冲击波作用下CHBr／NaCl界面热弛豫特性研究

非透明材料冲击温度测量是通过对界面光辐射历史的观察实现的,因此对界面光辐射历史的研究是非透明材料冲击温度测量的基础。但由于冲击阻抗的失配导致界面上出现波的反射而引起温度的变化与界面热流动产生的温度变化交杂在一起,以及过程的瞬时性,使得对这一过程的实验研究显得非常困难,设计了一种界面波阻抗近似相同的特殊实验装置,用光辐射测量技术研究了在冲击压缩下CHBr3/NaCl界面的热弛豫过程,实验结果和理论分析表明CHBr3/NaCl界面的热弛豫时间在纳秒量级,与Grover等人的理论预估一致。     

冲击状态下仍透明材料的冲击温度测量

 在对冲击作用下界面热传导特性进行分析的基础上,提出了一种在透明材料前加一高发射率特殊填层材料,通过其与透明材料的热平衡温度来确定透明材料的冲击温度的测量方法,并对氯化钠单晶在41 GPa压力下的冲击温度进行了测量。初步实验结果表明,用这种方法测量透明材料的冲击温度是可行的。     

利用液体夹心法测量LiF单晶高压热导率

提出了液体夹心法热导率测量技术, 采用CHBr3液体作为夹心材料实现了样品/窗口界面的理想接触, 并将动载荷作用下的夹心法高压热导率实验测量压力下限拓展至40 GPa, 为绝缘介电晶体高温高压热导率测量提供了技术支持. 实验利用平面碰撞和DPS测试技术, 结合液体夹心法实测了LiF单晶高压热导率数据, 对现有热导率理论模型进行了研究和探讨, 结果显示, 在γ/γ0=(ρ0/ρ)2时, 修正后的Roufosse理论公式与实验数据符合较好, 这一研究结果为非透明材料冲击波温度测量中的热传导修正提供了实验数据和理论模型。     

冲击压缩下NaCl单晶光辐射特性的研究

 用光辐射技术研究了氯化钠单晶冲击压缩下的光辐射特性,得到了在45～70 GPa压力范围内NaCl单晶的光谱吸收系数随冲击压力的变化,把这一结果与Kormer等人的结果比较,发现在较低压力下与Kormer等人的结果相差较少,当压力较高时实验结果比Kormer等人的结果约大1个数量级。并用实验结果计算了电子迁移率随冲击温度的变化,得到的结果与Ziman理论基本一致,从而解决了一直来Kormer的实验结果与Ziman理论不一致的困难,进一步证明了Ziman理论的正确性。     

利用液体夹心法测量LiF单晶高压热导率简

提出了液体夹心法热导率测量技术,采用CHBr3液体作为夹心材料实现了样品/窗口界面的理想接触,并将动载荷作用下的夹心法高压热导率实验测量压力下限拓展至40GPa,为绝缘介电晶体高温高压热导率测量提供了技术支持.实验利用平面碰撞和DPS测试技术,结合液体夹心法实测了LiF单晶高压热导率数据,对现有热导率理论模型进行了研究和探讨,结果显示,在γ/γ0=(ρ0/ρ)2时,修正后的Roufosse理论公式与实验数据符合较好,这一研究结果为非透明材料冲击波温度测量中的热传导修正提供了实验数据和理论模型.     

氟化锂和蓝宝石单晶冲击消光及其对辐射测温的影响

采用冲击波压缩原位光源技术结合时间分辨多波长高温计测量,研究了氟化锂和蓝宝石单晶样品的冲击消光现象,实验压力范围50~183GPa,中心波长覆盖254~800nm。结果表明,氟化锂单晶样品在实验压力下透过率变化不大,对界面温度的拟合值影响不明显,只是使表观发射率略有下降;当压力低于90GPa时,蓝宝石的消光情况同氟化锂接近,对界面温度的拟合影响也不明显;而当压力高于99GPa时,蓝宝石呈现明显的消光衰减现象,实验测定的消光系数随压力增加而增加,与波长间呈反比关系,与文献报道250GPa高压消光特性一致。研究还发现,蓝宝石窗高压消光行为对界面温度的测量存在较大的影响,使得拟合温度明显偏低。本文研究对发展非透明材料冲击测温技术具有一定的参考价值。     

氟化锂和蓝宝石单晶冲击消光及其对辐射测温的影响

采用冲击波压缩原位光源技术结合时间分辨多波长高温计测量,研究了氟化锂和蓝宝石单晶样品的冲击消光现象,实验压力范围50～183了GPa,中心波长覆盖254～800 nm.结果表明,氟化锂单晶样品在实验压力下透过率变化不大,对界面温度的拟合值影响不明显,只是使表观发射率略有下降;当压力低于90GPa时,蓝宝石的消光情况同氟化锂接近,对界面温度的拟合影响也不明显;而当压力高于99 GPa时,蓝宝石呈现明显的消光衰减现象,实验测定的消光系数随压力增加而增加,与波长间呈反比关系,与文献报道250 0Pa高压消光特性一致.研究还发现,蓝宝石窗高压消光行为对界面温度的测量存在较大的影响,使得拟合温度明显偏低.本文研究对发展非透明材料冲击测温技术具有一定的参考价值.     

金属冲击温度的辐射法测量问题

 金属的冲击温度及熔化温度测量对构建其完全状态方程具有重要意义。简要综述了用于金属冲击温度及熔化温度辐射法测量的一维热传导理想界面模型和非理想界面模型,并着重对模型中明示或隐含的关键假定的合理性、影响金属冲击温度与熔化温度结果的主要因素进行了分析、讨论,以期对实验数据有一个合理的评估。还讨论了求解理想和非理想界面模型一维热传导方程界面温度时所隐含的冲击压缩下热导率不随温度而变、冲击压缩下金属样品/窗口界面辐射的灰体假定,以及窗口材料的透明性、非理想界面模型中表观界面温度的修正、动载条件下金属高压熔化温度的测量、界面的非Flourier热传导等问题。分析结果表明,目前采用辐射法测量大致可以得到冲击温度,在发生熔化的情况下可获得熔化温度,但离精密测量的要求还有较大差距。     

固定温度界面对相变波传播规律的影响

冲击载荷作用下,相变波的传播及相互作用是一热力耦合过程。采用理论和实验相结合的方法研究了固定温度界面对相变波传播特性的影响。首先基于形状记忆本构模型和一维特征线理论分析了各类间断面和温度界面的基本相互作用规律,发现温度界面对相变波的作用与相变波强度及界面两侧温度的相对高低有关;然后进行了相变波在具有固定温度界面的形状记忆TiNi杆中的传播实验,并实时测量了相变波传播过程中的温度变化。实验结果与理论分析基本一致,冲击载荷作用下相变波不仅是物质间断面,还是移动的温度界面。     

冲击压缩下金属/窗口界面热弛豫过程的热阻模型研究

 研究了金属/窗口界面在冲击压缩下的热弛豫过程。从热阻模型出发，给出了弛豫时间常数与界面热阻以及材料热输运系数之间的函数关系。讨论了本文模型与Grover和Urtiew模型之间的关系。对两种不同的实验记录图像进行了解释，对产生界面热阻的原因进行了初步分析。     

金属的冲击波温度测量（Ⅳ）——“三层介质模型”及其应用

 重点讨论了非理想界面对利用辐射法测量金属的冲击波温度的影响,建立并给出了“三层介质模型”的热传导方程的普适解析解,分别将该解析解应用于块状金属样品的冲击波温度测量、“热阻模型”以及利用对称夹心装置测量蓝宝石单晶的高压热传导问题;重点研究和讨论了利用块状样品进行金属材料冲击波温度测量的原理和可能性,以及在利用块状样品进行金属材料冲击波温度测量时实验装置设计应该满足的要求。“三层介质模型”的分析表明：只要块状样品与透明窗口之间的间隙尺度小于1.0 μm（最好小于0.5 μm）,则“样品/窗口”界面的温度在大约几十纳秒的时间内即可从尖峰温度衰减到与理想界面温度相当接近的值。根据“样品/窗口”界面的这一热弛豫特性,可以直接利用块状金属样品测量冲击波温度而不必采用镀膜技术。给出了利用块状铁陨石样品和单晶蓝宝石（Al₂O₃）窗口进行冲击波温度测量的初步实验结果,与三层介质模型的预期结果符合得很好。     

金属冲击温度测量中金属/窗口界面表观光谱辐亮度的再研究

 在冲击压缩下，理想接触的金属/窗口界面温度历史是时间无关的，因而一般认为界面的表观光谱辐亮度也是时间无关的。研究表明：（1）在冲击压缩下，将伴随金属对光的吸收系数减小和光学厚度增大。因此，在考虑辐射输运效应后，理想接触的金属/窗口界面处的表现光谱辐亮度是时间相关的。非常明显的时间相关过程自冲击波到达界面后持续约10 ns。（2）若把存在空间温度梯度的金属界面辐射看作是透光厚度内平均温度的等效辐射效应，其结果与辐射输运效应的计算结果是很相近的。     

Problems of shock temperature measurements for metals by using optical radiometry method

Abstract

Several problems encountered in shock temperature measurements for metals using optical radiometry were discussed in detail. The influences of the driver/film gap upon the observed interface temperature history were formulated analytically, and the temperature relaxation behaviors at the film/window interface were also characterized. We found that the energy deposition at the driver/film gap would influence to varied degrees the film/window interface temperature profile unless the film deposited on the window can be regarded to have an infinite thickness. Modeling calculations showed that at shock pressures of a few megabars, the observed interface temperature of iron would be at least 300–600 K higher, relative to the prediction from the Grover model, provided that the gap and film were both 1 ～ 2 pm thick. Additionally, a metal-plate sample was used to measure a reliable shock temperature based on one-dimensional heat conduction model for the plate-sample(driver)/ pm-gap/window setup we proposed. Preliminary measured results for a meteoritic iron sample (kamacite, with Fe 93.65 wt.% and Ni 6.35 wt.%) using a disc sample showed that this method was practical and effective. Finally, the “heat-resistance model” proposed by Tang et al., and the experimental measurement of the heat conductivity for a transparent window (sapphire or LiF crystal) at megabar shock pressures were discussed and commented on as well.     

激光驱动准等熵压缩透明窗口LiF的透明性

LiF在激光驱动高压实验中是比较常见的窗口材料, 其在冲击下透射或反射可见诊断光是作为窗口材料的重要特性. 在神光III原型激光装置上开展了带LiF窗口的铝样品准等熵压缩实验, 采用任意反射面速度干涉仪诊断获得准等熵压缩样品(CH/Al/LiF)的反射率. 实验结果表明在准等熵压缩后期反射率诊断出现致盲现象. 为此, 建立了带透明窗口的样品对诊断光的反射率模型, 模型考虑了窗口LiF压缩后透明性变化. 模型计算的CH/Al/LiF样品对可见光的反射率时间演化过程与实验结果符合较好. 研究结果表明: LiF中压缩波追赶逐渐形成强冲击波, 显著降低了LiF的透明性, 并最终发生致盲现象; 第一性原理方法所给出的LiF的能带间隙偏低1–2 eV; 该实验中, LiF的透明性完全消失时, LiF中波头处的温度约为1 eV, 压力为2–3 Mbar.     

金属的冲击波温度测量（Ⅰ）──高温计的标定和界面温度的确定

 讨论了金属材料冲击波温度测量中光学高温计的标定及金属样品/窗口界面温度的数据处理问题。给出了利用Planck辐射定律求解界面辐射能量及温度的方法。     

100 GPa以上冲击压力区蓝宝石的近红外发光

采用三层夹心靶结构,利用铜箔与抛光蓝宝石之间良好的接触条件,使用辐射式高温计观测到c取向蓝宝石在130～172 GPa冲击高压下的红外辐射。实验信号显示,位于近红外波段的蓝宝石冲击辐射随着压力的增加而变强;强度对比显示,蓝宝石的近红外发射强于界面发射。基于冲击作用下滑移带的温度高于冲击平衡温度的概念,将蓝宝石体内滑移带温度作为蓝宝石发射温度代入线性吸收公式,从而将蓝宝石发光强度的增加和界面冷却引起的发光强度下降相结合;将得到的界面一蓝宝石发射强度数值模拟结果与实验结果相比较,发现二者能够重合。由实验信号的上升趋势得到三个压力下0.85μm近红外波长处蓝宝石的冲击吸收系数数值。     

氙气中辐射激波的发光特性

本文模拟研究了氙气中X射线加热产生辐射激波的发光特性.辐射激波采用Zinn模型计算,并在模型中输入氙气的辐射不透明度和状态方程参数.研究发现,辐射激波伴随着丰富的光学演化过程,激波对外辐射强度表现出两个明显的亮度峰值和一个亮度极小值,辐射光谱也经常偏离黑体辐射光谱.对氙气不同位置光学特性的分析可知,激波和内部高温区的辐射吸收系数的动态演化导致了辐射激波的发光位置和辐射强度的变化.