導(dǎo)語：強激光間接驅(qū)動材料實驗技術(shù)研究一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

1引言

沖擊加載下材料動態(tài)破碎過程研究是目前沖擊波物理研究中一個熱點問題[1−5],強激光驅(qū)動加載已成為相關(guān)物理實驗研究的一種有效手段[2,6−9].激光驅(qū)動加載要求沖擊加載的一維區(qū)達到mm級,且具有較好的均勻性[1,7].目前的物理實驗主要利用強激光直接驅(qū)動方式[10,11],即強激光直接燒蝕材料表面的方式產(chǎn)生沖擊波并對樣品進行加載;利用特定設(shè)計的連續(xù)相位板(CPP)[7,12]調(diào)節(jié)加載面大小及均勻性,將強激光束的焦斑勻滑為直徑2mm且均勻分布[13].在實際使用過程中,由于CPP束勻滑后焦斑均勻分布的區(qū)域僅有1mm左右,且一維加載后產(chǎn)生的沖擊波在亞毫米級厚度的金屬靶內(nèi)傳輸過程中,受邊側(cè)稀疏波的影響,會持續(xù)變小;沖擊波出界面時一維加載區(qū)域變得非常小,不利于開展一維加載下材料動態(tài)破碎過程.目前解決此類加載技術(shù)問題的方法主要包括以下幾方面.1)設(shè)計直徑更大的均勻光斑加載,這也要求CPP刻蝕深度更深,存在設(shè)計和加工匹配的難題;同時考慮到刻蝕后光束近場調(diào)制造成的光學(xué)元件損傷的問題,激光輸出能量需要大幅降低;焦斑增大后功率密度進一步降低,這將造成直接驅(qū)動的加載壓強無法達到預(yù)定值.2)設(shè)計多個均勻光束在靶面上進行交疊,從而增大光束均勻分布的范圍,這一過程對激光瞄準(zhǔn)注入精度要求非常高,通常很難達到.3)采用間接驅(qū)動方式[6,14,15],可設(shè)計直徑更大的柱腔加載,這一方面的物理實驗開展的較少.間接驅(qū)動實驗中,激光在黑腔中轉(zhuǎn)換為X射線,進而燒蝕平面靶,因而驅(qū)動效率會明顯降低.考慮可行性與實驗周期,采用間接驅(qū)動方式,設(shè)計合適的腔型及激光參數(shù)開展相關(guān)物理實驗,為后續(xù)實驗提供基礎(chǔ).本文主要研究強激光間接驅(qū)動金屬材料動態(tài)破碎過程的加載技術(shù).通過IRAD數(shù)值模擬設(shè)計實驗所需的半柱腔,并通過物理實驗獲得此腔型下多個激光能量點、脈寬2ns和3ns條件下輻射峰值溫度和波形.同時,利用流體模擬方法給出1,2,3ns輻射波形下沖擊加載波形.動態(tài)物理實驗給出峰值輻射溫度為138eV下間接驅(qū)動加載下層裂的物理圖像及自由面速度.經(jīng)分析,間接驅(qū)動的加載一維區(qū)達到2mm,平面性優(yōu)于5%.研究結(jié)果為后續(xù)物理實驗奠定了良好的基礎(chǔ).

2實驗與理論設(shè)計

2.1實驗設(shè)計.實驗在神光大型激光裝置上完成,實驗裝置示意圖如圖1所示.實驗利用上四路納秒激光注入半柱腔中產(chǎn)生X射線并對錫平面靶進行沖擊加載;在一定的時間延遲后,利用皮秒激光作用產(chǎn)生微焦點、高能X射線對加載后樣品成像[13],并采用成像板（IP）記錄圖像；同時利用光子多普勒干涉儀(PDV)對界面速度進行診斷[16].高能X射線成像及PDV測速的細節(jié)內(nèi)容已在文獻[13,16]中報道,這里不再贅述.實驗中半柱腔為Au腔,其直徑為2mm,腔長為2mm,注入口直徑為0.8mm,腔壁厚為0.04mm.錫靶厚度為0.5mm,光潔表面,表面粗糙度優(yōu)于0.1µm.為了提高輻射驅(qū)動壓力,錫靶上表面粘上CH層(薄膜,只含C,H元素),其厚度為10µm.背光靶為Au絲靶,Au絲直徑為20µm,長度為0.5mm,Au絲放置于CH基底上.錫靶置于靶室中心(通過靶室的外置基準(zhǔn)定位靶室中心的一個點,定義為靶室中心),背光靶置于靶室中心偏北20mm(靶室平面為赤道面,再按實際方位分東西南北向).納秒激光參數(shù)為上四束激光,激光波長為0.351µm,脈寬為3ns或2ns,CPP束勻滑后焦斑直徑為0.45mm,實驗中每發(fā)次激光能量均實測,數(shù)值在800—4800J范圍內(nèi),納秒激光注入黑腔中.皮秒激光頻率為1.06µm,脈寬為10ps,能量為450J,聚焦光斑F50µm,注入絲靶中心.皮秒激光與絲靶相互作用會產(chǎn)生微焦點、高能X射線[13,17,18],能段范圍為50—200keV,前期實驗表明F20µm絲靶產(chǎn)生X射線可用于高空間分辨成像,成像空間分辨在20µm左右.典型發(fā)次的動態(tài)診斷實驗中,納秒激光注入時刻提前皮秒激光600ns.2.2理論設(shè)計.主要采用IRAD方法模擬激光注入黑腔的輻射溫度和輻照均勻性[19],模擬的半柱腔直徑為2mm,腔長為1.0,1.5,2.0,2.5mm條件下樣品處的輻射場分布;模擬使用的激光參數(shù)為總能量6000J(以當(dāng)時激光輸出最大能量為輸入條件,獲取該腔型下最高的峰值輻射溫度)、波長為0.351µm、脈寬為3ns、入射角度為50°.Multi流體軟件模擬不同輻射波形下沖擊加載波形,模擬的輻射峰值溫度為140eV,脈寬分別為1,2,3ns,輸入的輻射波形為實測輻射波形中取幾個特征點,輸入的靶參數(shù)為錫靶,其厚度為0.5mm.

3結(jié)果

3.1輻射燒蝕均勻性的模擬優(yōu)化.利用IRAD軟件模擬半柱腔直徑為2mm、不同腔長下樣品處峰值輻射溫度分布,結(jié)果如圖2所示.在腔長為1mm條件下,輻射溫度分布圖上顯示4個局域高溫點且溫度分布極為不均勻.在腔長為1.5,2.0,2.5mm下,整個樣品處的輻射溫度分布較為均勻.以直徑為2mm,腔長為2mm為例,中心處輻射溫度為152eV,邊緣處輻射溫度為143eV,這個輻射場的均勻性在10%以內(nèi).輻射溫度在(150±2)eV區(qū)域的直徑為1.5mm,均勻性優(yōu)于2%.考慮到實驗中存在著激光注入時束間平衡、激光等離子體效應(yīng)等諸多效應(yīng)影響,實驗中半柱腔尺寸設(shè)計為直徑2mm,腔長2mm.3.2輻射波形.利用強激光注入半柱腔中產(chǎn)生均勻輻射場,通過納秒針孔相機監(jiān)測光斑注入正常,未形成掛邊等異常注入情況.再利用平響應(yīng)X射線衍射(FXRD)獲得不同能量、不同脈寬下輻射波形,如圖3所示.在激光脈寬為3ns情況下,輻射溫度峰值時刻為4.0ns處,考慮到測量信號的起點為1.1ns,實際輻射峰值溫度時刻為2.9ns.峰值溫度在激光能量1000J時為138eV,且隨激光能量提高而上升.在2ns情況下,實際輻射溫度峰值時刻為1.9ns.這里,激光能量1314J時輻射溫度反而略比844J低,經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)此發(fā)次FXRD的信噪比較大,但在誤差范圍內(nèi).3.3沖擊加載波形.沖擊加載波形指的是沖擊波到達靶后界面時靶內(nèi)壓力分布情況,此加載波形還與輻射波形與靶厚度有關(guān).利用一維流體軟件模擬不同輻射波形下加載波形,結(jié)果如圖4所示.從模擬結(jié)果看出,3種不同脈寬的輻射波形下,輻射驅(qū)動的加載波形均為三角波結(jié)構(gòu)分布,且隨著脈寬增加,峰值壓力有所增加.為了開展更高加載壓強的物理實驗,在金屬靶表面貼上厚度為10µm薄的CH層,通過輻射燒蝕CH層進行增壓.在這種條件下,通過Multi軟件模擬獲得加上CH層和未加CH層的加載壓力,進行比較,模擬結(jié)果顯示金屬樣品表面增加CH層能使得加載壓力增大約50%.3.4動態(tài)診斷結(jié)果.實驗通過上四束激光注入柱腔中,產(chǎn)生輻射燒蝕加載樣品;并利用高能X射線診斷加載后樣品動態(tài)破碎過程.典型發(fā)次的實驗結(jié)果(總能量為1000J,脈寬為3ns)如圖5所示.動態(tài)圖像清晰地顯示半柱腔已經(jīng)膨脹到一定程度但尚未完全解體,在柱腔側(cè)壁上仍能清楚地看到激光彈著點,柱腔頂端注入口已與側(cè)壁分離并飛行了一段距離.從圖5還可以看到靶支撐結(jié)構(gòu)和未擾動自由面位置.沖擊加載后的錫樣品形成塊狀層裂片,其厚度為0.06mm,脫離基底向前飛出,相對未擾動自由面運動的距離為0.3mm.在自由面速度曲線中,該動態(tài)過程為典型的層裂行為[20],起跳速度為0.65km/s,起跳時間為131ns,平均運動速度為0.55km/s.由圖中層裂片運動距離為0.3mm、運動時間為469ns(診斷時刻600ns減去自由面起跳時刻131ns),由此推出層裂片平均運動速度為(0.63±0.1)km/s,與PDV的測試結(jié)果一致(如圖6所示).

4討論

通過設(shè)計合適的半柱腔并開展強激光物理實驗,獲得間接驅(qū)動金屬樣品動態(tài)破碎過程的物理圖像.在不考慮激光注入束間平衡、激光等離子體效應(yīng)等條件下,通過模擬獲得較為理想的加載一維區(qū);通過實驗獲得輻射波形,并利用流體模擬獲得輻射驅(qū)動的加載波形;通過高能X射線動態(tài)成像,獲得層裂過程物理圖像.在此基礎(chǔ)上,仍需要對加載過程和一維平面性進行分析.4.1加載過程分析.強激光間接驅(qū)動的方式利用柱腔將激光轉(zhuǎn)換為X射線,并利用輻射燒蝕驅(qū)動對樣品進行加載.在考慮激光正常注入的條件下,即激光注入口未堵孔和激光等離子體效應(yīng)不太顯著等條件,樣品處的輻射分布均勻.通過物理實驗獲得實測輻射波形,在激光脈寬為1,2,3ns條件下,輻射脈寬均與激光脈寬相當(dāng);利用流體模擬軟件給出這3種輻射波形,輻射行為的加載波均為三角波加載,且同一輻射溫度、3種不同脈寬的輻射波形下,輻射驅(qū)動的加載波形均為三角波結(jié)構(gòu)分布,且隨著脈寬增加峰值壓力有所增加.這種加載方式與直接驅(qū)動加載方式有較好的相似性.同時,輻射燒蝕驅(qū)動加載中,在激光利用效率較低的情況下,可以通過對CH材料燒蝕實現(xiàn)對樣品增壓.在激光慣性聚變過程研究中,因聚變過程在數(shù)ns時間范圍內(nèi),只用考慮輻射燒蝕效應(yīng)對加載過程的影響;而在激光直接驅(qū)動材料動態(tài)燒蝕過程中,激光作用產(chǎn)生的等離子體會向外膨脹并飛散,不用考慮約束的等離子體對加載過程的影響;而利用間接驅(qū)動加載材料動態(tài)過程研究中,時間尺度在µs量級,同時在實驗中觀察到數(shù)百ns后金腔仍未完全解體,這須要考慮到腔內(nèi)約束的等離子體的影響,而這一方面的影響目前還難以用現(xiàn)有的流體力學(xué)軟件模擬.進一步的研究需要通過實驗測量沖擊波的波形,對動力學(xué)狀態(tài)進行定標(biāo).4.2平面性分析.在考慮激光正常注入的條件下,由IRAD模擬給出間接驅(qū)動的樣品輻射分布在直徑2mm范圍內(nèi)均勻性優(yōu)于10%;輻射溫度在(150±2)eV區(qū)域的直徑為1.5mm,均勻性優(yōu)于2%.這一加載過程可能受到束間平衡、等離子體堵孔及激光等離子體效應(yīng)等影響,因而須要利用動態(tài)診斷結(jié)果來判定加載一維加載大小及平面性.本研究在層裂片頭部區(qū)域選取一維平面區(qū),并在此區(qū)段內(nèi)選取多個點來評估加載平面性.選取的一維區(qū)大小為1.5mm,多個點統(tǒng)計獲得平面性為5%,此時獲得的一維區(qū)為后界面加載一維區(qū).在輻射燒蝕樣品表面上,輻射驅(qū)動的一維區(qū)分布需要考慮邊側(cè)稀疏波對沖擊波在靶內(nèi)傳輸過程中的影響,因此在由診斷圖像得到的加載一維區(qū)基礎(chǔ)上,需加上兩側(cè)的邊側(cè)稀疏波影響的區(qū)域.兩側(cè)的邊側(cè)稀疏影響區(qū)域為錫材料的聲速與沖擊波在靶內(nèi)傳輸?shù)臅r間的乘積.錫材料的聲速為2.61km/s,沖擊波在靶內(nèi)傳播時間由速度歷史結(jié)果給出為131ns.按此估算,兩側(cè)的邊側(cè)稀疏影響區(qū)域總共為2×2.61km/s×131ns=0.68mm,輻射驅(qū)動面的一維區(qū)大小估算為1.5mm+0.68mm=2.18mm,略大于柱腔直徑2mm.實際上,半柱腔直徑為2mm,因此加載區(qū)域只能限定為2mm.這一結(jié)果說明輻射驅(qū)動面的一維區(qū)在F2mm內(nèi)分布較為均勻.

5結(jié)論

通過物理實驗和數(shù)值模擬研究了強激光間接驅(qū)動沖擊加載金屬材料動態(tài)破碎過程的加載技術(shù).利用IRAD程序優(yōu)化設(shè)計直徑為2mm的半柱腔,在腔長為2mm條件下,樣品處的輻射場均勻性能夠滿足物理實驗需求.進一步通過物理實驗獲得此腔型下多個激光能量點,脈寬為2ns和3ns條件下的輻射峰值溫度和波形,為后續(xù)大直徑的腔型物理實驗提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù).同時,利用流體模擬方法給出多種輻射波形下的沖擊加載波形.最后,利用高能X射線成像方法給出間接驅(qū)動加載下層裂過程物理圖像,清晰地顯示半柱腔膨脹但尚未完全解體,同時獲得層裂片物理圖像及其厚度,分析得到平均運動速度.物理過程及運動速度與自由面速度歷史的診斷結(jié)果相符合.經(jīng)分析,間接驅(qū)動的加載一維區(qū)達到2mm,平面性優(yōu)于5%,能有效地開展相關(guān)物理實驗研究.研究結(jié)果能夠為新型柱腔設(shè)計、沖擊加載技術(shù)及動態(tài)破碎過程研究提供重要的研究基礎(chǔ).

作者:儲根柏 于明海 稅敏 范偉 席濤 景龍飛 趙永強 吳玉遲 辛建婷 周維民