用多次冲击压缩方法研究稠密氢氦等摩尔混合气体的物态方程

采用液氮冷却以及气体增压技术，制备了～30MPa及～90K初始状态的氢、氦等摩尔混合气体样品.以二级轻气炮作为加载工具，用不同灵敏度设置的两套多通道瞬态高温计系统获得完整、清晰的稠密氢、氦混合气体多次冲击压缩过程的光谱辐射强度信号.并建立起相应的实验数据处理和分析技术，获得了5—140GPa范围内氢、氦混合气体一至五次冲击雨贡纽物态方程，以及一次、二次和四次冲击温度实验数据.流体变分理论和离解模型用来分析和解释所获得的测量结果. 关键词： 氢、氦混合气体 多次冲击压缩 光谱辐射强度历史 物态方程     

氢氘物态方程研究进展北大核心CSCD

针对近二十多年的氢氘物态方程理论研究工作进行了综述分析,结合本课题组改进的自由能模型、直接量子蒙特卡洛和量子分子动力学方法的模拟结果,对多个研究小组采用不同方法获得的氢氘宽区物态方程数据进行了定量评估分析。结果表明:在当前理论框架下,仅基于第一原理数值模拟得到的氢氘物态方程能够描述的热力学相空间有限;多模型集成的H-REOS.3数据库在105K以下温度与数值模拟结果的相对差别较大,且数据稀少,二者均不能满足工程应用需求。建议采用基于半经验模型的宽区域物态方程研究方法,即结合高精度的实验研究、数值模拟和解析模型,构建满足工程应用需求的氢氘宽区实用物态方程。     

铅的高压状态方程与熔化曲线

基于Gray三相状态方程模型,采用GRIZZLY的Grüneisen系数模型,对铅的冲击雨贡纽线、等温压缩线、等熵压缩线和熔化曲线进行了系统计算,优化参数,获得与实验数据一致的冲击雨贡纽线、等温压缩线与等熵压缩线,计算所得熔化温度线与X射线衍射实验结果吻合得很好。     

氢氘物态方程研究进展

针对近二十多年的氢氘物态方程理论研究工作进行了综述分析,结合本课题组改进的自由能模型、直接量子蒙特卡洛和量子分子动力学方法的模拟结果,对多个研究小组采用不同方法获得的氢氘宽区物态方程数据进行了定量评估分析。结果表明:在当前理论框架下,仅基于第一原理数值模拟得到的氢氘物态方程能够描述的热力学相空间有限;多模型集成的H-REOS.3数据库在105K以下温度与数值模拟结果的相对差别较大,且数据稀少,二者均不能满足工程应用需求。建议采用基于半经验模型的宽区域物态方程研究方法,即结合高精度的实验研究、数值模拟和解析模型,构建满足工程应用需求的氢氘宽区实用物态方程。     

高能量密度氘、氦的第一原理研究进展

极端条件下氘、氦的研究对于凝聚态物理、等离子体物理、天体物理以及惯性约束聚变的研究具有重要意义.文章综述了近年来温稠密区、热稠密区以及低温高压区的最新研究进展,归纳了尚待解决的科学问题,从而为进一步的研究提供参考.     

高能量密度氘、氦的第一原理研究进展

极端条件下氘、氦的研究对于凝聚态物理、等离子体物理、天体物理以及惯性约束聚变的研究具有重要意义.文章综述了近年来温稠密区、热稠密区以及低温高压区的最新研究进展,归纳了尚待解决的科学问题,从而为进一步的研究提供参考.     

神光Ⅱ装置间接驱动DD燃料面密度诊断

面密度是表征惯性约束聚变内爆压缩状态的重要参数.基于MULTI程序模拟了神光Ⅱ间接驱动内爆条件下最大压缩时刻燃料等离子体的物理参数，计算了CR-39的次级质子摄谱范围，利用CR-39背面测量了间接驱动充氘燃料聚变次级质子，给出了燃料平均压缩面密度〈ρ_R〉，并与理论计算结果做了比较.结果表明，在神光Ⅱ条件下，可以通过D³He次级质子诊断燃料〈ρ_R〉值. 关键词： 燃料面密度 CR-39 次级质子     

ICF靶丸中液氢层厚度的确定

利用靶丸内部的质量守恒,提出了计算惯性约束聚变靶丸内液氢层厚度的函数关系式,从而得到了求解惯性约束聚变靶丸内液氢层厚度的一般模型,并在此基础上对影响液氢层厚度的各类因素如温度、充气密度等进行了讨论。该模型的分析方法同样适用于惯性约束聚变中的燃料气体氘、氚或者氘氚混合物。     

ICF靶丸中液氢层厚度的确定

 利用靶丸内部的质量守恒，提出了计算惯性约束聚变靶丸内液氢层厚度的函数关系式，从而得到了求解惯性约束聚变靶丸内液氢层厚度的一般模型，并在此基础上对影响液氢层厚度的各类因素如温度、充气密度等进行了讨论。该模型的分析方法同样适用于惯性约束聚变中的燃料气体氘、氚或者氘氚混合物。     

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。     

A new global hydrogen equation of state model

Abstract

Simple statistical mechanics models have been assembled into a wide-range equation of state for the hydrogen isotopes. The solid is represented by an Einstein-Grüneisen model delimited by a Lindemann melting curve. The fluid is represented by an ideal gas plus a soft-sphere fluid configurational term. Dissociation and ionization are approximated by modifying the ideal gas chemical-equilibrium formulation. The T = 0 isotherm and dissociation models have been fitted to a new diamond-anvil isotherm and to laser-generated shock data. The main limitation of the model is in ionization at high compression.     

A Comparative Study for the Equation of State of Dense Fluid Hydrogen

Recent developments in shock-wave experimental techniques have allowed the 100 GPa range to be probed. Driven by a two-stage gas gun (Livermore, USA) or chemical explosives (Chernogolovka, Russia), the multiple shock-wave technique has been applied to determine the equation of state and the electrical conductivity of dense hydrogen and deuterium fluids. In single shock wave experiments driven by the NOVA laser, the principle Hugoniot curve of deuterium was determined. Interesting effects such as dissociation and the transition to metallic-like conductivities occur under these conditions. The equations of state applied so far to analyze the experimental data are compared and a new semi-empirical equation of state is given.     

Hydrogen and deuterium in shock wave experiments,ab initio simulations and chemical picture modeling

We present equation of state data of shock compressed hydrogen and deuterium. These have been calculated in the physical picture by using ab initio molecular dynamics simulations based on finite temperature density functional theory as well as in the chemical picture via the Saha-D model. The results are compared in detail with data of shock wave experiments obtained for condensed and gaseous precompressed hydrogen and deuterium targets in a wide range of shock compressions from low pressures up to megabars.     

Measurement of density, temperature, and electrical conductivity of a shock-compressed nonideal nitrogen plasma in the megabar pressure range

Kinematic and thermodynamic parameters of shock-compressed liquid nitrogen are measured behind the front of a plane shock wave using plane wave and hemispherical shock wave generators. In these experiments, high values of compression parameters (shock-compressed hydrogen density? ≈ 3.25 g/cm³ and temperature T≈ 56000 K at a pressure of P ≈ 265 GPa) are attained. The density, pressure, temperature, and electrical conductivity of the nonideal plasma of shock-compressed liquid nitrogen are measured. A nearly isochoric behavior of the nitrogen shock adiabat is observed in the pressure range P = 100–300 GPa. The thermodynamics of shock-compressed nitrogen is an alyzed using the model of the equation of state in the quasi-chemical representation (SAHA code) as well as the semiempirical wide-range equation of state developed at the Institute of Experimental Physics. Experimental results are interpreted on the basis of calculations as the fixation of the boundary of transition of shock-compressed nitrogen from the polymer phase to the state of a strongly nonideal plasma at P ≈ 100 GPa, ? ≈ 3.4 g/cm³.     

基于Thomas-Fermi-Kirzhnits模型的物态方程研究

本文针对丝阵Z箍缩等高能量密度物理实验的数值模拟研究, 建立了一种适用温度、密度范围宽的三项式半经验物态方程. 三项式半经验物态方程包括零温自由能项, 电子热贡献项和离子热贡献项. 零温自由能项采用多项式拟合的方法确定. 多项式系数通过多项式计算的结果与高压缩比区域和压缩比为1时零温Thomas-Fermi-Kirzhnits模型计算的结果对应相等得到. 离子对物态方程的热贡献采用一种准谐振模型, 此谐振模型可以描述离子在固态相中的行为, 并且在高温度、低密度区域趋近于理想气体物态方程. 电子对物态方程的热贡献采用含温Thomas-Fermi-Kirzhnits模型计算. 利用所建立的三项式半经验物态方程计算了铝的等温压缩曲线, 并与实验数据做了对比. 给出了很宽温度、密度范围内铝的压强, 其数据与相应的SESAME数据库数据做了对比.     

Equations of state and phase diagrams of hydrogen isotopes

A new form of the semiempirical equation of state proposed for the liquid phase of hydrogen isotopes is based on the assumption that its structure is formed by cells some of which contain hydrogen molecules and others contain hydrogen atoms. The values of parameters in the equations of state of the solid (molecular and atomic) phases as well as of the liquid phase of hydrogen isotopes (protium and deuterium) are determined. Phase diagrams, shock adiabats, isentropes, isotherms, and the electrical conductivity of compressed hydrogen are calculated. Comparison of the results of calculations with available experimental data in a wide pressure range demonstrates satisfactory coincidence.     

液氘状态方程实验数据测量

在神光Ⅱ高功率激光装置上建立了液氘状态方程实验研究系统, 在80 min内实现控温范围12–300 K可调、控温精度±0.03 K、机械震动 ≤20 μm的实验控制精度; 通过镀膜窗口质量筛选和靶体清洁工作解决了低温下窗口材料残余反射率高的难题, 获得了信噪比较好的实验图像; 利用神光II第九路输出3ω (351 nm)、3 ns、1000 J的能力, 采用阻抗匹配方法, 配合任意反射面速度干涉仪诊断系统, 在国内首次获得液氘在约60 GPa压力下的冲击绝热线实验数据, 数据与国外同压力区间数据符合较好, 为下阶段约100 GPa压力范围液氘状态方程的实验研究奠定了基础.     

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。     

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。     

Experimental measurements of the compressibility, temperature, and light absorption in dense shock-compressed gaseous deuterium

Experimental data on the shock compression, temperature, and absorptivity of gaseous deuterium with an initial density close to its value in the liquid state were obtained on a spherical explosion shock-wave generator in a pressure range of 80–90 GPa. The obtained results are compared with the existing experimental and theoretical data.