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强激光加载下准等熵压缩及材料强度特性研究和高时空分辨VISAR研制

作　者: 舒桦
导　师: 傅思祖
学　校: 中国工程物理研究院
专　业: 凝聚态物理
关键词: 激光速度干涉仪冲击波准等熵压缩层裂强度
分类号: O521.9
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

高功率激光加载可以在材料中实现高压、高应变率,为在实验室开展材料极端条件下(超高压力、高应变率)物质特性研究创造了条件。激光加载方式非常灵活,不仅可以通过冲击加载实现1TPa以上的强冲击,也可以通过控制加载过程,在材料中实现准等熵加载。因此高功率激光是目前获取1TPa以上材料高压状态方程数据及实验室条件下研究天体内部材料结构的理想平台。本论文工作是结合现有的神光-Ⅱ高功率激光装置展开的,论文主要包括两部分主要内容：第一部分工作是研制了一台适合高功率激光打靶物理实验诊断的VISAR系统；第二部分工作是利用VISAR作为主要诊断设备开展物理实验研究。针对高功率激光实验平台靶物理诊断的特点,研制了一台高时、空分辨的成像型任意反射面速度干涉仪(VISAR)。 VISAR系统的时间分辨20皮秒、空间分辨7微米、靶面视场1毫米、测速精度2%,各项技术指标达到了国际先进水平。在系统研制过程中做了以下具有创新性的工作：1.自主设计和研制了一种新颖的偏振旋光探针光光学传输系统,该系统解决了非靶面反射光对信号的干扰,显著提高探针激光能量利用效率(与传统传输系统相比探针光的能量利用率提高了3倍)。与此同时,还实现了探针激光能量的连续可调,从而可以满足不同实验研究对探针光能量的需求；2.完成探针光源的空间束匀滑,从而实现了待测对象物面的均匀照明,大大提高了干涉图像的对比度和整体信号质量；3.设计研制了显微放大和像传递相结合的成像系统,该系统很好地保证了在长程传输和视场设计范围内具有空间分辨率高(空间分辨7μm)、调节灵活等特点。同时在该系统中特置的Dove棱镜转像系统,解决了像传递过程中的旋转问题,从而可以方便的实现像与记录系统的精密耦合；4.开发了针对VISAR干涉图像的数据处理软件,可以实现实验图像和数据的实时在线处理。并对VISAR系统进行了升级和完善,实现了在一发次实验中多个物理量的同时测量。利用VISAR作为主要诊断系统开展了一系列应用和探索研究。其中应用研究包括冲击波多波追赶实验、冲击波波前预热研究、透明材料冲击绝热线测量等。冲击波多波追赶实验是ICF脉冲波形设计中非常重要的研究内容,本文开展了聚苯乙烯、石英材料中冲击波多波追赶实验,在透明材料中观测到冲击波传播、追赶等现象,这些结果为进一步深入研究奠定了重要基础；冲击波波前预热问题是激光驱动冲击绝热线测量中重要的研究内容。本文对激光直接驱动条件下冲击波波前预热情况进行了系统、细致的研究,通过分析初步确定了预热的主要来源及其能量范围,这些研究结果对激光直接驱动阻抗匹配靶参数设计具有非常重要的参考价值；利用VISAR可测透明材料中冲击波波阵面轨迹的特点,开展聚苯乙烯材料冲击绝热线测量探索实验。这种新型的阻抗匹配实验测量测量方法,极大限度降低了阻抗匹配实验中对冲击波平面性、稳定性的要求,可以提高实验测量的稳定性和准确性。这些研究结果为ICF研究中烧蚀材料(聚苯乙烯或参溴聚苯乙烯)高精度状态方程实验测量奠定了基础。利用高功率激光作为驱动源开展了一些前沿的、非常具有应用前景的探索实验。包括激光驱动准等熵压缩实验和高应变率下材料的层裂实验。其中激光驱动准等熵压缩可以帮助科学家更好的了解极端条件下固体材料的物理性质,是科学家研究太阳系外行星、太阳系中其他类似地球但比地球大的行星内部结构的唯一方法。本文对激光驱动准等熵压缩开展了探索实验,其中整形脉冲激光直接驱动准等熵压缩实验在国内还未见报道,本文对不同脉冲宽度整形脉冲激光直接驱动准等熵压缩特性进行了较为细致的研究,建立了激光驱动准等熵压缩实验的诊断能力和实验数据处理能力,获得了铝材料50GPa以内的准等熵压缩实验数据。建立了一套基于特征线传播理论的整形脉冲波形设计方法及实验数据分析处理方法。对激光驱动三角波传播及层裂发生条件进行了理论计算,开展了激光直接驱动金属样品(Al、V)层裂探索实验,获得了清晰的具有层裂标志的实验信号。通过自由面速度剖面计算了层裂强度和应变率参数。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-9
第一章 . 压缩波物理基础  9-24
  1.1 引言  9-10
  1.2 流体力学基础  10-24
    1.2.1 流体力学控制方程  11-14
    1.2.2 热力学关系式  14-15
    1.2.3 小扰动传播理论  15-16
    1.2.4 平面等熵流  16-18
    1.2.5 欧拉坐标及拉格朗日坐标系  18-20
    1.2.6 冲击波形成  20-21
    1.2.7 冲击绝热线  21-22
    1.2.8 等熵线  22-24
第二章 . 高时空分辨VISAR系统的研制及其应用  24-54
  2.1 VISAR的发展过程  24
  2.2 神光-Ⅱ装置上VISAR系统的研制及完善  24-41
    2.2.1 探针光源的选择和优化  24-26
    2.2.2 探针光传输系统设计和优化  26-29
    2.2.3 光学成像系统设计和优化  29-30
    2.2.4 干涉系统设计  30-32
    2.2.5 记录及数据处理系统  32-35
      2.2.5.1 记录系统介绍  32-34
      2.2.5.2 实验数据在线处理软件系统的开发  34-35
    2.2.6 VISAR系统指标详细说明  35-36
    2.2.7 VISAR系统的升级及完善  36-41
  2.3 VISAR诊断系统在若干实验中的应用  41-54
    2.3.1 冲击波调速实验  41-44
    2.3.2 聚苯乙烯冲击绝热线测量  44-45
    2.3.3 冲击波基本特性研究  45-54
      2.3.3.1 冲击波波前干净性研究  45-50
      2.3.3.2 冲击波稳定性研究  50-54
第三章 . 激光驱动准等熵压缩实验研究  54-71
  3.1 引言  54-56
  3.2 准等熵压缩实验的物理方法介绍  56-59
    3.2.1 拉格朗日方法  56-57
    3.2.2 反向特征线方法  57-59
  3.3 神光-Ⅱ装置上开展的Ramp加载实验  59-71
    3.3.1 准等熵加载流体程序模拟  59-60
    3.3.2 准等熵加载特征线法计算  60-62
    3.3.3 基于脉冲整形技术的ramp加载实验  62-68
    3.3.4 基于等离子碰撞技术的ramp加载实验  68-71
第四章 . 激光驱动材料动态力学性能研究  71-82
  4.1 引言  71
  4.2 激光驱动材料层裂特性研究  71-82
    4.2.1 层裂发生原  71-73
    4.2.2 自由面速度变化与层裂强度的近似计算  73-75
    4.2.3 激光直接驱动材料层裂理论计算  75-77
    4.2.4 激光直接驱动材料层裂实验结果  77-82
第五章 . 总结  82-84
致谢  84-85
参考文献  85-92
附录  92

强激光加载下准等熵压缩及材料强度特性研究和高时空分辨VISAR研制

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