基于神光原型装置开展的激光直接驱动准等熵压(4)
图11 应力-密度曲线 curve.
我们针对该发次中VISAR数据丢失的现象开展了研究,发现压致温升和X光电离双重作用导致LiF窗口的离化,离化产生的自由电子对VISAR探针光有明显吸收.最后,基于Drude模型推导得到了探针光的衰减规律表达式[21].
为进一步验证并解决X光电离导致LiF窗口的离化的现象,我们开展了第四类实验,即平面加Au阻挡层Al复合靶加载实验,在此给出的典型发次采用四束激光进行加载,激光能量为846 J,靶结构如图5(d)所示,Au阻挡层的作用为阻挡烧蚀层产生的X光.图12为靶面实验激光波形,其形状由特征线法设计得到.图13给出了测量得到的Al/LiF界面处VISAR测试结果、界面速度以及由该结果进一步处理得到的各界面处的压强分布.由图13中VISAR结果可以看出,对靶进行改进后,实验数据质量大幅度上升,靶内界面速度数据更加清晰,弱冲击波没有出现,即压缩过程是近乎完美的准等熵压缩过程.该数据质量与美国在OMEGA装置上获得的数据质量相当.此外,Al材料中最高界面速度和压强分别达到7.28 km/s和327 GPa.
由该实验可以得出以下三个结论:首先,加Au阻挡层后,VISAR数据质量大幅度提升,说明X光电离相对压致电离对VISAR数据质量具有更重要的影响.其次,第二类和第三类实验中出现的弱冲击波消失,说明Al烧蚀层本身具有相对CH更高的不透明度,是更为合适的烧蚀材料.最后,利用该靶型和整形激光直接加载方式可以实现高质量的327 GPa以下的准等熵压缩.
图12 平面加Au阻挡层Al复合靶加载激光波形 intensity pro file of planar aluminum target with Au blocking layer.
图13 平面加Au阻挡层Al复合靶靶内界面速度与靶内压强 velocities and pressure distribution of planar aluminum target with Au blocking layer.
为了研究该靶型可以实现的压强上限,并进一步确认X光电离对VISAR数据质量具有更为重要的影响,我们在保持激光波形不变的前提下进一步提升激光功率密度开展了三台阶加Au阻挡层Al复合靶加载实验,靶结构如图5(e)所示.在此给出的典型发次采用四束激光进行加载,激光能量为1285 J,结果如图14和图15所示.由图14可见,通过提升激光功率密度,界面速度得到了大幅度提升,但在10.5—11 ns时间段内三个台阶上的VISAR数据强度同时出现减弱,又同时恢复,而这个时间段刚好对应于激光脉冲的峰值时刻.经采用特征线法处理,得到材料内部最高压强为570 GPa.由以上结果可以得到以下结论:1)压力波传输速度慢,因此压致电离导致的致盲现象在各台阶上会先后出现,而在该实验中致盲现象是同时出现且时间对应于激光功率密度峰值时刻,足以说明X光电离是导致VISAR致盲的首要原因;2)改靶型可以实现570 GPa以下的准等熵压缩,压强参数相对前几种靶型有了显著提升;3)这种压强参数已经超过国际上公开发表的电磁加载和化爆加载等传统加载方式.
图14 三台阶加Au阻挡层Al复合靶靶内界面速度 velocities of three-step aluminum target with Au blocking layer.
图15 三台阶加Au阻挡层Al复合靶靶内压强 histories in three-step aluminum target with Au blocking layer.
4 结 论
依次开展了加载理论、实验设计方法、实验数据处理方法、制靶工艺和加载实验等一系列研究工作,靶型结构、实现的压强参数和数据质量不断迭代提升,在多种靶型中实现了数百GPa的准等熵压缩.取得的研究结果显示,整形激光直接加载可实现较高质量的准等熵压缩,相对传统加载方式具有参数范围优势.
5 后续工作展望
基于前期工作,我们认为以下后续工作具有重要研究价值.
1)已开展的实验所用激光能量为kJ级,而中国工程物理研究院激光聚变中心已建成的神光III主机装置具有180 kJ的输出能力,显然激光装置尚有非常大的裕量.当前,对直接加载方式而言,存在的主要问题为加载过程中产生得很强的X光甚至超热电子都会对材料进行预热,使得压缩过程偏离绝热过程,同时也影响了实验数据质量.该工作的主要后续研究内容为设计出更优且易加工的靶结构.
2)整形激光直接加载已在几种靶型中实现了数百GPa的较高质量的准等熵压缩,这为开展高压物性研究提供了重要研究平台.因此,基于该加载方式,可以开展数百GPa范围内高压物性研究工作.
3)整形激光加载对较小的激光装置而言是一种实现高参数范围的实验方法,但对更大激光装置而言间接驱动拥有优势.这是因为采用金属黑腔对整形激光进行时间和空间匀滑,可以提升加载的平面一致性和等熵效果.采用神光III主机装置完全有能力获取TPa级的加载结果,从而为众多超高压研究工作提供了研究平台.
文章来源:《高压物理学报》 网址: http://www.gywlxbzz.cn/qikandaodu/2021/0715/582.html
上一篇:钇元素的高压结构及其性质
下一篇:反应气体驱动二级轻气炮技术的初步研究