基于神光原型装置开展的激光直接驱动准等熵压(3)
神光III原型激光装置可输出九束激光,其中八束输出能力为1250 J/351 nm/束,第九束的输出能量3000 J/351 nm/束.这九束激光均具有任意整形能力,脉冲宽度在1—20 ns之间连续可调.除此以外,装置上还配有任意反射面速度干涉仪(velocity interferometer system for any re fl ector,VISAR),X光针孔相机等多种配套诊断设备.
实验布局如图4所示,先后采用1—4路随机相位板(continuous phase plate,CPP)匀滑激光对靶进行直接加载,并分别采用针孔相机和VISAR诊断激光焦斑形貌和靶的界面速度或自由面速度.实验中,加载激光波形由(1)式及特征线法根据靶的结构设计得到.
实验中使用了五种靶,它们依次是三台阶Al靶、平面Al复合靶、三台阶Al复合靶、平面加Au阻挡层Al复合靶、三台阶加Au阻挡层Al复合靶,在图5中对应编号依次为(a),(b),(c),(d),(e).这些靶的构型为根据实验结果依次改进形成.
图4 实验布局示意图 arrangement of experimental setup.
图5 靶结构示意图 of target con fi guration.
第一类实验为三台阶Al靶加载实验,该靶结构简单,如图5(a)所示,主要用来验证上文所述的理论模型.在此给出三台阶Al靶的典型实验结果如图6和图7所示.本发次激光能量为970 J.图6给出了靶面激光光斑、激光波形、加载压力波形等信息.光斑口径约为2 mm,经数据拟合,截面光强满足3阶超高斯分布,如图6中的插图所示.而VISAR所测试区域对应光斑中心方圆600μm的部分,在该区域光强近似为平顶分布,满足一维加载近似.由于聚焦系统、光束质量和CPP在以下实验中均相同,激光光斑形貌保持不变,以下实验中不再给出光斑形貌相关数据.图7给出了靶后自由面界面速度的实验测试结果和理论计算结果,实验测试结果只能对应部分理论结果.用特征线法对图7中的靶后界面速度进行处理,得到靶面加载压力曲线,如图6中点状曲线所示.显然,其范围明显小于由激光波形得到靶面加载压力波形范围,仅有194 GPa,但二者趋势符合得很好.实验中没能测量到全部理论结果的原因为冲击波在靶的后界面转化为稀疏波,加载强度较大时,强大的稀疏波会将靶的后界面破坏.由该实验结果可以得到的结论为:激光波形和靶的构型的设计是成功的,即可以实现准等熵压缩,但存在一个缺点是可实现的压强范围较低.导致压强范围较低的原因为,压缩波在靶的后自由面反射形成稀疏波,进而破坏自由面,在自由面无法保持为完整平面时,探针光无法反射回VISAR.
图6 三台阶Al靶靶面激光光斑、激光波形、加载压力波形 intensity pro file,focal spot and pressure history on loading surface of three-step aluminum target.
图7 三台阶Al靶后自由面速度 surface velocities of three-step aluminum target.
第二类实验为平面Al复合靶加载实验,靶结构如图5(b)所示.该实验目的有三个:验证加载的一致性、加CH烧蚀层降低X光对靶材预热、加窗口提高压强范围.在此给出的典型结果如图8和图9所示,该发次采用四束整形激光进行加载,到靶激光能量为1921 J.由图8可知,激光光斑和激光波形基本保持不变.由图9可见,加载的一致性非常好,这说明靶面激光具有较高的匀化效果.此外,该发次测量到的最高速度为11 km/s.而由MULTI辐射流体力学程序进行模拟发现,最高速度12 km/s,二者对比可知11 km/s以后的数据没有测量到.比较实验结果和计算结果得到,11 km/s速度对应的Al/LiF界面压强为645 GPa.显然,该靶型相对三台阶Al靶大幅度提高了压强上限.
图8 平面Al复合靶实验激光波形、加载压力波形 intensity pro file,focal spot and pressure history on the loading surface of planar aluminum target experiment.
图9 平面Al复合靶界面速度与靶内压强Fig.9. Interface velocities and pressure history on Al/LiF interface of planar aluminum target.
图10 三台阶Al复合靶靶内界面速度与激光波形 intensity pro file and interface velocities of CH-coated three-step aluminum target.
第三类实验为三台阶Al复合靶加载实验,靶结构如图5(c)所示.该实验的目的为获取多台阶速度数据,并进而获取应力-密度曲线.在此给出的典型发次共采用了两束整形激光进行加载,到靶激光能量为740 J.图10中给出了三台阶界面速度数据,三个界面速度包含上升下降过程,且启动顺序区别明显.但实验数据中依然存在缺陷,在界面速度下降过程中,VISAR速度曲线减弱,然后消失.我们采用Hayes提出的正向计算与特征线方法相结合的方法对该发数据进行处理,获得了应力-密度曲线,实验结果峰值压强为425 GPa,如图11所示.为便于比较,还给出了两个文献结果以及基于Sesame数据库的理论冲击应变线和理论等熵绝热线[37].两个文献结果为Smith等[38]和Davis[36]在OMEGA激光装置和Z加速器上的实验结果,分别在Al样品中实现了110 GPa和210 GPa的峰值压强.与上述实验进行比较,本实验所得到的应变线稍高于Z加速器上的实验结果,但与OMEGA激光装置上的结果高度接近.分析认为,造成这种区别的原因是Z加速器加载时间为百纳秒量级,比OMEGA激光装置脉冲宽度和本实验所用神光III原型装置大一个量级.因此,Z加速器上实现的材料压缩过程等熵程度更高.目前尚未见现比该实验结果更高的报道,换言之,本实验得到的425 GPa峰值压强为国际公开发表的Al材料最高准等熵压缩实验结果.
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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