强流脉冲离子束辐照靶材烧蚀效应二维数值研究

对强流脉冲离子束(IPIB)辐照Ti靶的烧蚀效应进行了二维数值研究.得到了表面烧蚀物质随脉冲时间的变化关系.得出TEMP Ⅱ 型加速器产生的脉冲束流辐照靶材时引起的汽、液化均是从表面开始、并且汽化过程中表面物质被层层烧蚀的结论.同时，得到中心区的平均烧蚀速度为10m/s 数量级，它远小于产生的烧蚀等离子体的喷发速度.得到脉冲期间靶材内部不同位置烧蚀斑痕形状的时间演化过程，以及束流中含有的离子种类分额不同时IPIB辐照过程产生的不同效果. 关键词： 强流脉冲离子束 靶 烧蚀过程 二维数值模拟     

烧蚀对强脉冲离子束在高分子材料中能量沉积的影响

高能量密度纳秒量级强脉冲离子束辐照材料表面的烧蚀产物和束流的相互作用,可能对束流在靶中的能量沉积产生影响,进而影响烧蚀情况下的束流分析和相关应用的优化.本文采用红外成像方法对横截面能量密度1.5—1.8 J/cm~2的强脉冲离子束在304不锈钢和高分子材料上的能量沉积进行了测量分析.结果表明在高分子材料上,在超过一定能量密度后,束流引发材料表面烧蚀产物的屏蔽效应使得大部分束流能量不能沉积在靶上.采用有限元方法对束流引发的温度场分布进行了计算,验证了高分子材料的低热导率以及低分解温度使其在脉冲辐照早期即开始热解,烧蚀产物对后续束流能量的进一步沉积产生屏蔽.此类效应在金属上存在的可能性和对束流诊断等应用的影响,亦进行了讨论.     

纳秒脉冲激光沉积薄膜过程中的烧蚀特性研究

研究了高能短脉冲激光薄膜制备的整个烧蚀过程.首先建立了基于超热理论的烧蚀模型，然 后利用较为符合实际的高斯分布表示脉冲激光输入能量密度，给出了考虑蒸发效应不同阶段 的烧蚀状态方程.结合适当的边界条件，以Si靶材为例，利用有限差分法得到了靶材在各个 阶段温度随时间和烧蚀深度的演化分布规律及表面蒸发速度与烧蚀深度在不同激光辐照强度 下随时间的演化规律.结果表明，在脉冲激光辐照阶段，靶材表面的蒸发效应使得靶材表面 温度上升显著放缓；在激光辐照强度接近相爆炸能量阈值时，蒸发速度与蒸发厚度的变化由 于逆流现象将显著放缓.还得到了考虑了熔融弛豫时间及蒸发效应的固-液界面随时间的演化 方程，这一结论较先前工作更具有普适性. 关键词： 脉冲激光烧蚀 热流方程 温度演化 有限差分法     

强流脉冲离子束与靶作用域值的研究

结合Monte Carlo 方法和热力学方法，建立了脉冲离子束能量模型以及靶材相变温度模型. 利用该模型可以确定产生喷发等离子体的域值，得到强流脉冲离子束与靶材作用过程中靶材 温度的变化规律以及形成喷发等离子体的初始温度. 关键词： 强流脉冲离子束 靶 域值 数值研究     

高强度二倍频激光辐照银薄膜靶的烧蚀和X光辐射实验研究

激光聚变物理实验中,背光透视照相是靶丸内爆动力学过程观测的重要方法. Ag是一种重要的背光材料, 激光辐照产生的等离子体可以产生强L线辐射, 研究其烧蚀和辐射特性, 对提高内爆靶丸背光透视照相的图像质量具有十分重要的意义.在神光II装置上, 采用第九路输出的2 ns, ～ 5× 10¹⁴ W/cm², 526.5 nm激光均匀辐照Ag薄膜靶, 实验研究了其烧蚀特性, 获得了银薄膜靶在激光烧蚀驱动下的飞行轨迹和飞行速度的数据. 实验结果与一维辐射流体力学模拟结果相符. 火箭模型对实验数据进行拟合, 得到了Ag材料的质量烧蚀速率和烧蚀压的数据. 采用平面晶体谱仪和X射线二极管探测器阵列观测等离子体的辐射特性, 获得了Ag等离子体辐射光谱和L线转换效率, 实验结果对激光聚变内爆靶丸背光照相的实验设计具有重要的参考价值.     

飞秒激光诱导锗等离子体辐射光谱特性

由于飞秒激光脉冲宽度小于靶材电子—晶格热弛豫时间,飞秒激光烧蚀靶材过程以及诱导击穿产生的等离子体膨胀动力学过程与纳秒激光作用过程不同,因此研究飞秒激光诱导等离子体发射光谱特性对于研究飞秒激光烧蚀机制以及飞秒激光诱导等离子体的膨胀动力学过程非常重要。Ge材料是一种常用的中远红外探测器以及光学元器件材料,对中心波长为800 nm,脉宽为50 fs的激光脉冲烧蚀空气中Ge靶材产生的等离子体发射光谱强度的时间和空间演化规律研究,并探讨了飞秒激光脉冲能量对等离子体发射光谱强度的影响规律。实验结果表明在等离子体羽膨胀初期,飞秒激光诱导Ge等离子体发射光谱主要由线状光谱和连续光谱构成,在200 ns时间内连续光谱强度逐渐减弱,线状光谱开始占主导地位。通过探测Ge等离子体的时间分辨发射光谱,随着等离子体的快速膨胀,等离子体发射光谱强度随着时间的增加呈现先增加后下降变化,在335 ns达到最大。通过探测Ge等离子体的空间分辨发射光谱,随着距离Ge靶材表面的位置增加,等离子体发射光谱强度随远离Ge靶材表面距离增加呈现先增加后下降变化,在0.8 mm位置达到最大。由于存在等离子体自吸收机制,等离子体发射光谱...     

强流脉冲离子束辐照混合双层靶的Monte Carlo模拟

采用Monte Carlo方法模拟强流脉冲离子束与铝基钛膜双层靶的相互作用.强流脉冲离子束与双层靶材相互作用过程中,随着离子的注入,高能离子束引起涂层原子与基体材料原子之间相互渗透和混合,同时离子能量沉积到靶材内一定深度,并呈规律性的空间分布.这种能量分布影响靶内两种材料的熔化或气化过程,并导致界面物质结合强度发生变化.利用建立的束流模型,计算束流在靶材内的能量沉积和分布状况及界面处级联碰撞对双层靶界面混合区的影响,得出强流脉冲离子束混合双层靶时级联碰撞不起主要作用的结论,离子流密度在100A·cm^-2~150A·cm^-2时对离子束混合最为有利.     

脉冲强激光产生的激波在靶材中的传播过程

采用一维流体动力学模型，以烧蚀压力作为已知的边界条件，分别以解析和数值计算方法，描述了短脉冲强激光辐照固态铝、铜和碳酚醛靶材时，烧蚀加载在靶材中产生的激波的增强、持续和衰减过程，给出了激波峰值压力和波形等特征参数的时空关系。     

KTN薄膜脉冲激光沉积过程的机理研究

根据能量平衡原理,导出了脉冲激光作用靶材的烧蚀率公式,并根据流体动力学理论,得出了脉冲激光产生的等离子体的空间运动特性方程,将靶材烧蚀率公式与等离子体空间动力学方程结合起来,根据实验研究了不同激光功率密度和波长对Kta_0.65Nb_0.35O₃(KTN)薄膜沉积特性的影响,得到了一些有价值的结果,并对结果进行了详细的讨论,理论计算结果与实验大体符合. 关键词： PLD技术 烧蚀率 等离子体 KTN薄膜     

蒸气压对激光辐照靶材烧蚀速率的影响

研究了强激光辐照碳/碳复合材料靶材引起的烧蚀现象及蒸气压对烧蚀速率的影响。基于傅里叶定律,建立了强激光辐照靶材的热传导模型,模拟了忽略蒸气压影响时烧蚀速率随功率的变化;通过Mott-smith近似方法描述了Knudsen层间断区域,分析了间断两侧表面粒子状态参数;结合质量连续方程和蒸气压与温度关系方程,并由气体状态方程描述蒸气流状态,对蒸气压条件下激光烧蚀碳/碳复合材料靶材的速率随功率变化的关系进行了数值模拟。结果表明,在高能激光对靶材的烧蚀过程中,蒸气压力变化会导致靶材的饱和蒸气温度发生变化,进而影响烧蚀速率且使其随功率呈非线性变化,与忽略蒸气压作用时的线性变化规律相差较大,从理论上解释了忽略蒸气压导致的实验数据与理论结果的差异。     

强脉冲离子束与新材料工艺

近几年强脉冲离子束胜材料表面改性和薄摹研究表明，强脉冲能量效应赋予离子束新的物理性质，非常有希望形成高效率、低成本的离子束工艺，为此对脉中功率密度为１０＾－６－－１０＾９Ｖ／ｃｍ＾２、脉冲宽度〉１μｓ的强脉冲子束辐照效应强脉冲离子源及其在材料研究中的应用前景进行了评述。     

脉冲激光烧蚀材料等离子体反冲压力物理模型研究与应用

分析了脉冲激光烧蚀材料等离子体等温膨胀阶段的物理特性,建立了脉冲激光烧蚀材料等离子体压力三维方程与动力学模型.应用所建模型,数值分析了单脉冲激光烧蚀青铜金刚石砂轮等离子体相关特性,得到等离子体的反冲压力最大值870 Pa出现在约25 ns后,距离砂轮表面距离约0.05 mm处.相关条件下开展脉冲激光烧蚀青铜金刚石砂轮试验,采用高速相机观测烧蚀砂轮过程中的飞溅现象;采用光栅光谱仪测量等离子体空间发射光谱,计算了等离子体电子温度、电子密度以及反冲压力.实验表明脉冲激光烧蚀青铜金刚石砂轮等离子体反冲压力可以不计,同时也验证了气体方程与动力学模型的正确性和可行性,对脉冲光纤激光烧蚀工艺优化具有启示意义.     

甘油的黏度对激光等离子体推进的影响

以液体甘油为烧蚀靶材,研究了不同环境温度下超短脉冲激光烧蚀后产生的等离子体的推进特性.实验结果表明:甘油产生的动量和烧蚀压力与环境温度密切相关,其原因是甘油的黏度受温度影响较大.     

长脉冲高能激光对金属靶材烧蚀实验研究

为研究长脉冲高能激光与金属靶材相互作用的机理,使用2种激光器对铝、钢、铜和钛靶材进行烧蚀试验。记录靶材穿透时的激光轰击次数,测量穿过通孔的激光能量和孔的面积,得到不同材料在不同能量密度下的烧蚀率。实验表明：能量密度低的激光束,即使对靶材可能有烧蚀作用,它的烧蚀率要比能量密度高的激光束小很多。能量密度达到造成液态质量迁移条件的长脉冲激光,可获得较大的烧蚀率和截面积较大的通孔。     

脉冲强激光辐照下材料响应的非傅里叶效应

 研究了在多脉冲强激光辐照下靶材的热传导与热冲击特性。基于非傅里叶导热定律和热弹性理论,推导出多脉冲激光辐照下靶材温度场和热应力场的解析式;结合适当的边界条件,以不锈钢靶材为例,利用有限差分法和Matlab计算得到了多脉冲强激光辐照下靶材内部过余温度随时间和深度演化情况以及内部热应力的演化规律。计算结果表明：多脉冲激光辐照下靶材热响应在离边界不同截面处温度波形变化出现延迟性,其滞后性能与弛豫时间有关;非傅里叶解中应力波的波前十分陡峭,具有明显的热冲击性。     

铸态AZ31镁合金强流脉冲离子束改性

利用强流脉冲离子束（C+,H+）对变形镁合金AZ31的压铸件靶材分别进行1,5,10,20,30,50和100次辐照实验,分析辐照前后表面形貌和相组成,并检测辐照表面及横截面沿深度方向显微硬度。结果表明:HIPIB辐照次数对靶材形貌影响较大,多次辐照使靶材熔坑呈周期性变化趋势;-Mg17Al12相弥散分布于-Mg相中。1～30次辐照,表面显微硬度提高,其主要原因为晶粒细化及微应变导致的晶体缺陷;30～50次辐照,显微硬度显著降低,其原因在于晶体缺陷的演变,如位错移动导致的小角度晶界形成,甚至出现回复再结晶过程;50～100次辐照表面显微硬度略有降低,其原因在于辐照表面组织结构及热力学行为达到稳定态。辐照效应形成冲击应力波导致长程硬化,20次辐照的横截面显微硬度在距表层30 m和240 m处分别达到极大值1.0 GPa和1.3 GPa。     

强脉冲CO_2激光对红外材料的破坏现象

实验表明强激光对红外材料的破坏分为两种类型:烧蚀和冲击破坏。在空气中,光功率密度低于大气的光学击穿阈值时,以烧蚀为主。超过击穿阈值时,冲击破坏是主要的。在我们的实验条件下,用强激光辐照红外脆性材料的靶,靶极易产生微裂纹或粉碎性破坏,其破坏效果与激光的脉冲能量、功率密度、脉冲宽度,以及着靶面积有关。为了直观,文中给出了不少辐照损伤的照片。     

靶材吸收率变化与烧蚀过程熔融前靶材温度分布

讨论了脉冲激光沉积法中烧蚀阶段熔融前靶材吸收率的变化对于其温度分布的影响. 给出了靶材吸收率随时间的变化规律，并在此基础上，利用较为符合实际的高斯分布表示脉冲激光输入能量密度，建立了相应的热传导方程. 结合适当的边界条件，利用有限差分法，以硅靶材和钨靶材为例，给出了靶材熔融前温度分布随时间和深度变化的演化分布规律，同时对相关过程的物理图像进行详细的讨论.对于吸收率的变化与脉冲激光能量密度的分布对于相应过程的影响，进行了分析讨论. 结果表明，在脉冲激光中间的持续过程中，忽略靶材吸收率的变化对于最终的模拟结果有重要影响，从而导致理论结果与实验数据有较大差异. 关键词： 脉冲激光沉积 吸收率 有限差分 温度演化     

强脉冲CO2激光对红外材料的破坏现象

实验表明强激光对红外材料的破坏分为两种类型:烧蚀和冲击破坏。在空气中,光功率密度低于大气的光学击穿阈值时,以烧蚀为主。超过击穿阈值时,冲击破坏是主要的。在我们的实验条件下,用强激光辐照红外脆性材料的靶,靶极易产生微裂纹或粉碎性破坏,其破坏效果与激光的脉冲能量、功率密度、脉冲宽度,以及着靶面积有关。为了直观,文中给出了不少辐照损伤的照片。 关键词：     

超短脉冲激光烧蚀金属靶热分布的数值解与解析解

研究了超短脉冲激光烧蚀靶材的整个过程,对描述超短脉烧蚀过程热行为的双温度方程进行了分析简化,得出了超快激光烧蚀金属材料的解析解. 以铜靶材为例,对双温度模型的数值解与解析解做了对比分析,得到了靶材温度随时间和深度的变化规律,结果显示解析解的计算结果比较好的符合了数值解的计算结果.