激光驅動靶丸超高速發射研究

班曉娜，楊為明，張品亮，張 琛，王 釗,*，田寶賢， 王哲斌，高智星，李 靜，胡鳳明

(1.中國原子能科學研究院 核物理研究所，北京 102413； 2.中國工程物理研究院 激光聚變研究中心，四川 綿陽 621900； 3.北京衛星環境工程研究所，北京 100094)

隨著人類航天活動的日益頻繁，航天器數目越來越多，空間碎片環境問題日益突出[1]。空間碎片按其尺寸的差異通常分為3類：大碎片(尺寸在10 cm以上)；危險碎片(尺寸在1～10 cm之間)；微小碎片(尺寸在l cm以下)，其中，微小碎片數量占空間碎片總數的99.67%。在近地軌道，微小碎片與航天器的相對撞擊速度高達15 km/s，平均撞擊速度接近10 km/s[2]，一旦發生撞擊，會使航天器表面結構和部件失效，對其安全運行造成重大威脅。為此，國內外對各種防護結構進行了大量的高速撞擊試驗，以總結不同防護結構的損傷行為和防護效應。為更準確模擬空間碎片超高速撞擊特性及累計損傷效應，撞擊防護材料的靶的飛行速度是關鍵，因此，開展超高速發射技術研究對航天器空間碎片防護結構研究具有重要意義[3-4]。

超高速發射技術是將物體加速到幾至十幾km/s甚至更高的實驗技術。具備超高速發射實驗能力是開展超高速碰撞現象和機理研究的前提條件之一[5]。目前，研究空間碎片撞擊效應的傳統驅動方式主要包括輕氣炮驅動[6-7]、爆轟驅動[8-9]以及電磁驅動[10]等，其中，輕氣炮是超高速撞擊地面模擬研究常用的技術，較為常用的是二級輕氣炮，可將靶加速到6～8 km/s，但該裝置占用空間較大、操作繁瑣、加速成本高[11-12]；爆轟驅動加速技術，直接利用爆炸能量驅動彈丸，一般只能使彈丸速度達到3～5 km/s[13]；電磁驅動加速技術主要針對絕緣飛片材料，可將飛片加速到6～18 km/s[13]。但這些驅動方式加載飛片或彈丸的速度均難超過10 km/s，且存在設備操作復雜、成本高、實驗破壞性較大和樣品回收困難等不足，因此很難精確模擬空間碎片的撞擊效應。而激光驅動的發射技術與傳統加速驅動方式相比，設備更緊湊，可獲得更高的加載速度，且對其他元件無附帶損害，因此可有效降低實驗成本。此外，激光驅動方式的特點是加載過程時間更短，可同時開展速度和撞擊測量[14]。因此，激光驅動高速發射技術模擬空間碎片的撞擊效應研究備受國內外關注。

激光驅動高速發射技術是利用激光聚焦輻照靶目標燒蝕形成高溫等離子體，并在靶內產生沖擊波加速靶目標到高速狀態，宏觀上類似于火箭效應，等離子體噴射形成反推力加速靶目標。目前，基于強激光驅動的目標靶主要集中在對飛片靶的研究。如日本大阪大學Kadon等通過KrF激光器和Glass激光器研究了激光的波長和脈寬對飛片速度的影響，并在研究中發現通過KrF激光器驅動的飛片速度達16 km/s，遠高于在Glass激光器中得到的10 km/s。其主要原因是由于波長短、脈寬長的激光光束與飛片靶的能量耦合效率高[15]。日本國立先進工業科學技術研究院Okada等利用能量為1 031 J的激光器驅動鉭(Ta)飛片靶至23.6 km/s[16]。美國海軍實驗室利用NIKE激光器驅動CH薄膜靶，獲得超過1 000 km/s的速度[17]。我國的科研人員在激光驅動飛片研究方面也做了很多工作，如中國工程物理研究院流體物理研究所利用YAG激光器驅動含約束層的5 μm厚的Al飛片至6.6 km/s[18]，北京衛星環境工程研究所利用波長1 064 nm、能量835 mJ、脈寬10 ns的激光將厚度5 μm的Al飛片加速到10.4 km/s[19]。2012年，中國原子能科學研究院通過百焦耳量級的KrF激光器驅動50 μm的Al飛片至10 km/s[20]。2016年，中國工程物理研究院激光聚變研究中心在神光Ⅲ原型裝置上采用3種不同方式加速飛片實驗研究，即整形斜波脈沖加速Al飛片至8 km/s、等離子體射流碰撞加速Al飛片至6～11 km/s和短脈沖激光燒蝕加速復合PI-Cu飛片至50 km/s[14]。雖然國內外在激光驅動飛片研究方面取得許多重要進展，但是外太空中的碎片實際上是具有一定的體積和形狀的[21]。因此，在防護材料研究方面不僅對速度有要求(一般需要大于10 km/s以上)，還對被驅動靶的形狀有要求，如靶的形狀為球體等。但目前國內外利用強激光在這方面的研究較少。2010年，日本大阪大學利用波長1 054 nm的大能量激光GEKKO Ⅻ-HIPE開展了驅動直徑為100～300 μm的鋁制彈丸的研究，但被加速彈丸的速度依然較小[22]。2014年，中國原子能科學研究院從激光燒蝕球丸的理論模型出發，推導出小球靶丸的速度表達式，證明小球的加載速度隨激光能量的增加而增大，但隨激光波長的增加而減小[23]。綜合來看，激光驅動高速發射技術主要集中在飛片加速領域，而加速球丸撞擊防護材料更能接近真實地模擬空間碎片和航天器撞擊過程。因此，如何將彈丸加速到更高的速度是目前研究的熱點和難點。

本工作基于流體程序開展激光驅動彈丸的數值模擬，并在中國工程物理研究院激光聚變研究中心神光Ⅲ原型裝置上首次開展351 nm波長的大能量激光驅動球丸的超高速實驗，利用加速的高速鋁球進行與防護材料作用的超高速撞擊測試實驗，并通過回收的被撞擊材料的撞擊形態研究撞擊效果及材料防護效果。

1 模擬研究

利用輻射流體程序HYADES在不同能量不同焦斑激光加載下，對靶的飛行速度進行理論模擬預估。在模擬中，設置的參數與神光Ⅲ原型激光裝置參數一致，即激光脈沖為方波，波長為351 nm，脈寬20 ns。同時，設置靶的初始厚度為200 μm。

圖1為靶燒蝕壓和自由面速度隨時間演化的結果。從圖1可看出，當激光功率密度為2×1013W/cm2時，沖擊波經過12.5 ns后傳播至靶自由面，瞬間將靶加速至18 km/s；當激光功率密度為9×1013W/cm2時，沖擊波經過7.2 ns后傳播至靶自由面，將靶加速至45 km/s，并在34 ns左右出現二次加速現象。這是由于長脈沖(20 ns)激光驅動下，沖擊加載的時間遠大于單次沖擊在靶內部的傳輸時間(7.2 ns)，沖擊波在自由面處反射稀疏波，對靶內壓力進行卸載。當稀疏波傳回至靶前表面時，激光脈沖尚未結束，并在靶內驅動二次(34 ns)沖擊波加載，從而發生二次加速現象。類似的實驗現象在早期平面飛片靶研究中已被觀測到，甚至會出現3次及以上的多次加速[24]。

此外，還模擬了不同厚度靶在不同激光功率密度下的加載速度，分別如圖2所示。從圖2可看出，靶自由面開始運動的時間隨激光功率密度的增大而減小，自由面速度則隨功率密度的增大而增大，且靶厚度越小，靶自由面的速度越大。值得注意的是，當靶厚度為300 μm時，在激光功率密度為9×1013W/cm2時，并未出現二次加速現象，由此可見，為避免二次加速，在實驗過程中，應綜合考慮靶的厚度以及激光參數。

圖1 靶燒蝕壓和靶自由面速度隨時間的演化圖Fig.1 Evolution diagram of target ablation pressure and free surface velocity with time

圖2 不同厚度靶在不同激光功率密度下的模擬結果Fig.2 Simulation results of different thickness targets and different laser power densities

2 實驗研究

2.1 實驗方法

圖3 實驗原理示意圖Fig.3 Layout of laser driven pellet

本實驗采用直接驅動方式，利用神光Ⅲ原型裝置上4路激光照射靶丸上端，在入射面形成高溫高壓等離子體，等離子體膨脹從而向下加速靶丸，高速運動的靶丸最終撞擊防護板。圖3為實驗原理示意圖，靶丸通過連接細絲與靶支撐結構相連接，連接細絲直徑20 μm。采用X光條紋相機(XSC)和X光分幅相機(XFC)作為診斷設備。原型激光裝置的下4路中的兩束光作為兩組背光源，照射背光材料Cu片，利用Cu的Kα射線作為探測光。其中，XSC記錄的背光為一段具有時空分布的亮帶，其空間方向由右向左，時間方向由上而下，當靶丸運動經過XSC時，會對探測光產生遮擋，亮帶因遮擋由右側向左逐漸變為不透明陰影。XFC可抓拍16幅背光信號不同時刻的橫斷剖面圖像，可診斷靶丸飛行的二維圖像。靶丸飛行速度可由XSC的燒蝕面/后自由面運動圖像獲得。

具體實驗參數為：球形靶丸直徑為200 μm，驅動光波長為351 nm，4路激光能量為553 J，脈沖寬度為20 ns(方波)，光斑直徑為200 μm，激光功率密度為8.8×1013W/cm2。背光能量為703 J，脈沖寬度為8 ns(方波)， 激光能量密度為4.5×1013W/cm2，相對主脈沖延時20 ns。

2.2 實驗結果

圖4a為激光驅動靶丸實驗獲得的XSC圖像，靶丸從右向左運動，對背光亮帶遮擋并形成明顯的運動軌跡。本次實驗XSC獲取的圖像中縱軸每個像素為5.5 ps，橫軸每個像素為2.52 μm。

對XSC圖像進行分析處理，首先對圖4a進行圖像去噪處理，采用消除本底尋邊的方法確定X背光亮帶右側邊緣位置數據(圖4b圖像中的散點)，再進行多項式擬合，并對其微分獲得目標速度，如圖4b所示。從圖可看出，當時間大于6 ns時，XSC圖像尋邊軌跡點很分散，可能是等離子體預膨脹導致的，這對軌跡擬合及微分速度的計算會造成較大誤差，因此對2～6 ns區間內靶丸運動速度求平均，得到靶丸速度為44 km/s。最后，被加速的靶丸以速度44 km/s撞擊到Ti/Al/Mg 3層金屬防護結構上，形成彈坑，撞擊的形貌如圖5所示。

3 討論

對比模擬結果，由于背光相對主脈沖延時20 ns，圖4中2～6 ns速度區間對應的是圖2a模擬結果中22～26 ns的區間。從模擬結果來看，當功率密度為8.8×1013W/cm2時，小球速度約46 km/s，略大于實驗結果，這主要是因為該模擬計算是在一維條件下進行的，由于多維效應的影響，會使模擬的速度偏大，由此可定性說明實驗與模擬基本吻合。

圖4 X條紋相機圖像(a)以及彈丸位移和速度隨時間的變化曲線(b)Fig.4 XSC image (a) and position and velocity of pellet vs time (b)

圖5 撞擊形貌Fig.5 Impact morphology

4 結論

本文基于神光Ⅲ原型裝置，在波長351 nm、脈沖寬度20 ns、功率密度8.8×1013W/cm2的條件下，直接驅動直徑為200 μm的鋁靶丸，獲得的靶丸速度為44 km/s，與模擬結果(46 km/s)基本吻合。同時，完成了靶丸與Ti/Al/Mg防護材料撞擊測試，評估了該材料的防護效果。研究結果表明，激光驅動球丸發射技術在開展空間碎片撞擊效應實驗和航天器防護應用研究方面具有十分重要的意義。