X射线辐射驱动冲击波的实验测量与分析

在腔内充CH发泡材料,提高辐射驱动冲击波的平面性.利用楔形铝膜测量辐射驱动冲击波发 光信号的条纹图像,从而获得冲击波速度和冲击波压力.利用冲击波速度与辐射温度的定标 关系,求得辐射温度. 关键词：     

"三明治"靶型在间接驱动冲击波实验中的应用

间接驱动方式具有提供更高冲击波压力的潜力,对冲击波物理研究来说是一种很好的驱动方式.针对间接驱动下X射线离化对透明窗口造成的致盲问题,提出了新的"三明治"靶型结构,以完成间接驱动下冲击波实验.该靶型可以用两种方法避免致盲效应对实验的干扰.一种方法是从时间上避开致盲效应,使致盲效应与冲击波测量区错开,从而获得冲击波数据.另一种方法是从强度上屏蔽X射线,将X射线阻挡在透明材料之前,使其不能产生致盲效应.对单冲击实验而言,用增加烧蚀层厚度的方法,将X射线离化效应与冲击波信号从时间上错开,获得了蓝宝石和石英晶体中冲击波实验的结果.用增加阻挡层的方法,获得了间接驱动条件下石英晶体和聚苯乙烯材料中的冲击波实验结果.提出的"三明治"靶型,为间接驱动条件下状态方程和冲击波调速技术提供了技术支持. 关键词： 冲击波 光学诊断 离化效应 干涉仪     

ZnS:Cu力致荧光薄膜在冲击压力作用下的光学响应规律及应用

力致荧光材料因具有发光亮度强、力致响应灵敏度高、稳定性良好以及无需外加电压或紫外光照射激活等特性而被广泛应用于应力传感、应力记录等领域。然而,国内外对力致荧光材料的动态冲击特性鲜有研究。通过高温固相烧结法制备了ZnS:Cu粉末,并利用X射线衍射仪、拉曼光谱仪、扫描电子显微镜和X射线光电子能谱仪对其进行了表征。结果表明,ZnS:Cu粉末晶体具有纤锌矿结构,平均颗粒大小约为20μm。然后,通过ZnS:Cu粉末与水玻璃的混合物在靶板上涂覆形成约50μm的力致荧光薄膜。此外,通过轻气炮平板撞击实验,得到ZnS:Cu力致荧光薄膜的输出电压信号与冲击压力呈线性关系,与理论分析结果一致。最后,提出了两种基于力致荧光薄膜的测试方法:多点冲击压力测试方法和冲击波到达时间测试方法。其中,多点冲击压力测试方法可用于微小尺度以及大尺度炸药装药爆轰压力分布式测量,冲击波到达时间测试方法可用于冲击波速度和冲击波波阵面形状等参数的测量。     

激光驱动冲击波在铝-金阻抗匹配靶中的传播稳定性

 针对神光Ⅱ第九路激光条件，利用1维JB程序和多台阶靶技术对冲击波在铝 金阻抗匹配靶中的传播稳定性进行了理论和实验研究，实验结果与理论结果基本吻合。结果表明，激光驱动冲击波在铝 金阻抗匹配靶中传播时，高阻抗待测材料金中的冲击波稳定传播最大距离急剧减小。因此，在进行铝-金阻抗匹配靶物理参数设计时，应保证高阻抗材料金台阶厚度满足冲击波传播稳定性，然后再按照阻抗匹配实验中两种材料的冲击波速度比来确定低阻抗标准材料铝的台阶厚度。根据神光Ⅱ第九路激光条件，铝-金阻抗匹配靶中铝基底厚度选取为30 μm左右较好，金台阶和铝台阶厚度应分别小于10 μm和17 μm。     

Z箍缩装置的单色背光成像

 基于晶体布拉格衍射理论,搭建了X射线背光成像系统,核心色散元件为α-石英球面弯曲晶体。在中国工程物理研究院流体物体研究所“阳”加速器上进行了单色X射线背光成像实验,背光源为箍缩负载Al丝阵聚爆产生的激光等离子体X射线,成像物体为厚度100 μm的不锈钢网格阵列,接收装置得到Al丝阵聚爆的等离子体X射线2维分辨的空间单色成像,其空间分辨力为75 μm。目前实验中采用Al膜作为滤片,对Al的类He跃迁辐射线系都有吸收,得到的背光成像信噪比较小。     

超高压下冲击波速度直接测量技术

针对超高压下透明材料的高压离化机理,分析了透明材料中冲击波直接诊断技术的基本方法. 利用Drude-自由电子气模型,分析了不同冲击压力下冲击波阵面反射率的变化. 从理论上比较了不同探针光波长反射率的区别,发现探针光波长为660 nm时比探针光波长为532 nm时获得的冲击波阵面反射率要高. 对探测器"致盲"问题也进行了研究. 通过分析反射信号的时间顺序和强度大小,发现"致盲"效应是由X光对透明窗口离化引起的. 同时,发现方波驱动脉冲平台的前沿到达时刻和X光离化效应出现的时刻相同,冲击波信号到达时刻晚于X光离化时刻. 通过实验结果,得到蓝宝石中冲击波速度为35 km/s时,其波阵面的反射率约为40%. 通过理论分析和实验数据比对的方法,验证了蓝宝石中的减速曲线. 给出了加蓝宝石窗口后的测速公式. 经过和实验对比,确认了测速公式的正确性. 关键词： 冲击波 光学诊断 成像 干涉仪     

纳米厚度贫铀/Au多层膜的制备及特性研究

理论和实验研究表明,纳米厚度周期调制的贫铀(DU)/Au多层膜材料具有高效的激光X射线转换效率. 采用交替磁控溅射制备纳米厚度的DU/Au平面多层周期结构,通过白光干涉仪、扫描电子显微镜、 X射线光电子能谱对DU/Au多层膜的几何参数、表面形貌、成分以及界面形貌进行表征.实验结果表明: 8 nm为Au连续成膜的厚度阈值,结合理论计算最优化原子配比,选取DU层厚度为30 nm、 Au层厚度为8 nm的调制周期结构;实测周期厚度为37 nm;扫描电子显微镜照片显示DU/Au分层明显; X射线光电子能谱深度刻蚀分析表明DU/Au界面处存在扩散, DU, Au, O三者原子比为73:26:1; 由于团簇效应, Au原子4f电子结合能向高能端移动,没有观察到DU相应的电子结合能移动现象.     

诊断LiF单晶弹性变形的瞬态X射线衍射

利用瞬态X射线衍射技术对LiF单晶沿晶向[100]方向冲击加载的晶格变形进行了诊断研究。实验在神光Ⅱ装置的球形靶上进行,北四路激光驱动Cu靶获得的类He线作为X射线背光源,第九路为加载光源,对大小为7mm×7mm、厚300μm的受激光加载的LiF单晶衍射,实验获得了LiF单晶晶面(200)压缩和未压缩状态的衍射信号。实验结果表明:LiF单晶在激光沿[100]方向冲击加载下,晶格发生了弹性变形,(200)晶面间距变小,衍射线上移,晶格压缩量为11%;该瞬态X射线衍射技术可用于冲击加载下的微观动态响应特性测量。     

自支撑CsI/PC膜及其X射线光电转换性能研究

为了获得大面积自支撑的高效率X射线光电转换材料,通过化学气相沉积和热蒸发镀膜工艺,制备出了大面积自支撑的CsI/PC膜,其中PC(聚碳酸酯)膜厚度为300nm,CsI膜厚度在100nm到1μm。通过扫描电镜、X射线衍射仪研究了镀膜速度和受潮对样品表面形貌结构的影响。利用MANSON光源的X射线对不同沉积速率和受潮程度的样品的X射线转换效率进行了研究。在北京同步辐射装置标定了样品X射线光电转换效率,其响应灵敏度峰值大于3000μA/W;将样品作为X射线光电阴极应用在X射线条纹相机上,在神光Ⅲ主机平台上获得了清晰的X射线图像。     

Al窗Ag靶微型透射式X射线管模拟与性能分析

微型透射式X射线管广泛应用于能量色散X射线荧光分析领域,具有体积小、功耗低、X射线发射效率高等特点,可作为手持式X射线荧光分析仪器的激发源。目前常用铍(Be)作为出射窗材料,成本高,而且有毒性。同时为减少低能散射射线,在射线管前端放置铝(Al)作为过滤窗。本文拟采用Al为微型透射式X射线管出射窗材料,透射高能射线,屏蔽低能散射射线,降低制作成本和难度。文中采用蒙特卡洛模拟软件MCNP5模拟计算不同银(Ag)靶厚度和Al窗厚度的X射线管输出谱。结果表明,Al窗对低能射线的屏蔽作用强于对高能射线的屏蔽作用,在Al窗厚度超过1.5 mm时,低能射线完全被屏蔽,高能射线有部分透射。通过和已有研究成果[1,5]对比分析,在Ag靶厚度为2 μm,Al窗厚度为0.8 mm时,低能射线所占的比例仅为0.087 8%,高能射线产生率为0.002 73%,既能有效屏蔽低能射线,又能保证高能射线较高的出射率,能够满足野外现场能量色散 X射线荧光分析的需要。     

“闪光二号”电子束辐照平板靶产生热击波的实验研究

 热击波是电子束辐照靶材料时在其内产生材料响应的一个重要力学现象。论述了近两年来我们在“闪光二号”装置上进行电子束辐照平板靶产生热击波的实验研究。使用的靶厚为2.8~6.5 nm,靶材为LY-12铝,靶上能通量为87~152 J/cm²。实验结果表明,实测热击波应力峰值为0.35~2.0 GPa,热击波平均作用时间约为0.29 μs,均半高宽约为0.14 μs,平均上升时间约为0.10 μs。     

基于速度干涉仪的冲击波精密调速实验技术研究

冲击波精密调速技术是惯性约束聚变研究的关键技术之一. 针对冲击波精密调速诊断技术的要求, 以神光III原型上脉宽为3 ns的两台阶整形激光脉冲为源, 用石英晶体做窗口材料, 模拟了双冲击在石英晶体中传输和追赶的过程. 利用两发典型双冲击波调速的实验数据, 验证了神光III原型具有的精密调速能力. 实验结果表明, 在驱动源、 靶和诊断系统参数一致的条件下, 两发实验获得的实验结果中两次冲击出现的时刻, 冲击波速度都很一致. 通过精细分析, 发现在两次冲击交会的时刻, 干涉条纹清晰度和完整性变化最大, 最终数据处理获得的冲击波速度偏差也最大. 同时, 在二次冲击的冲击波速度有较大增加的条件下, 并没有观察到冲击波阵面的反射率的明显增加. 本文的实验结果作为一个数据依据, 为全面开展冲击波调速实验提供了有效的方法.     

基于神光Ⅲ原型的双轴速度干涉仪

在激光惯性约束聚变研究中不对黑腔和靶丸做额外处理的条件下,靶丸的早期驱动对称性一直缺少直观的观测手段.介绍了基于神光III原型装置发展的双轴任意反射面速度干涉仪技术及相应的实验结果.通过在靶丸内部安装小反射镜的方式,获得靶丸赤道及极区的冲击波速度历程.根据材料的反射率及其受X射线的影响程度,确定Al为现阶段反射镜的合适材料.对汇聚几何效应下的数据判读问题进行了分析,发现靶装配精度对该技术的影响很大.通过实验完成了双轴VISAR诊断技术的探索,可为进一步发展双轴速度干涉仪和多轴速度干涉仪的工作提供参考.     

Nanodomain shock wave in near-field laser–material interaction

In this work, molecular dynamics simulation is conducted to explore the shock wave phenomena in a nanodomain in near-field laser–material interaction. A large system consisting of over 800,000 atoms is studied. The work focuses on the kinetic and physical properties of the disturbed gas compression driven by the high speed movement of the molten particulates ejected from the solid target in a nanodomain. The quick interaction between solid and gas atoms compresses the gas and forms a steep shock wave front, which moves at a supersonic speed. The fast compression of gas also induces a steep interface of density, temperature and pressure distribution, which is viewed as typical characteristics of nanoscale shock waves. Evolutions of shock wave front position, velocity and Mach number are also explored and show quick decay during wave propagation.     

Dynamics evolution of shock waves in laser–material interaction

In this work, the dynamics and internal structure of shock waves in picosecond laser–material interaction are explored at the atomistic level. The pressure of the shock wave, its propagation, and interaction zone thickness between the plume and ambience are evaluated to study the effect of the laser absorption depth, ambient pressure, and laser fluence. Sound agreement is observed between the MD simulation and theoretical prediction of shock wave propagation and mass velocity. Due to the strong constraint from the compressed ambient gas, it is observed that the ablated plume could stop moving forward and mix with the ambient gas, or move backward to the target surface, leading to surface redeposition. Under smaller laser absorption depth, lower ambient pressure, or higher laser fluence, the shock wave will propagate faster and have a thicker interaction zone between the target and ambient gas.     

Phase change and stress wave in picosecond laser–material interaction with shock wave formation

When background gas is present in pulsed laser–material interaction, a shock wave down to the nanoscale will emerge. The background gas will affect the phase change and explosion in the target. This study is focused on the void dynamics and stress wave in a model material (argon crystal) under picosecond pulsed laser irradiation. Our results show that existence of ambient gas and the shock wave significantly suppresses the void formation and their lifetime. Void dynamics, including their growing rate, lifetime, and size under the influence of ambient gas are studied in detail. All the voids undergo an accelerating and decelerating process in the growth. The collapsing process is almost symmetrical to the growing process. Higher laser fluence is found to induce an obvious foamy structure. Stress wave formation and propagation, temperature contour, and target and gas atom number densities are studied to reveal the underlying physical processes. Although the interaction of the plume with ambient gas significantly suppresses the void formation and phase explosion, no obvious effect is found on the stress wave within the target. Very interestingly, secondary stress waves resulting from re-deposition of ablated atoms and void collapse are observed, although their magnitude is much smaller than the directly laser-induced stress wave.     

冲击波处理45钢的微结构研究

 利用二级轻气炮驱动弹丸的高速碰撞，向45钢材料试件中传入冲击波。利用显微硬度计、扫描电镜与透镜电镜，观察冲击波处理后45钢的显微硬度和细微观组织结构。观察分析结果表明，冲击波引起了45钢中珠光体内片状渗碳体的孪晶，并在铁素体内造成高密度的位错与位错胞。在铁素体中，除α相外，还观察到另外一个相，这个相有待进一步辨别。     

Time-resolved shadowgraphs and morphology analyses of aluminum ablation with multiple femtosecond laser pulses

Aluminum ablation by multiple femtosecond laser pulses is investigated via time-resolved shadowgraphs and scanning electron microscope(SEM) images of the ablation spot. The spatial distribution of the ejected material and the radius of the shock wave generated during the ablation are found to vary with the increase in the number of pulses. In the initial two pulses, nearly concentric and semicircular stripes within the shock wave front are observed, unlike in subsequent pulses. Ablation by multiple femtosecond pulses exhibits different characteristics compared with the case induced by single femtosecond pulse because of the changes to the aluminum target surface induced by the preceding pulses.     

Shadowgraph investigation of plasma shock wave evolution from Al target under 355-nm laser ablation

The propagation of a plasma shock wave generated from an Al target surface ablated by a nanosecond Nd:YAG laser operating at 355 nm in air is investigated at the different focusing positions of the laser beam by using a time-resolved shadowgraph imaging technique. The results show that in the case of a target surface set at the off-focus position, the condition of the focal point behind or in front of the target surface greatly influences the evolution of an Al plasma shock wave, and an ionization channel forms in the case of the focal point set in front of the target surface. Moreover, it is found that the shadowgraph with the evolution time around 100 ns shows that a protrusion appears at the front tip of the shock wave if the focal point is at the target surface. In addition, the calculated results of the expanding velocity of the shock wave front, the mass density, and pressure just behind the shock wave front are presented based on the shadowgraphs.