強激光間接驅動材料動態破碎過程的實驗技術研究*

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

1) (中國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驗室,綿陽 621900)

2) (中國工程物理研究院激光聚變研究中心實驗物理部,綿陽 621900)

強激光驅動加載已成為沖擊波作用下材料動態破碎過程研究的一種有效手段.采用間接驅動方式,設計合適的腔型進行物理實驗研究,可實現更大且更均勻的沖擊加載一維區.采用數值模擬和物理實驗方法,研究強激光間接驅動材料動態破碎過程的實驗技術.首先,利用IRAD程序設計適用于開展動態破碎過程研究的半柱腔,其直徑為2 mm、腔長為2 mm;進而通過物理實驗獲得此腔型下多個激光能量點、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動加載下層裂過程的物理圖像和速度歷史.經分析發現,間接驅動的加載一維區達到2 mm,平面性優于5%,能有效地開展相關物理實驗研究.研究結果為新型柱腔設計、沖擊加載技術及動態破碎過程研究提供了重要的研究基礎.

1 引 言

沖擊加載下材料動態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],強激光驅動加載已成為相關物理實驗研究的一種有效手段[2,6?9].激光驅動加載要求沖擊加載的一維區達到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動方式[10,11],即強激光直接燒蝕材料表面的方式產生沖擊波并對樣品進行加載;利用特定設計的連續相位板(CPP)[7,12]調節加載面大小及均勻性,將強激光束的焦斑勻滑為直徑2 mm 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域僅有1 mm左右,且一維加載后產生的沖擊波在亞毫米級厚度的金屬靶內傳輸過程中,受邊側稀疏波的影響,會持續變小;沖擊波出界面時一維加載區域變得非常小,不利于開展一維加載下材料動態破碎過程.

目前解決此類加載技術問題的方法主要包括以下幾方面.1)設計直徑更大的均勻光斑加載,這也要求CPP刻蝕深度更深,存在設計和加工匹配的難題;同時考慮到刻蝕后光束近場調制造成的光學元件損傷的問題,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,這將造成直接驅動的加載壓強無法達到預定值.2)設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注入精度要求非常高,通常很難達到.3)采用間接驅動方式[6,14,15],可設計直徑更大的柱腔加載,這一方面的物理實驗開展的較少.間接驅動實驗中,激光在黑腔中轉換為X射線,進而燒蝕平面靶,因而驅動效率會明顯降低.考慮可行性與實驗周期,采用間接驅動方式,設計合適的腔型及激光參數開展相關物理實驗,為后續實驗提供基礎.

本文主要研究強激光間接驅動金屬材料動態破碎過程的加載技術.通過IRAD數值模擬設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2 ns和3 ns條件下輻射峰值溫度和波形.同時,利用流體模擬方法給出1,2,3 ns輻射波形下沖擊加載波形.動態物理實驗給出峰值輻射溫度為138 eV下間接驅動加載下層裂的物理圖像及自由面速度.經分析,間接驅動的加載一維區達到2 mm,平面性優于5%.研究結果為后續物理實驗奠定了良好的基礎.

2 實驗與理論設計

2.1 實驗設計

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測速的細節內容已在文獻[13,16]中報道,這里不再贅述.

實驗中半柱腔為 Au 腔,其直徑為 2 mm,腔長為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,表面粗糙度優于 0.1 μm.為了提高輻射驅動壓力,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20 mm (靶室平面為赤道面,再按實際方位分東西南北向).

圖1 激光間接驅動沖擊加載物理實驗示意圖Fig.1.The schematic view of indirect driving shock wave experiments via lasers.

納秒激光參數為上四束激光,激光波長為0.351 μm,脈寬為 3 ns或 2 ns,CPP 束勻滑后焦斑直徑為0.45 mm,實驗中每發次激光能量均實測,數值在 800—4800 J 范圍內,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產生微焦點、高能X射線[13,17,18],能段范圍為 50—200 keV,前期實驗表明Φ20 μm絲靶產生X射線可用于高空間分辨成像,成像空間分辨在20 μm左右.典型發次的動態診斷實驗中,納秒激光注入時刻提前皮秒激光600 ns.

2.2 理論設計

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2 mm,腔長為 1.0,1.5,2.0,2.5 mm 條件下樣品處的輻射場分布;模擬使用的激光參數為總能量6000 J(以當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0.351 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測輻射波形中取幾個特征點,輸入的靶參數為錫靶,其厚度為 0.5 mm.

3 結 果

3.1 輻射燒蝕均勻性的模擬優化

利用IRAD軟件模擬半柱腔直徑為2 mm、不同腔長下樣品處峰值輻射溫度分布,結果如圖2所示.在腔長為1 mm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 1.5,2.0,2.5 mm 下,整個樣品處的輻射溫度分布較為均勻.以直徑為 2 mm,腔長為 2 mm 為例,中心處輻射溫度為152 eV,邊緣處輻射溫度為143 eV,這個輻射場的均勻性在 10% 以內.輻射溫度在 (150 ± 2) eV 區域的直徑為 1.5 mm,均勻性優于2 %.考慮到實驗中存在著激光注入時束間平衡、激光等離子體效應等諸多效應影響,實驗中半柱腔尺寸設計為直徑 2 mm,腔長 2 mm.

圖2 不同腔長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

利用強激光注入半柱腔中產生均勻輻射場,通過納秒針孔相機監測光斑注入正常,未形成掛邊等異常注入情況.再利用平響應 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,輻射溫度峰值時刻為 4.0 ns處,考慮到測量信號的起點為1.1 ns,實際輻射峰值溫度時刻為 2.9 ns.峰值溫度在激光能量 1000 J 時為 138 eV,且隨激光能量提高而上升.在2 ns情況下,實際輻射溫度峰值時刻為 1.9 ns.這里,激光能量 1314 J 時輻射溫度反而略比844 J低,經分析發現此發次FXRD的信噪比較大,但在誤差范圍內.

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壓力分布情況,此加載波形還與輻射波形與靶厚度有關.利用一維流體軟件模擬不同輻射波形下加載波形,結果如圖4 所示.從模擬結果看出,3 種不同脈寬的輻射波形下,輻射驅動的加載波形均為三角波結構分布,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的物理實驗,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 動態診斷結果

實驗通過上四束激光注入柱腔中,產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破碎過程.典型發次的實驗結果(總能量為1000 J,脈寬為 3 ns)如圖5 所示.動態圖像清晰地顯示半柱腔已經膨脹到一定程度但尚未完全解體,在柱腔側壁上仍能清楚地看到激光彈著點,柱腔頂端注入口已與側壁分離并飛行了一段距離.

從圖5還可以看到靶支撐結構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 0.06 mm,脫離基底向前飛出,相對未擾動自由面運動的距離為0.3 mm.在自由面速度曲線中,該動態過程為典型的層裂行為[20],起跳速度為0.65 km/s,起跳時間為 131 ns,平均運動速度為0.55 km/s.由圖中層裂片運動距離為 0.3 mm、運動時間為 469 ns (診斷時刻 600 ns 減去自由面起跳時刻131 ns),由此推出層裂片平均運動速度為(0.63 ± 0.1) km/s,與 PDV 的測試結果一致 (如圖6所示).

圖5 高能X射線動態診斷間接驅動的層裂過程Fig.5.High energy X-ray radiography of spall from indirect drive by laser.

圖6 間接驅動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

通過設計合適的半柱腔并開展強激光物理實驗,獲得間接驅動金屬樣品動態破碎過程的物理圖像.在不考慮激光注入束間平衡、激光等離子體效應等條件下,通過模擬獲得較為理想的加載一維區;通過實驗獲得輻射波形,并利用流體模擬獲得輻射驅動的加載波形;通過高能X射線動態成像,獲得層裂過程物理圖像.在此基礎上,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

強激光間接驅動的方式利用柱腔將激光轉換為X射線,并利用輻射燒蝕驅動對樣品進行加載.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 1,2,3 ns條件下,輻射脈寬均與激光脈寬相當;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,輻射驅動的加載波形均為三角波結構分布,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動加載方式有較好的相似性.同時,輻射燒蝕驅動加載中,在激光利用效率較低的情況下,可以通過對CH材料燒蝕實現對樣品增壓.

在激光慣性聚變過程研究中,因聚變過程在數ns時間范圍內,只用考慮輻射燒蝕效應對加載過程的影響;而在激光直接驅動材料動態燒蝕過程中,激光作用產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;而利用間接驅動加載材料動態過程研究中,時間尺度在μs量級,同時在實驗中觀察到數百ns后金腔仍未完全解體,這須要考慮到腔內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有的流體力學軟件模擬.進一步的研究需要通過實驗測量沖擊波的波形,對動力學狀態進行定標.

4.2 平面性分析

在考慮激光正常注入的條件下,由IRAD模擬給出間接驅動的樣品輻射分布在直徑2 mm范圍內均勻性優于 10 %;輻射溫度在 (150 ± 2) eV區域的直徑為 1.5 mm,均勻性優于 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等影響,因而須要利用動態診斷結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域選取一維平面區,并在此區段內選取多個點來評估加載平面性.選取的一維區大小為1.5 mm,多個點統計獲得平面性為5 %,此時獲得的一維區為后界面加載一維區.

在輻射燒蝕樣品表面上,輻射驅動的一維區分布需要考慮邊側稀疏波對沖擊波在靶內傳輸過程中的影響,因此在由診斷圖像得到的加載一維區基礎上,需加上兩側的邊側稀疏波影響的區域.兩側的邊側稀疏影響區域為錫材料的聲速與沖擊波在靶內傳輸的時間的乘積.錫材料的聲速為2.61 km/s,沖擊波在靶內傳播時間由速度歷史結果給出為 131 ns.按此估算,兩側的邊側稀疏影響區域總共為 2×2.61 km/s×131 ns=0.68 mm,輻射驅動面的一維區大小估算為 1.5 mm+0.68 mm=2.18 mm,略大于柱腔直徑 2 mm.實際上,半柱腔直徑為 2 mm,因此加載區域只能限定為2 mm.這一結果說明輻射驅動面的一維區在Φ2 mm內分布較為均勻.

5 結 論

通過物理實驗和數值模擬研究了強激光間接驅動沖擊加載金屬材料動態破碎過程的加載技術.利用IRAD程序優化設計直徑為2 mm的半柱腔,在腔長為2 mm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 2 ns和 3 ns條件下的輻射峰值溫度和波形,為后續大直徑的腔型物理實驗提供了基礎數據.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果相符合.經分析,間接驅動的加載一維區達到 2 mm,平面性優于 5 %,能有效地開展相關物理實驗研究.研究結果能夠為新型柱腔設計、沖擊加載技術及動態破碎過程研究提供重要的研究基礎.

感謝中國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升級激光裝置運行團隊的合作.