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--> --> -->目前, 国内外主要采用轻气炮、激光驱动等方式开展CH材料的高压状态方程研究. 其中, 激光驱动是利用激光烧蚀驱动冲击波实现材料的动高压加载, 具有加载应变率高、时空尺度小、非接触式等特点, 已经成为动高压加载研究的主要手段之一. 美国Barrios等[5,6]在OMEGA激光装置上采用激光速度干涉仪(velocity interferometer system for any reflector, VISAR)与阻抗匹配法实验测量了标准样品α-石英与CH双层靶的冲击加载过程, 获得了1—12 Mbar (1 Mbar = 1011 Pa)下聚苯乙烯、聚乙烯、GDP(CH1.3O0.02, NIF点火靶丸壳层材料)等材料的状态方程. Aglitskiy等[7]在NIKE激光装置上采用X射线照相技术测量了2—9 Mbar冲击加载下CH泡沫的状态方程. 国内黄秀光等[8]和舒桦等[9]在神光II装置上采用VISAR、冲击发光等方法开展了聚乙烯、聚苯乙烯的高压物态方程测量, 冲击压力达到7 Mbar. 研究表明: 在ICF点火设计中, 冲击加载会导致较高的温升和熵增, 过早地形成强冲击会增大后期主脉冲的压缩难度, 影响点火内爆过程. 因此, 国内外相继开展了激光驱动准等熵加载技术[10]研究, 通过脉冲整形与束靶耦合延缓冲击波的形成, 实现靶内连续缓慢的准等熵加载. 美国NIF装置通过脉冲整形在金刚石材料中实现了5 TPa的准等熵加载[11]. 国内神光III原型采用脉冲整形技术在Al材料中实现了500 GPa的准等熵加载[12]. “天光一号”利用其20 ns长上升沿的特点, 不经脉冲整形在Al靶内实现了18 GPa的准等熵加载[13,14]. 目前, 准等熵加载技术在CH材料高压状态方程研究方面尚未广泛应用, 实现准等熵加载的束靶耦合条件、靶内动力学演化过程等关键物理问题有待深入研究.
此外, VISAR诊断技术在高压物态方程、准等熵加载中应用非常广泛, 但CH材料、α-石英等常压透明材料在1 Mbar以下准等熵加载或者弱冲击加载下无法满足冲击不透明条件, 导致波阵面无法反射探测光; X光侧向阴影技术可以获得烧蚀面、波阵面的运动过程, 但实验条件相对苛刻. 因此, 针对CH材料的准等熵加载测量技术尚需进一步探索.
本文基于中国原子能科学研究院“天光一号”激光装置[15], 开展了长脉冲激光加载下聚苯乙烯CH材料的高压状态方程研究, 理论模拟了不同靶结构参数下的准等熵加载与弱冲击加载动力学过程, 利用可见光侧向阴影成像技术[16,17]实验测量了平面靶、飞片撞击靶的冲击波渡越平均速度、自由面速度等参数. 结果表明: CH平面靶(单层CH、双层Al + CH两种)经历了明显的准等熵加载过程, 并导致了冲击波末态速度与渡越平均速度的明显差异.
图 1 CH材料状态方程侧向阴影 (a)实验布局; (b)原理示意图Figure1. CH EOS side-on shadow experiments: (a) experimental layout; (b) schematics.
辐照激光“天光一号”是电子束泵浦的KrF准分子激光, 波长248 nm, 六束聚焦激光能量可达100 J; 激光波形与光斑光强分布如图2所示, 波形为类高斯型, 脉冲宽度28 ns, 光斑平顶直径500 μm, 能量集中度约为50%, 功率密度可达1012W/cm2, 光束均匀性好于2%, 可以实现一维平面冲击加载、准等熵加载等多种加载方式.
图 2 (a) “天光一号”的典型脉冲时间波形; (b)六束聚焦叠加光斑的空间分布Figure2. (a) Heaven-I laser pulse shape; (b) spatial profile of six-beam focusing spot.
图3为CH靶的三种靶结构: 纯CH平面靶, 厚度为100—200 μm; 镀膜CH靶, 50—150 μm厚的CH层上镀有5或10 μm的Al膜; 飞片撞击靶, 包含镀膜CH飞片层、100 μm空腔层、50—100 μm的CH目标靶三层结构. 实验中, 纯CH平面靶通常选择100 μm以上厚靶, 降低前表面烧蚀、电离以及预热对靶主体的影响. 镀膜CH靶以Al层作为烧蚀层, 可以减弱直穿光、X射线预热对CH层的影响. 飞片撞击靶结构中, CH层厚度较大, 侧向剪切、稀疏等二维效应明显, 不适合作为飞片撞击层, 实验选择Al层撞击CH目标靶. 为确保制靶与装配过程中靶的平面性, CH目标靶厚度不易太薄.
图 3 CH靶结构示意图 (a)纯CH平面靶; (b) 镀膜CH靶; (c)飞片撞击靶Figure3. Structure schematics of CH targets: (a) Planar CH target without Al foil; (b) planar CH target with Al foil; (c) flyer-impact target.
| 激光条件 | 靶结构 | 靶材料 | 空间网格 | 时间步长 |
| 波长248 nm | 100 μm CH (纯CH) | CH: Sesame EOS_32 | CH: 1/3 μm | 0.1 ns |
| 脉宽28 ns | 10 μm Al + 50 μm CH (镀膜CH) | Al: Sesame EOS_42 | Al: 1/5 μm | |
| 波形类高斯 | 10 μm Al + 150 μm CH (镀膜CH) | |||
| 功率密度/(1012 W·cm–2) | 150 μm CH + 10 μm Al + 100 μm vacuum + 100 μm CH (飞片靶) |
表1HYADES程序输入参数
Table1.Input parameters of HYADES program.
第一类靶型模拟了100 μm纯CH平面靶的冲击动力学过程, 结果如图4所示. 图4(a)中, 长脉冲加载下冲击波与界面相互作用产生多次加载、卸载过程, 相比短脉冲单次冲击加载过程更为复杂. 图4(b)和图4(c)分别从空间分布与时间演化角度给出了压缩波逐渐增强到波阵面形成冲击间断的过程. 前期缓慢增强阶段属于典型的准等熵加载, 后期波阵面形成冲击间断, 意味着进入冲击加载阶段, 并且在30 ns后发生弱化的二次加载、卸载现象. 图4(d)对比模拟了不同激光功率密度下的压力分布, 功率密度降低导致冲击波压力显著降低, 延长了冲击波的增强过程及靶内渡越时间. 因此, “天光一号”长脉冲加载下100 μm纯CH靶经历了准等熵加载向弱冲击加载的演化过程. 增大靶厚度, 冲击加载会逐渐趋于稳定峰值. 减小靶厚度, 冲击波尚未形成或者还处于增强阶段, 加载过程会更为符合准等熵加载特征, 但薄靶条件下二次甚至多次加载、卸载会导致物理过程复杂化.
图 4 纯CH平面靶的冲击动力学过程 (a) 冲击波与界面作用的的t-x波系图; (b)不同时刻的压力空间分布; (c)不同膜层的压力加载演化史; (d)不同功率密度下的压力分布Figure4. Shock dynamic processes in CH planar target: (a) t-x schematic diagram of wave propagation; (b) spatial distribution of loading pressure at different time; (c) loading pressure history for different layers; (d) spatial distribution of loading pressure for different laser intensities.
第二类靶型模拟了两种镀膜CH靶的冲击动力学过程, 结果如图5所示. 图5(a)和图5(b)中, 当冲击波由高阻抗Al层向低阻抗CH层传播时, 在Al-CH界面处反射左行稀疏卸载波对Al层不完全卸载(0→1→2过程), 该过程可以弱化冲击波增强或者延缓冲击波形成. 图5(c)中, 相比于纯CH靶, Al + CH镀膜靶加载初期的冲击波强度明显降低, 并呈现斜坡式的准等熵加载特征, 进一步验证了Al + CH结构延缓冲击波形成的结论. CH层厚度对准等熵加载的演化具有重要影响, 150 μm厚CH层条件下准等熵加载会逐渐演化为弱冲击加载; 50 μm薄CH层条件下, 冲击波尚处于增强阶段, 波阵面到达自由面处发生不完全卸载, 削弱后续冲击波的增强, 并导致自由面附近动力学过程变得复杂. 当选择CH层作为辐照面时, 冲击波由低阻抗向高阻抗传播会在CH-Al界面处反射冲击波, 导致CH层产生二次反向加载(0→2→1过程). 根据连续性条件, CH-Al界面附近形成局部高压区, 如图5(d)所示. 因此, Al + CH结构可以延缓冲击波的形成, 有利于开展准等熵加载; CH + Al结构可以增强冲击波, 更适用于冲击加载.
图 5 镀膜CH靶内的冲击动力学过程 (a)冲击波与界面作用的t-x波系图; (b) 阻抗梯度 p-u图; (c) 辐照面为Al层的压力空间分布; (d) 辐照面为CH层的压力空间分布Figure5. Shock dynamic processes in CH planar target coated with Al: (a) t-x schematic diagram of wave propagation; (b) p-u schematic diagram; (c) spatial distribution of loading pressure when laser directly irradiates Al layer; (d) spatial distribution of loading pressure when laser directly irradiates CH film.
第三类靶型模拟了飞片撞击靶的冲击动力学过程, 结果如图6所示. 为确保飞片撞击前内部残余应力为0, 采用150 μmCH的厚烧蚀层以冲击加载方式加速Al层, 经100 μm空腔趋于匀速. 图6(a)中, 飞片撞击后在CH与Al层分别产生右行与左行冲击波S1, S2, 其中S2会在CH-Al界面以及CH前表面处分别反射右行稀疏卸载波R1, R2, 并追赶卸载S1. 图6(b)中, 撞击初期在Al-CH界面附近形成准方波结构的高压区, 波阵面非常陡峭, 属于典型的冲击加载, 且压力超过50 GPa, 明显高于普通平面靶; 此后, 追赶稀疏波对冲击波S1波后状态进行不完全卸载, 压力降低至30 GPa, 与普通平面靶结果相当. 通过降低目标靶厚(小于30 μm), 使其满足小于追赶条件, 可以实现飞片撞击增压效果, 但薄CH层在制靶与装配过程中的平整性较难保证. 图6(c)中, 47 ns撞击后的Al-CH界面两侧的速度满足连续性原理, 58 ns时刻粒子速度(约4 km/s)跳变为自由面速度(8 km/s), 符合弱冲击下自由面速度倍增定律.
图 6 飞片撞击靶内的冲击动力学过程 (a)靶内冲击波与界面相互作用t-x波系图; (b) 不同时刻靶内加载压力的空间分布; (c) Al层自由面、CH靶前后表面速度曲线Figure6. Shock dynamic processes in flyer-impact target: (a) t-x schematic diagram of wave propagation; (b) space distribution of loading pressure at different time; (c) velocity histories of the back-surface velocity of Al layer (Al uBs), the front-surface (CH uFs) and back-surface (CH uBs) velocities of CH target layer.
图 7 条纹相机侧向阴影动态图像 (a) 纯CH平面靶; (b) Al + CH平面靶; (c)飞片撞击靶Figure7. Side-on shadowgraph images of streak camera: (a) CH planar target; (b) Al + CH planar taget; (c) flyer-impact target.
高压物态方程实验主要是测量压力P、冲击波速度D、粒子速度u中的两个量, 结合热力学数据实现状态方程的计算, 因此被称为不完全的物态方程[20]. 本实验根据阴影轨迹与渡越过程测量自由面速度ufs与冲击波渡越平均速度Dav. 在准等熵或弱冲击加载下, 根据自由面速度倍增定率可获得末态粒子速度upfs; 根据弱冲击加载理论与CH冲击绝热线数据(声速
| 靶参数/μm | Elaser/J | ufs/(km·s–1) | uPfs/(km·s–1) | Dfs/(km·s–1) | Dav/(km·s–1) | Pfs/GPa | Psim/GPa |
| 180 CH | 54 | 4.26 ± 0.12 | 2.13 ± 0.06 | 5.52 ± 0.08 | 5.31 ± 0.08 | 12.23 ± 0.39 | 15.5 |
| 110 CH | 52.1 | 4.01 ± 0.10 | 2.01 ± 0.05 | 5.36 ± 0.07 | 4.13 ± 0.08 | 11.20 ± 0.31 | 14.1 |
| 4.71 Al + 75 CH | 72.5 | 3.34 ± 0.10 | 1.67 ± 0.05 | 4.92 ± 0.07 | × | 8.58 ± 0.38 | 8.43 |
| 150 CH + 10 Al + 空腔 + 100 CH | 85 | 8.14 ± 0.33 | 4.07 ± 0.16 | 8.06 ± 0.21 | 5.46 ± 0.10 | 34.25 ± 1.61 | 30.7 |
表2长脉冲激光驱动下的CH靶状态方程数据
Table2.EOS parameters of CH target driven by long pulse laser.
图 8 不同靶型的D-u实验数据的比较Figure8. Shock and particle velocities (D-u) of different targets.
第一类纯CH平面靶实验中, 两种靶CH层厚度均超过100 μm, 根据模拟结果, 靶内冲击波已趋于稳定, 末态的冲击波速度、压力基本相当, 差别主要源于激光能量不同. 作为准等熵加载的重要判据, 二者的末态冲击波速度均大于渡越平均速度, 说明加载过程存在明显的增强过程, 波阵面压力越高, 对应的波阵面速度越大. 因此, 纯CH靶前期加载过程主要是准等熵加载, 后期发展为弱冲击加载. CH靶厚度决定了准等熵加载过程所占时间份额, 靶厚度越大则渡越平均速度越接近末态冲击波速度. 其中, 110 μm靶的渡越平均速度4.13 km/s明显小于180 μm厚靶的速度5.31 km/s, 而且后者非常接近末态冲击波速度5.52 km/s. 采用HYADES程序分别模拟了实验参数条件下束靶作用过程, 与100 J, 100 μmCH靶过程基本类似, 模拟结果的末态压力为14—15 GPa, 比实验结果11—12 GPa略高, 原因可能在于激光能量测量误差以及厚靶的二维效应影响.
第二类Al + CH镀膜靶实验中, 在能量提高20 J的条件下自由面速度、冲击波速度以及压力仍然低于平面靶, 说明该结构可以有效减缓压力波的增强过程, 有利于实现准等熵加载. HYADES模拟显示: 与图5(c)中10 μmAl + 50 μmCH靶动力学类似, 加载初期满足准等熵加载过程, 但强度较低, 对应的自由面初始速度小于0.5 km/s, 导致阴影轨迹斜率过低难以观测; 后续逐渐增强的加载波与自由面反射的卸载波持续作用(不完全卸载), 导致自由面附近形成低压区, 烧蚀面附近形成高压区. 低压段加载时自由面低速运动, 高压段到达自由面时自由面速度迅速跳变至3 km/s以上, 并被条纹相机记录. 高压区压力模拟结果为8.43 GPa, 与实验结果8.58 GPa基本相当. 因此, Al + CH结构下渡越时间概念不再有效, 实验测量的自由面速度实质上表征了增强型加载波后期高压段到达自由面的结果.
第三类飞片撞击靶实验包含了飞片飞行与CH目标层飞行两个过程, 两段飞行轨迹拟合结果显示, 撞击前飞片自由面速度约为8.5 km/s, 略高于撞击后CH层自由面速度8.14 km/s, 与理论模拟结果相符(见图6(c), 激光能量略低于模拟条件). 因为飞片撞击靶属于典型的冲击加载过程, 其压力明显高于纯CH靶与镀膜靶. 在追赶稀疏卸载波作用下, CH目标靶内冲击波被弱稀疏波不完全卸载, 导致波阵面速度减小, 因此渡越平均速度应略大于末态速度, 但实验结果与该结论不符, 原因可能在于侧向剪切、稀疏以及靶面应力弯曲等影响导致渡越时间明显增大. 撞击后末态压力34 GPa, 略高于模拟结果30.7 GPa, 原因主要在于大口径激光能量测量误差超过5%, 造成二者激光条件出现差别, 模拟追赶稀疏卸载过程自由面附近的波阵面成锯齿结构, 对模拟结果也有一定影响.
此外, 实验图像中存在明显的反向运动信号, 即下亮带底部斜向上的信号, 其运动方向与辐照激光入射方向相反. 该异常现象可能是由靶片剪切撕裂过程中散射的直穿光与靶片支撑结构作用形成等离子体反向运动与发光导致.
