激光等離子體射流驅(qū)動(dòng)亞毫米直徑鋁飛片及姿態(tài)診斷*

稅敏 席濤 閆永宏 于明海 儲(chǔ)根柏 朱斌 何衛(wèi)華 趙永強(qiáng) 王少義 范偉 盧峰 楊雷 辛建婷 周維民

(中國(guó)工程物理研究院激光聚變研究中心,等離子體物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,綿陽(yáng) 621900)

強(qiáng)激光燒蝕低密度有機(jī)材料形成等離子體射流碰撞,可以對(duì)材料進(jìn)行準(zhǔn)等熵加載,比激光沖擊加載應(yīng)變率低,相同壓強(qiáng)下可以獲得更高的壓縮度和更低的溫升,在狀態(tài)方程、飛片加速等方面有很強(qiáng)的應(yīng)用前景.在星光III 置上首次開(kāi)展了等離子體射流驅(qū)動(dòng)小尺寸鋁飛片及姿態(tài)診斷聯(lián)合實(shí)驗(yàn).通過(guò)調(diào)控有機(jī)材料厚度和真空間隙長(zhǎng)度,獲得了厚度20 μm、直徑約400 μm 的鋁飛片,飛片加速時(shí)間長(zhǎng)達(dá)200 ns.基于ps 拍瓦激光的高能X 光背光照相結(jié)果顯示鋁飛片在飛行約400 μm 距離后仍然保持了很好的飛行姿態(tài)和完整性.

1 引言

利用激光燒蝕有機(jī)材料(以下簡(jiǎn)稱氣庫(kù)膜)形成等離子體射流可以對(duì)材料產(chǎn)生準(zhǔn)等熵加載[1],在高壓下固體材料高應(yīng)變率動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性[2]、相變[3,4]、狀態(tài)方程[5]及小尺寸飛片產(chǎn)生[6]等方面都有廣闊的應(yīng)用前景.2012 年,Fratanduono 等[6]在勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LLNL)利用激光燒蝕聚酰亞胺薄膜產(chǎn)生等離子體將20 μm 厚度、直徑約1 mm 的鋁飛片緩慢加速到5 km/s 的速度.任意反射面速度干涉儀(VISAR)測(cè)得的干涉條紋光滑連續(xù),一維平面性良好,流體模擬顯示飛片碰撞前溫升僅不到50 ℃,表明該方法(驅(qū)動(dòng)的飛片)在狀態(tài)方程(EOS)的絕對(duì)測(cè)量方面具有很強(qiáng)的應(yīng)用潛力.2017 年,Shu 等[7]利用這種激光準(zhǔn)等熵加載方法開(kāi)展了鋁的狀態(tài)方程絕對(duì)測(cè)量.通過(guò)調(diào)節(jié)激光能量,他們將25 μm 厚度、直徑約1 mm 的鋁飛片加速到4—12 km/s 的速度,通過(guò)與鋁臺(tái)階樣品撞擊,同時(shí)獲得了鋁飛片撞擊時(shí)刻的速度和樣品中的沖擊波速度,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鋁材料的EOS 絕對(duì)測(cè)量.該實(shí)驗(yàn)獲得了50—200 GPa 壓力區(qū)間的鋁沖擊雨貢紐數(shù)據(jù),與不同加載方法獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有很好的一致性,間接證明了這種激光準(zhǔn)等熵驅(qū)動(dòng)方式產(chǎn)生的飛片具有比較好的飛行姿態(tài)和較低的溫升.同年,本研究組[8]也發(fā)表了在原型裝置上開(kāi)展的激光驅(qū)動(dòng)飛片研究的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,將20—30 μm 厚度的鋁飛片和鉭飛片加速到3—11 km/s 的速度.從上述研究可以看出,利用激光等離子體射流碰撞可以驅(qū)動(dòng)平面性好、溫升較低的飛片,這一點(diǎn)相比傳統(tǒng)的激光驅(qū)動(dòng)帶窗口約束的飛片具有明顯的優(yōu)勢(shì)[9?13].然而,目前對(duì)于飛片平面性和完整性的表征,主要依賴線VISAR 測(cè)量[7,8]和驗(yàn)證板[13,14]的結(jié)果,對(duì)飛片的飛行姿態(tài)和表觀形貌(平面性和完整性)都缺乏直接的觀測(cè)結(jié)果,而這很大程度上決定了激光驅(qū)動(dòng)飛片能否在EOS 甚至更多的研究領(lǐng)域(如激光驅(qū)動(dòng)飛片起爆[10])得到廣泛和深入的應(yīng)用.近兩年,基于皮秒拍瓦激光的高分辨X射線背光照相技術(shù)[15]由于具有高亮度、高時(shí)空分辨的特點(diǎn),在慣性約束聚變內(nèi)爆過(guò)程和沖擊加載材料微噴過(guò)程研究[16?19]方面已經(jīng)獲得了重要應(yīng)用.借助這種高時(shí)空分辨的透視成像技術(shù),有望實(shí)時(shí)捕捉到小尺寸飛片的飛行姿態(tài)和表觀形貌,為激光驅(qū)動(dòng)飛片應(yīng)用研究奠定更堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).本文基于星光III 裝置,開(kāi)展激光等離子體射流驅(qū)動(dòng)飛片和姿態(tài)診斷實(shí)驗(yàn),優(yōu)化激光參數(shù)和靶參數(shù),解決X 光照相的干擾問(wèn)題,獲得清晰的飛片姿態(tài)圖像,并對(duì)結(jié)果進(jìn)行細(xì)致的分析.

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 激光參數(shù)和靶參數(shù)

實(shí)驗(yàn)使用星光III 裝置三倍頻納秒束激光進(jìn)行加載,能量小于60 J,脈沖波形為2 ns 方波.使用1 mm 直徑的連續(xù)相位板(CPP)對(duì)ns 激光進(jìn)行空間勻滑,提高加載光束的空間均勻性,提高飛片的平面性和完整性.放置1 mm CPP 后,遠(yuǎn)場(chǎng)光學(xué)焦斑分布如圖1 和圖2 所示,平頂區(qū)尺寸約0.7 mm×0.7 mm.皮秒激光用于產(chǎn)生照相用的X 光源,能量小于50 J,脈寬約為8 ps,經(jīng)拋物面鏡聚焦到焦斑小于30 μm(能量集中度大于50%).實(shí)驗(yàn)中,鋁飛片初始厚度20 μm,氣庫(kù)膜(CH)厚度150 μm,真空間隙長(zhǎng)度(氣庫(kù)膜與飛片之間的距離) 400 μm,如圖3 所示.

圖1 經(jīng)過(guò)1 mm CPP 后的遠(yuǎn)場(chǎng)光學(xué)焦斑空間分布Fig.1.On-target focal spot of nanosecond beam after 1 mm CPP.

圖2 遠(yuǎn)場(chǎng)光學(xué)焦斑的一維強(qiáng)度空間分布 (a) 沿著y 軸;(b) 沿著x 軸Fig.2.One-dimensional on-target focal spot of nanosecond beam after 1 mm CPP:(a) Along y axis;(b) along x axis.

圖3 等離子體射流驅(qū)動(dòng)飛片及姿態(tài)診斷原理示意圖Fig.3.Schematic view of plasma-driven flyer and gesture investigation.

2.2 原理和診斷設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理示意圖如圖3 所示,ns 激光經(jīng)過(guò)束勻滑后燒蝕氣庫(kù)膜(CH 摻Br)材料,產(chǎn)生的沖擊波卸載使CHBr 材料熔化并形成等離子體,等離子體通過(guò)真空間隙持續(xù)噴射到飛片上,通過(guò)動(dòng)能轉(zhuǎn)換,推動(dòng)飛片緩慢飛行.與激光沖擊加載方式相比,這種方式可以減小飛片的溫升,降低熔化和破碎的風(fēng)險(xiǎn),飛片更容易保持好的姿態(tài).利用ps 束激光與背光靶作用產(chǎn)生X 光對(duì)飛片姿態(tài)進(jìn)行側(cè)向透視照相(HXI),結(jié)合陰影照相[20]和界面沖擊波診斷系統(tǒng)(PDV)聯(lián)合測(cè)量[18],研究飛片的加速過(guò)程、表觀形貌和飛行姿態(tài)演化(翻滾、彎曲、傾斜等).實(shí)驗(yàn)診斷排布示意圖如圖4 所示,針孔相機(jī)(PHC)用于監(jiān)測(cè)打靶激光產(chǎn)生的X 光焦斑.

圖4 實(shí)驗(yàn)診斷排布示意圖(俯視圖)Fig.4.Schematic view of experimental diagnostic configuration (top view).

2.3 理論計(jì)算預(yù)估

使用1 維Multi 軟件模擬計(jì)算飛片的加速過(guò)程.飛片速度與飛片厚度、激光能量、氣庫(kù)膜厚度和真空間隙長(zhǎng)度都相關(guān).為減少變量個(gè)數(shù),降低數(shù)值模擬的計(jì)算量,設(shè)計(jì)飛片厚度為20 μm,氣庫(kù)膜厚度為150 μm(直徑2 mm,中心為直徑500 μm的等離子體約束孔).根據(jù)飛片速度曲線,優(yōu)化ns激光能量(裝置輸出能量小于100 J)和真空間隙長(zhǎng)度,在保證飛片峰值速度達(dá)到2 km/s 左右時(shí),盡量延長(zhǎng)飛片的加速時(shí)間,減小飛片的溫升.不同激光能量和真空間隙長(zhǎng)度的模擬結(jié)果如圖5 所示,最終選擇真空間隙長(zhǎng)度400 μm,ns 激光能量50 J(能量再低則穩(wěn)定性變差),如圖中黑色曲線所示,采用該設(shè)計(jì),飛片加速更緩慢,加速過(guò)程超過(guò)了300 ns,曲線平滑,沒(méi)有沖擊.

圖5 不同能量和真空間隙長(zhǎng)度下Multi 計(jì)算的鋁飛片速度曲線Fig.5.Aluminum flyer velocity obtained by Multi calculation at different laser energy and vacuum gap length.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

一共開(kāi)展了兩輪實(shí)驗(yàn),動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)3 發(fā),靜態(tài)實(shí)驗(yàn)1 發(fā),如表1 所列.ps 束照相延時(shí)為ps 激光落后ns 激光前沿的時(shí)間.

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)Table 1. Experimental parameter above the shocked melting point.

3.2 等離子體射流碰撞準(zhǔn)等熵加速鋁飛片

不同ns 激光能量加載的鋁飛片自由面速度曲線如圖6 所示,可以看到,飛片加速過(guò)程比較緩慢,速度上升沿超過(guò)了100 ns,與Multi 計(jì)算的結(jié)果比較吻合.利用“反積分”方法[21]計(jì)算可以得到加載應(yīng)變率105—106s–1,比通常的激光準(zhǔn)等熵加載低近2 個(gè)量級(jí)[21].

圖6 PDV 測(cè)量的不同激光能量對(duì)應(yīng)的鋁飛片自由面速度曲線Fig.6.Aluminum flyer velocity obtained by PDV measurements at different ns laser energy.

3.3 鋁飛片飛行姿態(tài)診斷

在開(kāi)展動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)前,首先進(jìn)行了靜態(tài)客體成像實(shí)驗(yàn),獲得了0.2 mm 厚Cu 板客體(中間開(kāi)十字形孔)的圖像,如圖7(a)所示.采用邊緣擴(kuò)展函數(shù)(ESF)對(duì)十字孔邊緣強(qiáng)度分布進(jìn)行擬合[18],得到靜態(tài)成像空間分辨約為11 μm,如圖7(b)所示.照相的時(shí)間分辨約為幾十ps,放大倍數(shù)40,視場(chǎng)2.5 mm×2.5 mm.

圖7 背光照相的靜態(tài)空間分辨 (a) Cu 客體背光圖像;(b)空間分辨擬合結(jié)果Fig.7.Static spatial resolution:(a) Radiography of copper slab;(b) spatial resolution determined by edge spread function.

典型的鋁飛片側(cè)向飛行姿態(tài)圖像分別如圖8和圖9 所示.從圖8 可以看到,相比初始自由面位置(豎直方向),飛片整體發(fā)生了比較明顯的傾斜(約40°).仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn),初始靶面存在一定的傾斜(沿順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)約10°),自由面下部出現(xiàn)了一個(gè)由沖擊波作用導(dǎo)致的微層裂鼓包結(jié)構(gòu)[19],說(shuō)明激光加載中心位置偏離了中心約束孔.根據(jù)鼓包形狀,可以確定加載激光整體下移了約0.5 mm.加上靶面有一定傾斜,飛片下半部分受到了更強(qiáng)的等離子體沖擊,飛片飛出后逐漸沿順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn),最終造成了較大的傾斜.為便于分析,將飛片旋轉(zhuǎn)到豎直方向,如圖8(b)所示,根據(jù)每個(gè)像素代表的實(shí)際尺寸,可以確定飛片厚度約20 μm,直徑約440 μm.飛片飛行過(guò)程中,由于側(cè)向稀疏導(dǎo)致飛片邊緣滯后,飛片呈典型鍋底狀,但飛片并沒(méi)有斷裂破碎,表明等離子體射流碰撞沒(méi)有在飛片內(nèi)部形成強(qiáng)沖擊波,大部分能量都轉(zhuǎn)化成了飛片的動(dòng)能,飛片的溫升較小,沒(méi)有熔化汽化,仍保持了很好的完整性.根據(jù)照相延時(shí)和飛行距離,估算得到飛片平均速度約為2.2 km/s.另一發(fā)典型實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9 所示,飛片姿態(tài)較好,沒(méi)有發(fā)生明顯的傾斜.飛片厚度20 μm,飛行距離540 μm,平均速度約2.2 km/s.同樣,由于邊側(cè)稀疏,飛片整體呈鍋底狀,橫向尺寸約500 μm.此外,可以清晰地看到作用在飛片后方的較低密度的CH 等離子體射流.

圖8 等離子體射流驅(qū)動(dòng)鋁飛片的X 光圖像(其中照相延時(shí)346 ns)(a) 原始圖像;(b) 飛片旋轉(zhuǎn)放大后的圖像Fig.8.Radiography of aluminum flyer driven by laser plasma,where time delay is 346 ns:(a) Raw image;(b) magnified flyer image after rotation.

圖9 等離子體射流驅(qū)動(dòng)的鋁飛片X 光圖像,其中照相延時(shí)350 nsFig.9.Radiography of aluminum flyer driven by laser plasma,where time delay is 350 ns.

3.4 陰影成像

利用可見(jiàn)光陰影成像測(cè)量了飛片和等離子體演化的輪廓圖像,典型結(jié)果如圖10 所示,由于可見(jiàn)光沒(méi)有密度分辨能力,無(wú)法區(qū)分飛片和等離子體,但比較平坦的陰影頭部一定程度上反映了飛片具有較好的平面性.由于等離子體射流的膨脹和擴(kuò)散,隨著照相延時(shí)的增加,頭部輪廓位移逐漸增大,陰影面積也不斷增加.根據(jù)陰影照相結(jié)果(尤其第一幅)可以判斷飛片啟動(dòng)時(shí)刻和加速過(guò)程,為X 光照相延時(shí)設(shè)置提供參考.

圖10 典型的等離子體射流驅(qū)動(dòng)鋁飛片陰影圖像,其中相對(duì)ns 激光延時(shí)分別為(a) 120 ns,(b) 180 ns,(c) 240 ns,(d) 300 nsFig.10.Typical shadowgraphs of aluminum flyer driven by laser plasma,where the time delay referring to ns laser is (a) 120 ns,(b) 180 ns,(c) 240 ns,(d) 300 ns.

4 結(jié)論

在星光III 裝置上開(kāi)展了激光等離子體射流碰撞驅(qū)動(dòng)小尺寸金屬飛片及飛行姿態(tài)聯(lián)合診斷實(shí)驗(yàn),獲得了典型的鋁飛片X 光透視圖像、陰影圖像和和速度曲線.通過(guò)調(diào)控CH 燒蝕層厚度和真空間隙長(zhǎng)度,實(shí)現(xiàn)了將等離子體碰撞轉(zhuǎn)換成幅值連續(xù)變化的應(yīng)力波加載,從而緩慢加速飛片飛行.實(shí)驗(yàn)獲得了20 μm 厚度的鋁飛片,直徑約0.5 mm,由于邊側(cè)稀疏,飛片呈典型鍋底狀,飛片加速時(shí)間長(zhǎng)達(dá)200 ns,平均速度2.2 km/s.等離子體加載的應(yīng)變率105—106s–1,比通常的激光準(zhǔn)等熵加載應(yīng)變率下降了近2 個(gè)量級(jí),大大地降低了飛片飛行過(guò)程中的溫升,使飛片可以更長(zhǎng)時(shí)間維持完整形態(tài).后續(xù),將開(kāi)展更多發(fā)次實(shí)驗(yàn),研究飛片飛行姿態(tài)的演化過(guò)程.