论述了自混合干涉技术的发展历程,并引入了自混合干涉显微技术的实验原理和研究近展;建立了He—Ne激光自混合干涉实验装置系统,获得了稳定的激光功率输出。然后,对基于激光自混合干涉技术的显微镜进行了研究,并详细给出了该系统的设计原理、装调方法和实验结果,得到了玻璃小球的三维形体信息图像。系统达到的横向分辨力1μm,纵向分辨力为15nm。上述实验结果证明自混合显微镜在微小物体的高精度形貌成像方面有着很大的潜力。     

神光-Ⅱ激光装置上的针孔点背光成像技术实验研究北大核心CSCD

在神光-Ⅱ激光器上开展了针孔点背光成像技术实验研究,利用第9路激光驱动平面钛靶获得4.75keV的准单能光源,在10μm的针孔约束下形成次级点光源对镍网格等样品成像。实验获取了清晰的网格图像,空间分辨力达到7μm,并对烧蚀碎片、杂散光等该技术的关键性问题进行了系统深入的研究分析。实验结果表明:针孔点背光具有高空间分辨力、大视场等特点,优于传统背光技术。     

神光-Ⅱ激光装置上的针孔点背光成像技术实验研究

 在神光-Ⅱ激光器上开展了针孔点背光成像技术实验研究,利用第9路激光驱动平面钛靶获得4.75 keV的准单能光源,在10 μm的针孔约束下形成次级点光源对镍网格等样品成像。实验获取了清晰的网格图像,空间分辨力达到7 μm,并对烧蚀碎片、杂散光等该技术的关键性问题进行了系统深入的研究分析。实验结果表明：针孔点背光具有高空间分辨力、大视场等特点,优于传统背光技术。     

激光聚变极端环境下X光高速摄影技术研究进展

在激光惯性约束聚变（ICF）研究中，通过X光高速摄影获取的图像数据能够反映等离子体中由于做功和能量输运导致的流体状态的时空演化信息，与之相关的诊断技术与工程研究一直以来都是ICF诊断能力建设的重要组成部分。介绍了作为我国ICF工程的主要实施单位之一，中国工程物理研究院激光聚变研究中心近年来在X光高速摄影技术研究方面取得重要进展，包括:（1）面向神光系列激光装置，开发了系列工程化的100 ps曝光高速摄影相机，整体达到国际先进水平，并在高灵敏探测、透射式带通滤波和结构小型化等方面形成中国特色；（2）提出微扫描门控、同视扫描分幅等10 ps曝光X光高速摄影新技术，为突破时间分辨瓶颈做出有益尝试；（3）在国内率先开展抗辐射加固高速摄影相机理论设计、技术验证与工程设计；（4）针对激光聚变靶碎片对设备安全的威胁，在国内首次开展靶碎片的理论建模与仿真研究，并开展首次验证实验，取得重要进展。     

强激光间接驱动材料动态破碎过程的实验技术研究

强激光驱动加载已成为冲击波作用下材料动态破碎过程研究的一种有效手段.采用间接驱动方式,设计合适的腔型进行物理实验研究,可实现更大且更均匀的冲击加载一维区.采用数值模拟和物理实验方法,研究强激光间接驱动材料动态破碎过程的实验技术.首先,利用IRAD程序设计适用于开展动态破碎过程研究的半柱腔,其直径为2 mm、腔长为2 mm;进而通过物理实验获得此腔型下多个激光能量点、脉宽2 ns和3 ns条件下辐射峰值温度和波形;最后,利用流体模拟方法给出多种辐射波形下的冲击加载波形.利用高能X射线成像和光子多普勒干涉仪诊断给出间接驱动加载下层裂过程的物理图像和速度历史.经分析发现,间接驱动的加载一维区达到2 mm,平面性优于5%,能有效地开展相关物理实验研究.研究结果为新型柱腔设计、冲击加载技术及动态破碎过程研究提供了重要的研究基础.     

针孔辅助点投影诊断方法实验研究

针孔辅助点投影背光成像是近几年国外新兴的等离子体诊断技术,在惯性约束聚变相关物理实验诊断中具有重要的应用前景.为验证这一诊断方法的实用性,在神光Ⅱ第九路平台上开展了演示实验.利用激光驱动平面Ti靶获得约4.7 keV的Ti K壳层X射线,在十几微米的针孔约束下作为次级点源并对Au栅格样品投影成像,并用CCD记录.实验成功获得了清晰的样品二维空间分辨的时间积分图像,空间分辨力优于16.1 μm.实验结果表明针孔辅助点投影具有较高的空间分辨力、较大的视场、较高的图像对比度,将成为瑞利泰勒不稳定性研究、激光状态方程研究等物理实验的重要诊断方法之一.     

X射线点投影技术在高能量密度物理相关实验中的应用

利用激光驱动4.8 keV左右的Ti等离子体X射线源作为背光,通过静态成像实验研究了针孔辅助点投影诊断方法及其特点。进行了点投影技术动态诊断应用探索,建立了光子能量约4.8 keV、时间分辨力约100 ps、空间分辨约10μm的动态诊断实验平台。并简要介绍了此诊断平台上开展的流体力学不稳定性研究、激光加速射流、材料预压缩特性研究等一系列实验结果。     

激光产生温稠密物质的微观动力学过程及状态诊断

随着大型激光装置的建立和精密测量技术的发展，强激光与固体相互作用成为实验室产生温稠密物质的一个重要手段。温稠密物质的结构复杂性、瞬态性和非平衡性给理论建模和实验测量带来了巨大挑战。本文系统介绍了激光产生温稠密物质的实验手段和理论模拟方法方面的重要进展，分析了其中的电子激发动力学、电子-离子能量弛豫过程、离子动力学等物理过程，总结了温稠密物质状态诊断的实验技术和理论方法，并论述了激光产生温稠密物质的发展趋势。     

激光驱动材料动态压缩技术

激光驱动动态压缩实验是极端高压高密度研究的主要途径,在多个学科领域具有重要意义,包括地球行星科学,材料科学以及惯性约束聚变,有助于认识极端条件下的材料特性并拓展其在各学科的应用。近年来激光驱动压缩技术在激光装置、激光等离子体、制靶和诊断技术的同步提升下取得了突破性的进展,与其他极端条件实验平台相比,其斜波压缩、复杂路径、衰减冲击等新型加载路径得到快速发展,微介观诊断技术和宏观诊断技术相结合,具有明确的超高压、高温、高应变率以及高同步精度等技术特色。从激光驱动材料压缩的热力学路径、激光驱动的机制与特色、激光驱动实验技术、材料极端压缩物理进展等方面介绍激光驱动实验和理论方面的进展。     

跨微米尺度混合颗粒粒径的同步测量方法

基于多波长消光法和图像法颗粒测量原理,提出了跨微米尺度混合颗粒粒径同步测量方法,建立了亚微米-十微米尺度颗粒粒径消光光谱反演算法及十微米以上尺度颗粒粒径图像处理算法;采用分光棱镜,搭建了消光光谱与背光图像同步测量装置,利用500 nm～76.9μm粒径范围内的10种标准颗粒配成跨微米尺度混合颗粒样品并开展实验研究。结果表明:利用所提方法开展跨微米尺度混合颗粒粒径同步测量时,亚微米-十微米尺度颗粒消光光谱与十微米以上尺度颗粒背光图像的相互影响可忽略,可同步测量得到跨微米尺度混合颗粒粒径;利用消光法和图像法分别开展亚微米-十微米、十微米以上尺度颗粒粒径测量,与标准颗粒粒径相比,相对误差均小于8%,且测量重复性较好,这为跨微米尺度混合颗粒提供了一种有效的粒径测量手段。     

用于噪声抑制的碘分子滤波瑞利散射技术研究

为了解决激光瑞利散射技术诊断燃烧场时存在的米散射和背景杂散光干扰问题,发展了基于碘分子超精细吸收凹陷的滤波技术。介绍了分子滤波的原理和碘分子的吸收光谱,设计了用于产生稳定数密度的碘分子滤波器,并采用种子注入、可调谐Nd：YAG激光器测量了碘分子的吸收谱。采用碘分子滤波器,在稳态燃烧场和瞬态燃烧场上分别进行了结构诊断的滤波瑞利散射实验,获得了清晰的燃烧场结构图像。实验表明碘分子滤波器能够有效抑制532nm激光瑞利散射实验中的米散射和背景杂散光,提高信号图像的清晰度。     

冲击波作用下微米尺度金属颗粒群的动力学行为

基于平面化爆驱动飞片高压加载技术和激光测速技术,研究了冲击波加载不同粒径锡颗粒群的微喷射行为以及在空气中的减速规律.实验结果表明,锡颗粒的最快喷射速度随粒径增大而显著增大.通过对微喷射形成过程的三维光滑粒子流体动力学方法数值模拟发现,大粒径锡颗粒之间存在较大的空隙结构,冲击波与空隙结构的相互作用诱导产生高速汇聚射流,空隙结构越大对应的喷射速度也越高.此外,通过研究不同粒径颗粒在复杂流场中的减速规律,进一步深化了对微喷射破碎后的颗粒尺度状态以及混合输运特性的认识.研究结果对于预测和分析冲击波加载微米颗粒群的微喷混合特性具有一定价值.     

S形通道中金属熔体与固体颗粒流动混合的数值模拟研究

金属基复合材料的性能、应用、成本等在很大程度上取决于材料的制造技术,因此研究和发展有效的制造技术一直是金属基复合材料研究中的最重要的问题之一。本文提出了一种基于S形流道的固体颗粒-金属流体混合方法,并采用欧拉-离散相模型分析计算了该流道内的颗粒-流体混合过程。研究结果表明,S形流道内流体具有周期性变化的流动方向及流速,同时在横截面内存在旋转方向周期性改变的涡流,能够强化颗粒在金属流体中的分散过程。分析了颗粒在S形通道内的均匀度,在第三级出口处的颗粒均匀度达到0.915,表明该方法能够较好的实现固体颗粒在金属液内的均匀分散,进而实现颗粒增强金属基复合材料的制备。     

叶轮机械复杂流动的PIV应用研究

本文发展了适用于叶轮机械等复杂内流系统使用的ＣＣＤ视场标定技术,以及能够消除视窗大颗粒污染带来的影响的图象处理技术,并在高速压气机实验台上对一小展弦比高负荷跨音风扇转子尖部的非定常瞬态流场进行了成功测量．     

基于InP的全光高速相机的理论和实验研究

为了评估基于瞬态光栅的全光高速相机系统中激发光强与图像信号之间的对应关系,验证基于磷化铟（InP）建立该相机的可行性。针对InP材料从理论上分析了从光子入射激发载流子,到载流子影响折射率,再到折射率影响衍射效率过程中各物理量值之间的关系;并建立了基于衍射光收集的图像探测系统获取InP内部的瞬态光栅分布图像。理论结果给出了针对InP材料的激发光强与载流子浓度的关系,探针激光为 1064 nm时载流子浓度与折射率之间的关系,以及瞬态光栅为矩形光栅时折射率与衍射效率之间的关系,特别指出在基于InP和1064 nm探针激光的高速相机系统中,若时间分辨为1 ps量级,对于532 nm激发光,系统的灵敏度为1.3105 Wcm-2量级。实验结果证明了基于InP和1064 nm探针光可以建立全光高速相机系统,并根据所获得图像得出系统的空间分辨好于5.04 lp/mm。     

激光推进流场演化的高速阴影测量方法

 介绍了高速阴影技术在激光推进流场演化诊断过程中的应用。采用了阴影技术和高速摄影相结合的方法，对激光推进流场演化过程进行了考察。由高速相机提供时序零时，控制激光器和闪光源的延迟时间，再对高速相机进行同步曝光，解决了高速阴影测量过程中高速相机、闪光仪和激光器的时序控制问题，实验获得了清晰的流场演化图像，为进一步研究提供了实验依据和便利条件。