液氘单次冲击压缩的QMC模拟研究

液氢在较宽压力与温度范围内具有复杂的物理特性,须从分子层面构建精确模型开展探索研究。利用电子-核耦合的CEIMC法模拟液氘单次冲击实验,分析了液氘冲击特性,当压力达50.3GPa时液氘具有最大压缩率4.48,在110GPa冲击压力附近未发现有压缩率急剧增大的迹象。选用合适的Al基板材料模型,建立了液氘单次压缩状态与实验条件间的关系,总结了单次冲击实验规律。得到的状态方程与现有动高压实验结果一致,也与经修正后的100GPa以上压力的Omega激光实验值吻合,说明采用基于共振价键理论的波函数后,CEIMC法可应用于液氘的冲击模拟。     

强激光加载下高压液氘材料的电导率

液氘在高压下有丰富的电学光学性质。利用反射率和相对介电函数关系并从广义极化角度出发初步建立了计算低Z材料电导率的简易模型;在神光-Ⅱ装置上利用第九路激光冲击加载液氘材料并测量了其在强激光冲击下的高压状态参数和反射率。结合上述理论模型和实验,研究了高压下液氘的电离度和电导率。结果表明,液氘在约70 GPa时的电导率约为2.87105 (Wm)-1,已呈现出较为明显的金属电导特性。显然,冲击加载下液氘从绝缘分子态开始电离并向金属氘转变发生在更低的压强。     

6H型六方钙钛矿相BaGeO3的高温高压合成

利用金刚石对顶砧高压装置,结合显微激光双面加热技术,对BaGeO_3开展了高温高压实验研究。常温常压下赝硅灰石相的BaGeO_3于12 GPa左右开始非晶化。进一步加压到22 GPa并对已完全非晶化的BaGeO_3样品进行(1 800±200) K的高温处理,拉曼光谱显示其转变成一种未见报道的高压新相。在0～17.4 GPa压力范围对BaGeO_3高压新相开展同步辐射X射线衍射测试,其衍射谱可以用6H型六方钙钛矿相进行指标化,并且卸压到常压时仍保持稳定。以6H型钙钛矿相为结构模型,分别对17.4 GPa和常压下的X射线衍射谱进行Rietveld结构精修,获得其结构参数。应用二阶Birch-Murnaghan状态方程拟合实验体积-压力数据,得到其体弹模量K0=150(2) GPa和零压晶胞体积V0=373.0(3)?3。在实验研究的基础上,对6H型钙钛矿相BaGeO_3进行第一性原理理论计算,所得不同压力下的晶格常数和体积数据与实验结果符合得很好,状态方程参数K0=153(1) GPa,V0=374.2(1)?3。20.0 GPa时计算的拉曼光谱也很好地描述了拉曼实验测量结果。研究结果补充了赝硅灰石相BaGeO_3在更高温压条件下的结构相转变。6H型钙钛矿相BaGeO_3的获得为进一步表征该相的物理化学性质奠定了基础,为开发高性能钙钛矿结构锗酸盐材料提供了可能性,同时对于理解硅酸盐钙钛矿结构的相变规律及稳定性、地球下地幔物理化学性质及其变化等具有重要的指示意义。     

窗口声阻抗对锆相变动力学的影响

基于磁驱动加载装置CQ-4开展了锆的斜波压缩相变实验,研究了锆样品后表面窗口声阻抗对相变波形的影响.实验结果显示,锆后表面为较低声阻抗窗口(自由面和LiF窗口)时,相变起始对应的特征粒子速度约331.0 m/s,而高阻抗蓝宝石窗口时,特征粒子速度约301.9 m/s,特征速度对应的压力从约9.14 GPa下降到8.27 GPa.相变对应的速度特征拐点是与多种因素相关的实验信息,因此它对应的压力并不是材料属性参数相变压力.结合基于热力学Helmholtz自由能的多相状态方程和非平衡相变动力学方程开展了锆的相变动力学数值模拟研究,相变弛豫时间为30 ns,计算结果与三种情况的实验结果符合良好,可以较好地模拟斜波压缩下锆的弹塑性转变、相变等物理过程.在压力-比容和温度-压力热力学平面,相变前锆的准等熵线与冲击绝热线差异很小,相变后准等熵线都位于冲击绝热线下方,随着压力的增加准等熵线和冲击绝线偏差越来越大,温度-压力平面中在20 GPa时相差约100 K.相变开始后,由于相变引起比容的间断,导致锆的拉氏声速迅速下降约7%,相变完成后拉氏声速恢复到体波声速.     

百吉帕压力下固态氩的状态方程

 利用最新的X光衍射实验数据和Ar原子的弹性散射实验结果，得到了Ar原子间的相互作用和350 GPa下的固态氩的状态方程。这个状态方程可以作为超高压力下的压标。在150 GPa以上的压标，是目前高压研究中急需的。固态氩既可作为准静水压传压介质，又可作为高压X光衍射中的压标使用。本文计算了固态氩的Grüneisen参数、Debye特征参数、定容比热和等温体模量随压力的变化，压力范围为0~150 GPa。     

氘平面冷冻靶制备技术研究

在激光惯性约束聚变（ICF）实验研究中,需要研究一些原子／分子（如氩、氢、氘、氚等）在低温冷冻状态下与强冲击波的相互作用,获得相关的状态方程实验数据。为此,需要创造一个稳定的低温环境,将这些在常温下为气态的原子／分子冷冻成固态或液态。美国已经建立了平面冷冻靶制备实验装置,并在OMEGA实验装置上利用液氘平面低温冷冻靶获得了其状态方程实验数据。     

液氘Hugoniot曲线的理论计算

 用液体变分微扰理论加量子力学修正和指数6（EXP-6）相互作用势，计算了液氘的一次和二次冲击压力为0～80 GPa范围Hugoniot曲线。计算结果表明：冲击压力与实验符合较好。但冲击温度明显高于实验值，对其偏高的原因进行了探讨。     

LiF单晶的高压折射率及窗口速度的修正

通过平板撞击实验,采用激光干涉测试技术,研究了1 550nm波长下LiF单晶的高压折射率与窗口速度的修正关系,实验压力范围为38~124GPa,拓展了现有1 550nm波长下LiF单晶的高压折射率数据,给出了124GPa压力范围内1 550nm波长下LiF窗口速度的线性修正方程。研究结果可为分析冲击压缩实验中通过加窗激光多普勒探针测试技术获得的样品界面速度的数据提供参考。     

静高压加载下LY12铝的超声测量与等温状态方程

 利用“脉冲回波重合法”测量了多晶LY12铝在流体静压加载下的纵波与横波声速随压力的变化。并根据较低压力（<0.5 GPa）下的超声测量数据所确定的零压弹性模量及其对压力的偏导数,导出了LY12铝的Murnaghan、Birch-Murnaghan、Vinet三种不同形式的等温状态方程,发现由超声测量数据导出的Vinet 状态方程能很好地描述面心立方（fcc）结构的铝与铝合金在较高压力（约200 GPa）下的压缩特性。此外,由超声数据计算了LY12铝在室温常压条件下的Debye温度为430.97 K、热力学Grüneisen系数为2.025、平均声模Grüneisen系数为2 379。     

35 GPa斜波加载下RDX单晶炸药的动力学行为

利用磁驱动斜波加载10 MA装置和激光干涉测速技术,开展了35 GPa压力下(100)晶向RDX单晶炸药的斜波压缩实验,获得了RDX单晶/LiF单晶窗口界面速度数据。实验结果显示,速度波剖面表现为明显的三波结构,由低到高依次对应弹性波、塑性波和相变波,α-γ相变的起始压力为3.1 GPa。结合修正的多相状态方程和非平衡相变动力学模型,对RDX单晶炸药的斜波压缩过程开展一维流体动力学数值模拟,模拟结果与实验结果基本一致。     

Gold under high pressure

Abstract

First principle predictions for the equation of state of gold using solid and liquid state theories are compared up to combined pressures and temperatures of 600 GPa and 17 000 K with static diamond anvil cell compression, ultrasonic measurements and shock Hugoniot data which include a recent laser driven shock Hugoniot points at 600 GPa. Excellent agreement between theoretical and experimental data is observed. The theoretically estimated 300 K isotherm agrees to within 2 GPa with the isotherm that has been measured to 70 GPa using the diamond anvil cell. The structural energy estimates show that the normal f.c.c. phase remains stable under pressure. The estimate of the shock Hugoniot temperature of gold at 600 GPa based on a liquid state model is consistent with the measurements of laser induced shock luminescence, which in fact provides an experimental determination of the temperature of gold above its Hugoniot melting point. The powerful means provided by theory in the prediction of material properties of gold at ultra high pressures and temperatures is significant because gold is an efficient converter of laser energy into soft X-rays and is a potential candidate as a standard for high pressure, high temperature work.     

长脉冲keV X射线源的辐射特征

 利用神光Ⅱ第九路2 ns长脉冲激光束作用厚钛固体靶,研究了产生的keV X射线源的辐射区域和总辐射功率的时间行为。结果表明：在长脉冲激光作用厚固体靶时,硬X射线线辐射功率的时间行为以及辐射体积的时间行为与激光脉冲波形一致;长脉冲时,等离子体2维膨胀效应非常显著,keV X射线线辐射的径向辐射区域在激光焦斑尺寸附近达到饱和,导致X射线线辐射功率出现饱和,且keV X射线线辐射的辐射体积正比于焦斑尺寸的3次方。从理论和实验角度研究了在同样入射激光能量下,辐射功率随激光焦斑尺寸的变化关系,发现keV X射线线辐射的饱和辐射功率正比于焦斑尺寸的5/3次方,理论结果与实验结果一致。并讨论了相同基频输出激光能量下,keV X射线辐射总功率随激光波长的变化关系,发现即使考虑了倍频效率的影响,短波长激光仍然有利于keV X射线的发射。     

高压条件下材料强度测量方法北大核心CSCD

在神光Ⅲ原型激光装置上开展了Al材料在高压（大于10GPa）、高应变率（10^5～10^8s^-1）的情况下材料强度特性实验方法研究。实验采用“有机材料真空间隙一样品”的靶构型（气库靶）对Al样品进行准等熵压缩，从而使Al样品的温度保持在熔点以下，材料仍具有强度特性。为了测量Al样品的RT不稳定性扰动增长，实验采用Ti作面背光材料，通过X光针孔成像获得样品的面向背光照相图像，获得了不同时刻RT不稳定性的增长因子，实验中采用连续相位板（CPP）对激光源进行了优化，提高了背光源和驱动源的均匀性。结果表明在现有高功率激光装置上可进行中z材料的RT不稳定性增长测量，验证了通过RT不稳定性增长测量来研究高压高应变率条件下材料强度的可行性。     

高压下钙钛矿结构MgSiO3的分子动力学研究

利用分子动力学方法,研究了高温高压下钙钛矿结构MgSiO3的状态方程.研究表明,分子动力学模拟结果很好地再现了广泛温度和压强范围内钙钛矿结构MgSiO3的摩尔体积.温度300 K压强上升到120 GPa模拟的钙钛矿结构MgSiO3状态方程和有效的实验结果基本一致.在更高温度和更高压强下模拟的钙钛矿结构MgSiO3状态方程和他人的计算值吻合的很好.另外,还分别计算了温度300 K,900 K,1500 K和2500 K压强上升到120 GPa时MgSiO3的体积压缩率.     

Pressure and Time Dependences of the Supercooled Liquid-to-Liquid Transition in Sulfur

Thermal behavior of bulk amorphous sulfur is investigated by in situ temperature measurements at high pressures of 0.9,1.4 and 2.1 GPa,and under different heating rates of 8,10 and 12K/min at 0.9 GPa.The results show that the onset temperature of the transition from the supercooled liquid to the liquid state for sulfur increases with the pressure and the heating rate.It is deduced that the transition does not follow the Clapeyron equation,indicating considerable coupling of the molecular structure change in the transition.Along with the data at ambient pressure and high pressure,we present a dynamic diagram to demonstrate the relationship between the amorphous solid,supercooled liquid,liquid,and crystal phases of sulfur,and suggest an experimental approach to establish pressure-temperature-time transition diagrams for supercooled liquid and liquid.     

基于神光III原型装置开展的激光直接驱动准等熵压缩研究进展

整形激光驱动准等熵压缩是高效的物质动态压缩方式,是开展材料高压压缩特性研究的重要手段.本文系统介绍了近年来基于神光Ⅲ原型激光装置开展的整形激光直接驱动准等熵压缩研究工作：创立了凝聚态物质的准等熵压缩理论模型,改进了实验设计方法和数据处理方法,掌握了制靶工艺,开展了激光加载实验并在多种靶型中实现了数百GPa的准等熵压缩.实验获取的参数范围超过传统加载方式,数据质量达到国际先进水平.     

钙钛矿（GaTiO3）高压相变及等温压缩

 高温高压条件下对钙钛矿（Perovstsite）多晶进行了研究，在金刚石压砧设备上压力条件最高达38 GPa，YAG莱塞加热温度近1 000 ℃以上，用红宝石荧光校压系统进行压力标定。实验结果表明静水压条件X射线就位测量，GaTiO₃(Ⅰ)由斜方晶系在10 GPa时直接向六方GaTiO₃(Ⅱ)结构相变，体积变化为1.6％；1 000 ℃加热及其非静水压条件下GaTiO₃(Ⅰ)由斜方晶系首先转变为四方晶系GaTiO₃(Ⅲ)转变压力为8.5 GPa，体积变化为0％，继续增加压力导15 GPa，GaTiO₃(Ⅲ)向GaTiO₃(Ⅱ')转化成六方晶系，体积变化亦为1.6％。三种高压相，在压力降到一个大气压时都会消失，所以是逆转化的非淬火相。等温压缩在标准静水压条件下进行，压力应小于10.4 GPa，K₀'=5.6时，K₀=(210±7)GPa，此数据是根据Birch-Murnaghan状态方程求得的体模量。     

磷酸盐激光玻璃聚(CH3)2 Si(OC2 H5)2防潮膜

以（CH3）2Si（OC2H5）2为前驱体,采用溶胶-凝胶与有机合成相结合的方法,制得稳定性良好的涂膜液。采用旋转涂膜法在掺钕磷酸盐激光玻璃棒端面涂制防潮膜,膜层固化后透过率达96．5％,获得的膜层表面粗糙度优良,均方根表面粗糙度（RMS）为1．659nm,平均粗糙度（RA）平均为1．321nm;在激光波长1053nm,脉冲宽度1 ns条件下膜层的激光破坏闽值可达10～14 J／cm^2。经过“神光Ⅱ”高功率激光器物理实验运行,膜层使用期为五年,并且已经在我国“神光Ⅲ”原型装置上试用。     

神光Ⅱ升级装置锥壳靶间接驱动快点火集成实验

在神光Ⅱ升级装置上完成了国际上首次间接驱动快点火集成实验。实验采用双台阶脉冲整形激光注入黑腔产生X射线准等熵压缩锥壳靶,实现了高密度压缩,然后采用皮秒超短脉冲激光注入加热燃料。实验中观测到中子产额由皮秒激光注入前的5×103增加到2.2×105,中子产额增益达到44倍,实验证实了皮秒激光具有明显燃料加热效果。该实验为进一步开展快点火热斑形成效率和相关物理研究奠定了基础。