強(qiáng)激光間接驅(qū)動(dòng)材料動(dòng)態(tài)破碎過程的實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究*

儲(chǔ)根柏 于明海 稅敏 范偉 席濤 景龍飛 趙永強(qiáng) 吳玉遲 辛建婷? 周維民

1) (中國(guó)工程物理研究院激光聚變研究中心,高溫高密度等離子體物理實(shí)驗(yàn)室,綿陽(yáng) 621900)

2) (中國(guó)工程物理研究院激光聚變研究中心實(shí)驗(yàn)物理部,綿陽(yáng) 621900)

強(qiáng)激光驅(qū)動(dòng)加載已成為沖擊波作用下材料動(dòng)態(tài)破碎過程研究的一種有效手段.采用間接驅(qū)動(dòng)方式,設(shè)計(jì)合適的腔型進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)研究,可實(shí)現(xiàn)更大且更均勻的沖擊加載一維區(qū).采用數(shù)值模擬和物理實(shí)驗(yàn)方法,研究強(qiáng)激光間接驅(qū)動(dòng)材料動(dòng)態(tài)破碎過程的實(shí)驗(yàn)技術(shù).首先,利用IRAD程序設(shè)計(jì)適用于開展動(dòng)態(tài)破碎過程研究的半柱腔,其直徑為2 mm、腔長(zhǎng)為2 mm;進(jìn)而通過物理實(shí)驗(yàn)獲得此腔型下多個(gè)激光能量點(diǎn)、脈寬2 ns和3 ns條件下輻射峰值溫度和波形;最后,利用流體模擬方法給出多種輻射波形下的沖擊加載波形.利用高能X射線成像和光子多普勒干涉儀診斷給出間接驅(qū)動(dòng)加載下層裂過程的物理圖像和速度歷史.經(jīng)分析發(fā)現(xiàn),間接驅(qū)動(dòng)的加載一維區(qū)達(dá)到2 mm,平面性優(yōu)于5%,能有效地開展相關(guān)物理實(shí)驗(yàn)研究.研究結(jié)果為新型柱腔設(shè)計(jì)、沖擊加載技術(shù)及動(dòng)態(tài)破碎過程研究提供了重要的研究基礎(chǔ).

1 引 言

沖擊加載下材料動(dòng)態(tài)破碎過程研究是目前沖擊波物理研究中一個(gè)熱點(diǎn)問題[1?5],強(qiáng)激光驅(qū)動(dòng)加載已成為相關(guān)物理實(shí)驗(yàn)研究的一種有效手段[2,6?9].激光驅(qū)動(dòng)加載要求沖擊加載的一維區(qū)達(dá)到mm級(jí),且具有較好的均勻性[1,7].目前的物理實(shí)驗(yàn)主要利用強(qiáng)激光直接驅(qū)動(dòng)方式[10,11],即強(qiáng)激光直接燒蝕材料表面的方式產(chǎn)生沖擊波并對(duì)樣品進(jìn)行加載;利用特定設(shè)計(jì)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(qiáng)激光束的焦斑勻滑為直徑2 mm 且均勻分布[13].在實(shí)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1 mm左右,且一維加載后產(chǎn)生的沖擊波在亞毫米級(jí)厚度的金屬靶內(nèi)傳輸過程中,受邊側(cè)稀疏波的影響,會(huì)持續(xù)變小;沖擊波出界面時(shí)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(dòng)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(jì)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(jì)和加工匹配的難題;同時(shí)考慮到刻蝕后光束近場(chǎng)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(jìn)一步降低,這將造成直接驅(qū)動(dòng)的加載壓強(qiáng)無法達(dá)到預(yù)定值.2)設(shè)計(jì)多個(gè)均勻光束在靶面上進(jìn)行交疊,從而增大光束均勻分布的范圍,這一過程對(duì)激光瞄準(zhǔn)注入精度要求非常高,通常很難達(dá)到.3)采用間接驅(qū)動(dòng)方式[6,14,15],可設(shè)計(jì)直徑更大的柱腔加載,這一方面的物理實(shí)驗(yàn)開展的較少.間接驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)中,激光在黑腔中轉(zhuǎn)換為X射線,進(jìn)而燒蝕平面靶,因而驅(qū)動(dòng)效率會(huì)明顯降低.考慮可行性與實(shí)驗(yàn)周期,采用間接驅(qū)動(dòng)方式,設(shè)計(jì)合適的腔型及激光參數(shù)開展相關(guān)物理實(shí)驗(yàn),為后續(xù)實(shí)驗(yàn)提供基礎(chǔ).

本文主要研究強(qiáng)激光間接驅(qū)動(dòng)金屬材料動(dòng)態(tài)破碎過程的加載技術(shù).通過IRAD數(shù)值模擬設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)所需的半柱腔,并通過物理實(shí)驗(yàn)獲得此腔型下多個(gè)激光能量點(diǎn)、脈寬2 ns和3 ns條件下輻射峰值溫度和波形.同時(shí),利用流體模擬方法給出1,2,3 ns輻射波形下沖擊加載波形.動(dòng)態(tài)物理實(shí)驗(yàn)給出峰值輻射溫度為138 eV下間接驅(qū)動(dòng)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(dòng)的加載一維區(qū)達(dá)到2 mm,平面性優(yōu)于5%.研究結(jié)果為后續(xù)物理實(shí)驗(yàn)奠定了良好的基礎(chǔ).

2 實(shí)驗(yàn)與理論設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)在神光大型激光裝置上完成,實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示.實(shí)驗(yàn)利用上四路納秒激光注入半柱腔中產(chǎn)生X射線并對(duì)錫平面靶進(jìn)行沖擊加載;在一定的時(shí)間延遲后,利用皮秒激光作用產(chǎn)生微焦點(diǎn)、高能X射線對(duì)加載后樣品成像[13],并采用成像板（IP）記錄圖像；同時(shí)利用光子多普勒干涉儀(PDV)對(duì)界面速度進(jìn)行診斷[16].高能X射線成像及PDV測(cè)速的細(xì)節(jié)內(nèi)容已在文獻(xiàn)[13,16]中報(bào)道,這里不再贅述.

實(shí)驗(yàn)中半柱腔為 Au 腔,其直徑為 2 mm,腔長(zhǎng)為2mm,注入口直徑為0.8 mm,腔壁厚為0.04 mm.錫靶厚度為 0.5 mm,光潔表面,表面粗糙度優(yōu)于 0.1 μm.為了提高輻射驅(qū)動(dòng)壓力,錫靶上表面粘上 CH 層 (薄膜,只含 C,H 元素),其厚度為 10 μm.背光靶為 Au 絲靶,Au 絲直徑為 20 μm,長(zhǎng)度為 0.5 mm,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(gè)點(diǎn),定義為靶室中心),背光靶置于靶室中心偏北20 mm (靶室平面為赤道面,再按實(shí)際方位分東西南北向).

圖1 激光間接驅(qū)動(dòng)沖擊加載物理實(shí)驗(yàn)示意圖Fig.1.The schematic view of indirect driving shock wave experiments via lasers.

納秒激光參數(shù)為上四束激光,激光波長(zhǎng)為0.351 μm,脈寬為 3 ns或 2 ns,CPP 束勻滑后焦斑直徑為0.45 mm,實(shí)驗(yàn)中每發(fā)次激光能量均實(shí)測(cè),數(shù)值在 800—4800 J 范圍內(nèi),納秒激光注入黑腔中.皮秒激光頻率為 1.06 μm,脈寬為 10 ps,能量為 450 J,聚焦光斑 Φ50 μm,注入絲靶中心.皮秒激光與絲靶相互作用會(huì)產(chǎn)生微焦點(diǎn)、高能X射線[13,17,18],能段范圍為 50—200 keV,前期實(shí)驗(yàn)表明Φ20 μm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20 μm左右.典型發(fā)次的動(dòng)態(tài)診斷實(shí)驗(yàn)中,納秒激光注入時(shí)刻提前皮秒激光600 ns.

2.2 理論設(shè)計(jì)

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2 mm,腔長(zhǎng)為 1.0,1.5,2.0,2.5 mm 條件下樣品處的輻射場(chǎng)分布;模擬使用的激光參數(shù)為總能量6000 J(以當(dāng)時(shí)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(zhǎng)為0.351 μm、脈寬為 3 ns、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 140 eV,脈寬分別為 1,2,3 ns,輸入的輻射波形為實(shí)測(cè)輻射波形中取幾個(gè)特征點(diǎn),輸入的靶參數(shù)為錫靶,其厚度為 0.5 mm.

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2 mm、不同腔長(zhǎng)下樣品處峰值輻射溫度分布,結(jié)果如圖2所示.在腔長(zhǎng)為1 mm條件下,輻射溫度分布圖上顯示4個(gè)局域高溫點(diǎn)且溫度分布極為不均勻.在腔長(zhǎng)為 1.5,2.0,2.5 mm 下,整個(gè)樣品處的輻射溫度分布較為均勻.以直徑為 2 mm,腔長(zhǎng)為 2 mm 為例,中心處輻射溫度為152 eV,邊緣處輻射溫度為143 eV,這個(gè)輻射場(chǎng)的均勻性在 10% 以內(nèi).輻射溫度在 (150 ± 2) eV 區(qū)域的直徑為 1.5 mm,均勻性優(yōu)于2 %.考慮到實(shí)驗(yàn)中存在著激光注入時(shí)束間平衡、激光等離子體效應(yīng)等諸多效應(yīng)影響,實(shí)驗(yàn)中半柱腔尺寸設(shè)計(jì)為直徑 2 mm,腔長(zhǎng) 2 mm.

圖2 不同腔長(zhǎng)下樣品處的輻射分布Fig.2.Radiation distribution in the surface of the sample for hohlraum with different lengths.

3.2 輻射波形

利用強(qiáng)激光注入半柱腔中產(chǎn)生均勻輻射場(chǎng),通過納秒針孔相機(jī)監(jiān)測(cè)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3 ns情況下,輻射溫度峰值時(shí)刻為 4.0 ns處,考慮到測(cè)量信號(hào)的起點(diǎn)為1.1 ns,實(shí)際輻射峰值溫度時(shí)刻為 2.9 ns.峰值溫度在激光能量 1000 J 時(shí)為 138 eV,且隨激光能量提高而上升.在2 ns情況下,實(shí)際輻射溫度峰值時(shí)刻為 1.9 ns.這里,激光能量 1314 J 時(shí)輻射溫度反而略比844 J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(dá)靶后界面時(shí)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(dòng)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.

圖3 輻射波形 (a)激光脈寬 3 ns;(b)激光脈寬 2 nsFig.3.Radiation wave at different pulse duration of laser:(a) 3 ns;(b) 2 ns.

為了開展更高加載壓強(qiáng)的物理實(shí)驗(yàn),在金屬靶表面貼上厚度為10 μm薄的CH層,通過輻射燒蝕CH層進(jìn)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(jìn)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%.

圖4 (a)不同輻射波形;(b)沖擊加載波形Fig.4.(a) Radiation wave;(b) loading shock wave at different pulse duration of laser.

3.4 動(dòng)態(tài)診斷結(jié)果

實(shí)驗(yàn)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(dòng)態(tài)破碎過程.典型發(fā)次的實(shí)驗(yàn)結(jié)果(總能量為1000 J,脈寬為 3 ns)如圖5 所示.動(dòng)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(diǎn),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(dòng)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 0.06 mm,脫離基底向前飛出,相對(duì)未擾動(dòng)自由面運(yùn)動(dòng)的距離為0.3 mm.在自由面速度曲線中,該動(dòng)態(tài)過程為典型的層裂行為[20],起跳速度為0.65 km/s,起跳時(shí)間為 131 ns,平均運(yùn)動(dòng)速度為0.55 km/s.由圖中層裂片運(yùn)動(dòng)距離為 0.3 mm、運(yùn)動(dòng)時(shí)間為 469 ns (診斷時(shí)刻 600 ns 減去自由面起跳時(shí)刻131 ns),由此推出層裂片平均運(yùn)動(dòng)速度為(0.63 ± 0.1) km/s,與 PDV 的測(cè)試結(jié)果一致 (如圖6所示).

圖5 高能X射線動(dòng)態(tài)診斷間接驅(qū)動(dòng)的層裂過程Fig.5.High energy X-ray radiography of spall from indirect drive by laser.

圖6 間接驅(qū)動(dòng)層裂過程的自由面速度歷史Fig.6.Velocity of free surface of spall from indirect drive by laser.

4 討 論

通過設(shè)計(jì)合適的半柱腔并開展強(qiáng)激光物理實(shí)驗(yàn),獲得間接驅(qū)動(dòng)金屬樣品動(dòng)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(shí)驗(yàn)獲得輻射波形,并利用流體模擬獲得輻射驅(qū)動(dòng)的加載波形;通過高能X射線動(dòng)態(tài)成像,獲得層裂過程物理圖像.在此基礎(chǔ)上,仍需要對(duì)加載過程和一維平面性進(jìn)行分析.

4.1 加載過程分析

強(qiáng)激光間接驅(qū)動(dòng)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(dòng)對(duì)樣品進(jìn)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(shí)驗(yàn)獲得實(shí)測(cè)輻射波形,在激光脈寬為 1,2,3 ns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(dòng)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(dòng)加載方式有較好的相似性.同時(shí),輻射燒蝕驅(qū)動(dòng)加載中,在激光利用效率較低的情況下,可以通過對(duì)CH材料燒蝕實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)間范圍內(nèi),只用考慮輻射燒蝕效應(yīng)對(duì)加載過程的影響;而在激光直接驅(qū)動(dòng)材料動(dòng)態(tài)燒蝕過程中,激光作用產(chǎn)生的等離子體會(huì)向外膨脹并飛散,不用考慮約束的等離子體對(duì)加載過程的影響;而利用間接驅(qū)動(dòng)加載材料動(dòng)態(tài)過程研究中,時(shí)間尺度在μs量級(jí),同時(shí)在實(shí)驗(yàn)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(jìn)一步的研究需要通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量沖擊波的波形,對(duì)動(dòng)力學(xué)狀態(tài)進(jìn)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(dòng)的樣品輻射分布在直徑2 mm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 1.5 mm,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(dòng)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(gè)點(diǎn)來評(píng)估加載平面性.選取的一維區(qū)大小為1.5 mm,多個(gè)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)獲得平面性為5 %,此時(shí)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(dòng)的一維區(qū)分布需要考慮邊側(cè)稀疏波對(duì)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?yàn)殄a材料的聲速與沖擊波在靶內(nèi)傳輸?shù)臅r(shí)間的乘積.錫材料的聲速為2.61 km/s,沖擊波在靶內(nèi)傳播時(shí)間由速度歷史結(jié)果給出為 131 ns.按此估算,兩側(cè)的邊側(cè)稀疏影響區(qū)域總共為 2×2.61 km/s×131 ns=0.68 mm,輻射驅(qū)動(dòng)面的一維區(qū)大小估算為 1.5 mm+0.68 mm=2.18 mm,略大于柱腔直徑 2 mm.實(shí)際上,半柱腔直徑為 2 mm,因此加載區(qū)域只能限定為2 mm.這一結(jié)果說明輻射驅(qū)動(dòng)面的一維區(qū)在Φ2 mm內(nèi)分布較為均勻.

5 結(jié) 論

通過物理實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究了強(qiáng)激光間接驅(qū)動(dòng)沖擊加載金屬材料動(dòng)態(tài)破碎過程的加載技術(shù).利用IRAD程序優(yōu)化設(shè)計(jì)直徑為2 mm的半柱腔,在腔長(zhǎng)為2 mm條件下,樣品處的輻射場(chǎng)均勻性能夠滿足物理實(shí)驗(yàn)需求.進(jìn)一步通過物理實(shí)驗(yàn)獲得此腔型下多個(gè)激光能量點(diǎn),脈寬為 2 ns和 3 ns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(shí)驗(yàn)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù).同時(shí),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(dòng)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(shí)獲得層裂片物理圖像及其厚度,分析得到平均運(yùn)動(dòng)速度.物理過程及運(yùn)動(dòng)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(dòng)的加載一維區(qū)達(dá)到 2 mm,平面性優(yōu)于 5 %,能有效地開展相關(guān)物理實(shí)驗(yàn)研究.研究結(jié)果能夠?yàn)樾滦椭辉O(shè)計(jì)、沖擊加載技術(shù)及動(dòng)態(tài)破碎過程研究提供重要的研究基礎(chǔ).

感謝中國(guó)工程物理研究院激光聚變研究中心靶制備部門的同事及上海神光II升級(jí)激光裝置運(yùn)行團(tuán)隊(duì)的合作.