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.     

基于神光Ⅲ原型装置的激光加载条件下准等熵压缩实验研究进展

激光加载条件下的准等熵压缩实验逐渐受到重视.在间接驱动方式下,利用气库靶的方式可以获得准等熵压缩的实验数据.自由面速度和界面速度是两种常用的准等熵压缩诊断对象.气库靶驱动准等熵压缩方式效率较低,但是对打靶激光的强度变化不敏感.长脉冲打靶的直接驱动方式驱动效率较高,但对激光强度变化非常敏感.基于神光Ⅲ原型装置,本文介绍了气库靶驱动的准等熵压缩实验靶型、部分实验结果,并分析了实验中的关键技术,为气库靶驱动准等熵压缩实验技术提供了思路.同时,介绍了长脉冲直接驱动准等熵压缩实验的靶型、典型实验结果,并分析了致盲效应的影响.利用激光直接驱动的方式,获得了三台阶Al/LiF界面的加载过程.该数据是目前国内使用该技术获得的最好数据.通过这些实验结果,证明了在神光Ⅲ原型上开展准等熵压缩实验的可行性.     

整形激光加载的一维准等熵压缩仿真

基于凝聚态物质等熵线推导了理想等熵假设前提下的加载压力和加载激光波形,进而将其作为输入条件,利用辐射流体力学程序MULTI开展了Al材料的一维准等熵压缩仿真,通过材料温度、压强、密度、粒子速度和熵增五个参量描述了准等熵加载的物理过程。结果显示得到了高等熵程度加载过程,可为即将开展的整形激光加载的准等熵实验提供参考。     

基于神光III原型的整形激光直接驱动准等熵压缩实验研究

整形激光直接驱动准等熵压缩实验技术对新材料科学、冲击波物理、地球物理学研究等领域有重要意义. 设计特定的实验条件, 可以将材料压缩到冲击压缩和等熵压缩都无法达到的状态, 从而为材料研究提供新的技术途径. 介绍了在神光III原型装置上开展的直接驱动准等熵压缩实验, 对理论基础、实验靶型、实验结果、关键技术、实验特点和数据都进行了较详细的分析. 通过实验和相应的数据处理程序, 获得了加载面上压力超过400 GPa的数据, 这是目前国际上用激光直接驱动的方式获得的Al材料中最高的压力. 同时, 对经过LiF窗口获得的表观粒子速度与真实粒子速度的关系进行了分析, 获得了一条对表观粒子速度进行动态修正的曲线, 从而使粒子速度的计算更加准确. 对实验的改进方向进行了比较明确的分析. 所提供的数据和分析过程对该领域的研究人员有一定的参考价值.     

应用于多层靶准等熵压缩实验的反积分方法

针对磁驱动和激光驱动准等熵压缩实验物理中多层结构靶设计和实验数据处理的需求,在反积分处理方法的基础上,提出了多层靶的层间传递方法,实现了多层靶内加载历史的反演计算。通过正、反积分数值实验以及激光驱动实验的正、反计算,验证了多层靶中反积分数据处理方法的有效性,在绝大部分计算范围内,多层靶的反积分处理精度可以达到1%以内。利用反积分方法开展了多层靶物理实验的波形设计,并分析了不同厚度胶层的多层靶对斜波加载实验的影响。     

万焦耳激光装置上多热力学路径高压加载技术实验研究

针对极端高压条件物质特性研究需求,在我国万焦耳激光装置上利用其高能量、高功率、任意整形长脉冲输出的技术优势先后开展了冲击压缩、准等熵压缩以及“预冲击准等熵压缩”复合热力学路径压缩等多种热力学路径的高压加载技术研究,建立了实用的高压加载设计方法,重点优化了高压加载源的平面性和干净性,发展了高压状态精密表征技术,实现了1011 Pa以上准等熵,1012 Pa以上冲击以及两种路径之间的宽区高压加载状态能力,为激光装置上的高压状态方程及相变动力学研究提供了重要的技术基础。     

电磁驱动45钢准等熵压缩的实验研究

在已有的众多准等熵加载技术中,磁驱动准等熵加载技术具有准等熵程度高、压力范围大、实验材料种类多、效费比高等特点。利用中物院流体物理研究所建成的磁驱动准等熵压缩和高速飞片实验装置CQ-1.5(最高加载压力为50GPa),成功开展了45钢的准等熵压缩实验,对装置的主要参数进行了介绍;利用激光干涉测试系统DPS获得了45钢飞片的自由面速度历史,通过反积分处理给出了材料准等熵压缩的p-V关系。通过分析实验数据,获得了45钢3种形式的等熵方程的参数。实验获得的最高等熵压力为47.5GPa。     

基于神光Ⅲ原型的激光直接驱动自由面准等熵实验研究

长脉冲激光打靶的直接驱动方式效率较高,但对激光强度变化非常敏感。利用测量自由面速度历史的方法对激光直接驱动准等熵压缩实验技术进行了分析,为改进激光直接驱动的准等熵压缩实验技术提供技术基础。介绍了国内在神光III原型装置上首次开展的激光直接驱动自由面准等熵压缩实验。对实验靶型、激光波形、典型实验结果以及实验中的关键技术进行了分析。在激光能量为1000 J的实验中,使用成像型速度干涉仪获得了较为理想的准等熵压缩条纹图。实验发现,自由面速度达到11.3 km/s时,自由面反射的探针光信号消失。通过对比Multi-1D软件的理论模拟数据与实验处理的结果,发现由于Al自由面缺少约束,这类实验会造成波系复杂化的问题,但是对主冲击的研究还是有意义的。对某些特殊材料,在很难找到阻抗匹配窗口的条件下,利用激光直接驱动方式研究材料高压响应特性提供了另一条可实施的技术途径。     

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。     

激光驱动气库靶对铝的准等熵压缩实验研究

利用激光驱动气库材料形成的等离子体射流对材料进行斜波加载, 可以获得高应变率的准等熵压缩. 在神光III 原型高功率激光装置上开展了激光驱动铝材料的准等熵压缩实验, 成像型速度干涉仪VISAR记录到样品自由面连续、光滑的速度历史, 采用反积分法得到60 GPa以上的峰值压强, 加载上升沿约10 ns,应变率可达10⁸ s ^-1, 并且观察到了压缩波在样品后表面的反射效应.     

40GPa压力范围内铜和铝的准等熵压缩线

 基于自行研制的磁驱动准等熵压缩加载实验装置CQ-1.5,利用全光纤位移干涉仪（Doppler Pins System, DPS）、激光速度干涉计（Velocity Interferometer System for Any Reflectors, VISAR）两种测试手段,以及反积分数据处理方法,实验测量了40 GPa压力范围内T1铜、LY12硬铝和L1纯铝3种材料的准等熵压缩线,将实验准等熵压缩线与基于Grüneisen状态方程的理论等熵压缩线和冲击Hugoniot线进行了比较。结果表明,在该压力范围内,实验准等熵压缩线与理论等熵压缩线相一致,两者偏差小于3%;实验准等熵压缩线靠近冲击Hugoniot线,位于其下方,与国外文献发表的结果相同,进一步表明,实验测量结果正确可靠。     

为实现准等熵压缩的波阻抗梯度飞片的实验研究

采用粉末冶金方法,制备出波阻抗沿厚度方向呈特定分布的WMoTi体系梯度飞片,在二级轻气炮上进行了梯度飞片击靶实验的初步研究.结果表明,利用梯度飞片可以实现对靶样品的准等熵压缩,击靶后产生的波阵面是平缓、连续上升的,明显不同于冲击压缩的陡峭波阵面,靶面压力峰值最高达到了167GPa.波阻抗按二次函数分布的梯度飞片能够获得最佳的击靶波形 关键词： 波阻抗梯度飞片 准等熵压缩     

冲击压缩下钨靶对514.5 nm激光的漫反射率

 在二级轻气炮上完成了一系列铜飞片平面碰撞钨靶的实验,并测量了钨靶在85~250 GPa的冲击压缩下,对波长514.5 nm入射激光的漫反射率。实验结果显示：冲击压缩使钨靶表面的漫反射能力降低,但不是单调下降的,并在165 GPa压力附近出现漫反射率相对增大的现象。     

Grüneisen系数与铝的高温高压状态方程

基于Gray金属三相状态方程模型,分别采用ργ=常数,Gray,GRIZZLY的Grüneisen系数模型和从头算给出的Grüneisen系数,系统计算了铝的熔化曲线、等熵压缩线、等温压缩线和等熵卸载线,计算结果与实验数据比较表明;在冲击压力约为500GPa的宽广压力范围,GRIZZLY Grüneisen系数模型是最适合描述铝的热力学特性的形式,ργ=常数模型次之,在高压区,Gray和从头算的Grüneisen系数的计算结果与实验值差距较大. 关键词： Grneisen系数 状态方程 铝     

钽在冲击载荷下的动态力学特性

 在对称碰撞实验中,用VISAR测试系统记录了自由面粒子速度剖面。结合材料常压弹性纵波声速的测量,利用冲击加载的双波结构,测量了钽在30 GPa以内的冲击波速度,给出了线性相关性非常好的D-u_p 关系,并与高压下的测量结果作了比较。同时对由自由面粒子速度剖面来计算层裂强度的模型进行了讨论,发现模型差异对钽的层裂强度的影响超过30%。     

动高压下拉格朗日声速的测定及其应用

 通过实时记录冲击加载—再加载和冲击加载—卸载波的粒子速度剖面,得到了再加载和卸载波在93W合金中传播的拉格朗日声速。通过拉格朗日声速从准弹性到纯塑性的转化,获得了材料在一次冲击终态时的剪应力、剪切模量以及考虑了剪应力修正后的93W合金的冲击绝热关系。     

Measurement of iron characteristics under ramp compression

Laser-driven ramp compression was used to investigate iron characteristics along the isentropic path. The iterative Lagrangian analysis method was employed to analyze the free surface velocity profiles in iron stepped target measured with two VISARs. The onset stress for the α to ε phase transformation was determined from the sudden change in the sound velocity and was found over-pressurized compared to the static and shock results. The derived stress(26 GPa) and strain rate(up to 10~8 s~(-1)) are consistent with our previous experimental results. The stress-density relations were compared with those from previous ramp experiments and good agreements were found, which experimentally confirms the simulations,showing that iterative Lagrangian analysis can be applied to the ramp-compression data with weak shock.