基于神光原型装置开展的激光直接驱动准等熵压(2)
我们在前人的基础上进一步研究了加载理论.基于上述多种理论成果的物理思想,我们发现若状态方程中压力表达式为密度的函数,则有可能获取压力波形的显式表达形式.进而将凝聚态物质的Murnaghan状态方程[29]引入到了压力波的推导中,最终获取含时的压力波形显式表达式:
式中x,t,ρ,p分别表示空间坐标、时间坐标、密度、压强.(1)式中包含了理论上冲击波出现的时间t0、最大等熵空间尺度c0t0、状态方程系数γ、常态声速c0和密度ρ0等基本参数,因此,可以非常方便地得到压力波波形与物质种类、激光加载时间等参数之间的关系.加载面上的密度和声速分别表示为:
由黎曼不变量表达式可以进一步推导得到流场内部密度、声速、压强、粒子速度等物理参数的表达式:
在引入激光烧蚀定标率后,由加载压力波形可以得到加载激光波形的表达式:
该表达式中包含了烧蚀材料的组成元素的原子序数Z和原子量A、初始密度ρ0、冲击波形成时刻t0、状态方程系数γ、激光波长λL等诸多重要信息,使用和分析起来非常直观方便.
在此需要强调的是,以上理论结果只能用于理想情况,即靶材料单一均匀且有足够厚度.但在激光加载实验中,靶的结构非常复杂,以上理论模型可以用于激光波形的初始理论设计.
3.2 实验设计和数据处理方法研究
精确的实验设计和准确的实验数据处理在该研究领域中占有重要位置,常用的方法有流体力学程序计算模拟[30]、拉格朗日分析法[31]、迭代式拉格朗日分析法[32]、反向积分法[33]、特征线法[34]等,但这些方法不能完全满足整形激光加载实验的需要.我们在掌握各种传统方法的基础上,将Murnaghan状态方程引入到特征线法中,并解决了特征线的相交、特征线与界面的相交等问题,使得该方法可以用于多层靶的加载计算.该特征线法具有流体力学程序不具有的优点.例如,可将压缩流场沿特征线划分,从而可对界面速度中各种畸变追根溯源,进而可对加载压力波形做出微调.此外,该方法还可以给出反射波到达加载面的时间,有利于加载波形和靶厚度的匹配.这些功能在实验设计中非常实用.实验应用证实,该方法具有上述优点以及比较好的可靠性.
为了展示该方法的这些特点,我们利用该方法对美国Sandia国家实验室的Z加速器上的多个准等熵压缩的实验结果[35,36]进行了进一步处理,在此给出了部分代表性结果.2006年,Davis在已知加载面压力波形的前提下,测得了920,1219,1518,1821μm四种厚度的Al样品自由面速度[36].基于已知实验加载压力波形开展了正向计算,获取了基于其他方法难以获取的诸多有用信息,有反射波达到加载面的时间点、黎曼不变量分布等.
图1 加载面处的粒子速度随时间的变化 velocities on loading surface.
在实验设计中,反射波达到加载面的时间点对实验设计非常重要,该方法清晰地给出了这些时间点,即为如图1中实线偏离点状虚线的时刻.
图2给出了自由面速度的理论结果与实验结果,其中实线为实验结果,虚线为理论结果.对比二者可知,理论结果和实验结果符合得非常好,这充分证实了该计算方法的有效性.图3为四种靶内部特征线分布情况,几乎流场内的任何信息都可以通过流场内的黎曼不变量经过运算给出.例如,粒子速度与正向传输黎曼不变量与反向传输黎曼不变量的和成正比,黎曼不变量时间梯度大的时刻自由面速度变化快,黎曼不变量梯度较小时,粒子速度变化小.
图2 加载压力和自由面速度随时间的变化 pressure and free surface velocities.
3.3 制靶工艺研究
实验设计在实现物理思想的同时还需要兼顾制靶工艺,理想的靶构型在现实中往往无法实现.例如,镀膜技术一般离不开高温,而有些材料耐不了高温,或耐得了高温但会在材料降温后产生影响靶面型的应力,甚至导致靶破碎.一般而言,物理设计和制靶工艺之间存在反复迭代过程.目前,激光聚变研究中心可以制作出多台阶靶、多层膜台阶靶、多层膜平面靶等多种靶型,使用的材料主要有CH,Au,Fe,Al,LiF等.台阶加工精度和膜层加工精度达到0.1μm,测量精度达到纳米级.
图3 特征线的分布 (a)920μm正向黎曼不变量;(b)920μm 反向黎曼不变量;(c)1821μm正向黎曼不变量;(d)1821μm反向黎曼不变量 distributions:(a)Forward characteristics in the 920μmaluminum target;(b)backward characteristics in the 920μm aluminum target;(c)forward characteristics in the 1821μm aluminum target;(d)backward characteristics in the 1821μm aluminum target.
3.4 整形激光直接加载准等熵压缩实验
目前,已在神光III原型激光装置上先后开展了多轮共计20余发整形激光直接加载准等熵压缩实验,获得了大量有效实验数据[21].靶的结构经历了多次改进,实验数据质量和参数范围也不断提高.以下依次给出了五种典型靶型结构和对应的代表性结果.
文章来源:《高压物理学报》 网址: http://www.gywlxbzz.cn/qikandaodu/2021/0715/582.html
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