激光驱动带窗口宏观飞片特性实验研究

 利用激光驱动带窗口宏观高速飞片技术可以实现对材料的一维加载，特别适合开展材料的高压状态方程及高应变率下材料的动态力学特性研究。利用小型脉冲YAG激光器进行了驱动飞片技术研究。开展了飞片结构对飞片力学参数影响的实验，结果表明：复合靶飞片的能量耦合效率比单膜结构飞片具有较大的提高，平均速度提高约15%~30%。同时，飞片的平面性和完整性也有明显的改善。实验中测量了飞片的启动弛豫时间，结果显示：飞片的启动弛豫时间为5~10 ns。利用多通道光纤阵列开展了飞片的平面性测量。实验结果表明，在约1.0 mm的范围内，飞片的时间分散性为20~30 ns。利用高灵敏度激光干涉技术，对飞片速度历史进行了测量，结果表明，飞片在前20 ns就加速到最终速度的90%以上。     

光纤传输激光驱动飞片实验研究

构建了一种基于光纤传输高功率激光的飞片发射系统,并测试了飞片速度.飞片膜层为三明治结构:铝烧蚀层、氧化铝隔离层和铝飞片产生层.飞片膜层采用磁控溅射技术沉积在玻璃衬底上,总厚度为5.5 μm.激光辐照铝膜层产生高温高压等离子体,驱动剩余膜层产生高速飞片,速度达数km/s.同时,实验研究了光纤传能系统的输出激光空间分布特性和传输激光能量容量,它们决定了飞片的平面性和最大速度.光纤端面损伤是限制光纤传输激光能量容量的关键因素,光纤端面通过精密机械抛光和激光预处理可以获得理想的抗激光损伤能力.采用基于光纤阵列探针的时间序列测试技术获得了飞片的平均速度,并评估了飞片的平面性.采用搭建的基于光纤传输高功率激光的飞片发射系统获得了速度达1.7 km/s、直径接近1 mm的高速飞片. 关键词： 激光驱动飞片 激光辐照 光纤阵列探针 激光等离子体     

磁驱动飞片发射实验结构系数初步研究

为了确定磁驱动飞片发射实验结构系数的范围、影响因素、结构系数与影响因素的关系，对聚龙一号装置上的磁驱动飞片发射实验进行了数值模拟和分析。数值模拟表明，磁流体力学程序能正确模拟聚龙一号装置上各个磁驱动飞片发射实验；磁驱动双侧飞片发射实验的结构系数为0.7～0.8；磁驱动单侧飞片发射实验的结构系数为0.80～0.85。磁驱动飞片发射实验的结构系数与实验加载电流无关，仅由磁驱动飞片发射实验的负载结构决定。磁驱动飞片发射实验的结构系数取决于阴阳电极极板的初始宽度、阴阳电极之间的初始间隙以及阴阳电极上飞片厚度之和等三个因素。在磁驱动飞片发射实验中，电极初始宽度、阴阳电极之间的初始间隙不变的情况下，结构系数由阴阳电极上飞片厚度之和确定，阴阳电极上飞片厚度之和越大，结构系数越大。     

二维磁驱动数值模拟程序MDSC2的验证与确认

为了对磁驱动实验提供高置信度的数值模拟，需要开展磁流体力学程序的验证与确认。采用人为解比较法、网格收敛性研究和与成熟程序比较等方法，对二维磁驱动数值模拟程序MDSC2进行了程序验证。数值模拟表明:MDSC2程序正确地表示了磁流体力学模型，其中热扩散、磁扩散的离散格式具有二阶收敛精度。采用与磁驱动实验相比较的方法，进行了MDSC2程序的确认。对聚龙一号装置上的PTS-061发次磁驱动单侧飞片发射和PTS-122发次磁驱动双侧飞片发射实验进行了模拟，模拟的飞片自由面速度与实验测量的飞片自由面速度相一致；对FP-1装置上的固体套筒实验进行了模拟，模拟的套筒内外半径与实验测量结果相一致。MDSC2程序能正确模拟磁驱动单侧飞片发射、磁驱动双侧飞片发射和磁驱动固体套筒等磁驱动实验。     

“聚龙一号”装置上磁驱动铝飞片实验的数值模拟

采用二维磁驱动数值模拟程序MDSC2,对大电流脉冲装置"聚龙一号"上的151发次磁驱动370μm厚铝飞片实验、164发次磁驱动330μm厚铝飞片实验进行了数值模拟和分析。数值模拟表明:370μm厚铝飞片和330μm厚铝飞片的磁驱动过程中,VISAR测量的速度不是飞片自由面的速度,而是飞片中邻近自由面最近的固体反射面的速度。这是由于磁驱动飞片发射过程中,飞片自由面部分被烧蚀,密度低于固体密度状态,而飞片自由面和加载面中间的飞片还保持固体密度状态。VISAR测量的激光将穿过自由面的低于固体密度状态的飞片部分,到达飞片自由面最近的固体密度位置再反射回去,获得这一位置的飞片速度。数值模拟的飞片固体反射面速度历史和VISAR测量的速度历史相吻合。     

磁驱动飞片二维磁流体力学数值模拟

针对磁驱动高速飞片发射技术,建立了磁驱动飞片的二维磁流体力学数学模型,并考虑了焦耳热对飞片的影响。在四边形网格的基础上,采用算子分裂法,把磁流体力学方程依次分成热扩散、磁扩散、理想流体力学三个物理过程进行求解,研制了磁驱动飞片二维磁流体力学数值模拟程序。对美国Sandia国家实验室Z装置上的一个磁驱动飞片发射实验进行了数值模拟,并分析了不同时刻焦耳加热对飞片的烧蚀情况,计算得到的飞片自由面速度曲线与实验激光速度干涉仪测量的结果相吻合。     

磁场准等熵驱动飞片技术原理性实验研究

 探索了磁场准等熵驱动飞片发射的实验技术，在FP-1装置上成功实现了多种尺寸飞片的驱动实验，并利用VISAR系统获得了飞片的速度历史曲线。在回路放电峰值为3 MA的情况下，获得飞片最高速度为797.3 m/s。初步获得了准等熵加载的原理性技术及其基本原理，促进了磁驱动准等熵加载、发射飞片实验技术，以及后续的物态方程研究的开展。     

激光驱动飞片加速特征分析

在激光驱动飞片研究中,飞片的加速特征是需要认识的关键问题之一。设计了强激光作用金属膜驱动飞片实验,采用聚偏氟乙烯（PVDF）压电薄膜测量了飞片到达不同距离的时间,计算得到飞片速度和加速度,分析激光能量对飞片加速性能的影响。基于Gurney能理论,建立了激光驱动飞片速度的计算模型,根据实验结果获得了激光能量损失系数和有效吸收系数,分析了激光能量和膜体厚度对飞片速度的影响。实验结果表明:不同激光能量下飞片的加速特征基本相似,激光能量变化对飞片的加速时间影响较小; 激光能量较大的情况下,膜体厚度对飞片最大速度、能量耦合系数的影响更显著; 当膜体超过一定厚度时,能量耦合系数不再增加。     

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.     

气炮加载下炸药强爆轰驱动技术的初步实验研究

 利用二级轻气炮进行了炸药强爆轰驱动超高速飞片技术的研究,采用多普勒探针系统（Doppler Pins System,简称DPS）对二级飞片的速度历史进行了测量。初步获得了在较高速度（大于5 km/s）一级飞片的作用下、二级飞片的速度增益情况,并基本掌握了强爆轰驱动技术与二级轻气炮发射技术有机结合的实验技术。初步实验结果表明,采用炸药强爆轰驱动技术可使二级飞片获得较高的速度增益。     

Towards controlled flyer acceleration by a laser-driven mini flyer

A laser driven flyer (LDF) system is designed to blast off a very small, thin flyer plate for impact on a target. When a Nd:YAG laser beam is focused through a transparent substrate onto thin metal, a fraction of the metal is ablated. The blow-off products being contained between the substrate and the flyer make the remaining thin film launch as a separate flyer. Some energy of the laser beam is lost by reflection at the boundary between substrate and metal because of the high reflectivity. By using a proper metal of high absorptance at 1.064 μm wavelength, the laser coupling to the flyer would define the system efficiency of a launch system. An effort is presented here to improve the coupling results in the enhancement of the flyer velocity for a given pulse energy. An optimum energy conversion between laser energy and kinetic energy of the flyer is achieved through a black paint coating technique as opposed to a more conventional means of a multi-layered approach requiring electron beaming or magnetron sputtering that are rather expensive and time consuming. The mini flyer flown under 1.4 km/s showed a controlled flight trajectory without fragmentation, suggesting that performance of this simple system is competitive to if not better than other attempts by the multi-layered LDF systems.     

纳秒激光冲击加载的全过程诊断

 与传统的冲击加载方式相比,激光驱动试样具有微尺寸（直径小于1 mm,厚度约10 μm）、超短作用过程（纳秒量级）等特点,但其速度变化历史的实时诊断颇为困难,因此发展适用于激光驱动的高时空分辨率的实时测试技术是十分重要和有价值的。采用桌面式脉冲Nd:YAG激光器作为加载平台,发展了激光加载下的小焦点多普勒光纤探针测量系统（焦斑直径约200 μm,时间分辨力约50 ps）,成功实现了从激光脉冲驱动微尺寸飞片飞行直至撞击Z-切石英试样的全过程实时诊断。实验结果显示,将6 μm 厚Al箔飞片驱动至2.48 km/s时,撞击Z-切石英试样的粒子速度为1.27 km/s,与Hugoniot理论计算结果相符,表明该测试技术是可靠、有效的;多层薄膜靶结构设计（基底/烧蚀层/硅油/Al箔）可提升激光与靶物质的能量耦合效率,使飞片保持更好的宏观完整性。为开展超短脉冲激光加载下材料动态特性研究提供了一种有效的技术途径。     

基于聚龙一号装置的超高速飞片发射实验研究进展

磁驱动加载技术通过脉冲功率源将超大脉冲电流加载到实验负载区,从而形成随时间平滑上升的磁压力,实现对样品的准等熵压缩和超高速飞片发射.本文基于聚龙一号装置的输出特性参数,依次从负载结构、电极尺寸、电流波形和诊断系统等方面,分别设计完成了两种负载构型的超高速飞片发射实验.其中应用单侧带状负载发射尺寸Φ10 mm×0.725 mm的LY12铝飞片速度达到11.5 km/s,磁驱动加载压力近0.9 Mbar.比较模拟计算与实验结果,飞片发射过程和最终速度基本一致.而进一步的模拟计算表明,优化的负载结构尺寸和电流波形调节方案下,将有望发射尺寸Φ8.5 mm×1 mm的铝飞片速度超过15 km/s.从模拟设计到实验开展,已初步掌握了基于多支路脉冲功率发生器的超高速飞片发射实验技术.     

激光驱动飞片超高速发射技术实验研究

 介绍了影响激光驱动超高速发射技术的各种因素。分析了激光能量、激光光束空间分布对飞片发射速度及完整性的影响和飞片靶镀膜工艺对飞片速度及完整性的影响。结果表明：空间分布为“平顶型”的激光束有利于发射出完整的飞片。在膜与基底之间增加过渡层Cr可以大大提高膜与基底之间的附着力,从而提高飞片的发射速度。实验上利用波长1 064 nm、脉宽10 ns、能量835 mJ的激光使厚度5 μm、直径1 mm的铝飞片的发射速度达到10.4 km/s。大大提升了对微米级空间碎片速度的发射能力。     

一种新的线成像激光干涉测速系统

 设计并搭建了一种新的线成像激光干涉测速系统,用于小样品材料的冲击波诊断或飞片速度测量。系统采用梳状干涉条纹做为信号载体,利用1维光纤阵列＋光电倍增管＋数字示波器替代变像管扫描相机作为记录设备,记录伪推挽四路干涉信号,实现1 ns时间分辨和86 μm空间分辨。用它测量了脉冲激光驱动铝膜飞片的速度场,获得对比度较好的信号,数据处理结果揭示了飞片加速过程将近20 ns,飞片的平面度为14.8 mrad。实验证明,该线成像激光干涉测速系统具有一定实用性。     

自由面被烧蚀磁驱动飞片的数值模拟

为了理解磁驱动飞片自由面烧蚀的机理、自由面被烧蚀后飞片的物质状态、自由面被烧蚀后激光速度干涉仪(VISAR)测量的机理等,采用磁驱动数值模拟程序MDSC2对聚龙一号装置上PTS-151发次磁驱动飞片实验中370 m厚飞片进行了模拟和分析。数值模拟表明,334 ns之前飞片自由面部分保持固体状态,334 ns之后飞片自由面部分已经熔化,到340 ns后整个飞片都被熔化。飞片自由面烧蚀的主要机制是电流焦耳加热,热扩散和压缩做功的贡献很小。数值模拟的固体密度反射面速度历史和VISAR测量的速度历史一致。飞片自由面熔化后,VISAR测量的速度是距离自由面最近的固体密度反射面的速度。     

激光驱动飞片的线面成像VISAR测速技术

以激光驱动飞片速度场诊断为例,展示线面同时成像任意反射面速度干涉仪(VISAR)技术在超高速碰撞研究中的应用前景。将传统VISAR改为成像干涉结构,用变像管扫描相机和高速光电分幅相机分别记录作为信号载体的梳状干涉条纹随时间的变化,实现靶面一条线上各点速度历程和多个时刻二维靶面上所有点速度相对分布的测量。所研制的线面同时成像VISAR具有10μm的空间分辨和约15m/s的速度分辨能力。用其测量了激光驱动铝膜飞片的速度场,直观给出飞片的演化发展过程。实验结果表明,线面同时成像VISAR技术可以为激光驱动飞片、超高速碰撞等领域的理论研究和数值模拟提供有效比对实验数据。