整形激光加载的准等熵压缩研究

摘要

超高压、相对低温的物质状态研究是天文物理、聚变物理和凝聚态基础物理等研究领域的热门课题。准等熵压缩是在实验室里获取这种极端状态的常用方法，即可以把固体物质压缩到超高压但仍能使其保持固体状态。近年来，新兴的研究方法——整形激光加载法取得了一系列压强纪录，这充分显示了这种加载方法的巨大潜力。在更加极端的物质状态正在被不断地实现之际，在我国及时发展这种加载技术具有重大意义。
　　在调研准等熵压缩相关研究背景、研究进展和有关理论的基础上，本论文工作主要研究了准等熵压缩理论、实验数据处理技术，并成功开展了准等熵压缩实验，取得了一系列重要的实验结果或结论。除此之外，还开展了与准等熵压缩实验相关的激光技术研究。论文主要内容如下:
　　1.调研了准等熵压缩相关研究背景、研究方法、国内外的研究进展，在此基础上提出了研究内容和研究目标。
　　2.介绍了准等熵压缩相关理论，包含一维等熵流场的理论描述方法和常用状态方程。
　　3.开展了等熵压缩理论研究和模拟。首先，基于由凝聚态物质状态方程推导出的Murnaghan式等熵线方程和流体力学方程组推导出了等熵压缩解析模型，首次给出了凝聚态物质等熵压缩流场参数的显式表达式。其次，在模型的基础上，讨论了影响准等熵空间范围大小的因素，并给出了相关解析解。最后，基于解析模型设计了加载激光波形，并利用一维辐射流体力学程序MULTI-1D开展了Al材料的一维准等熵压缩模拟，通过多个参量的演化过程描述了准等熵加载的物理过程。模拟结果表明，利用该模型提供的压力波形可以得到等熵程度较高的加载过程。
　　4.研究了主要的准等熵压缩实验数据处理技术和实验设计技术，包括反向积分技术、Lagrangian分析法、迭代Lagrangian分析法和特征线法。完成了这些方法的程序化，并成功应用于模拟和实验数据处理。在此基础上，基于Murnaghan式等熵线方程发展了一种优点鲜明的新型特征线法。从用法上讲，该方法实现了跨越阻抗失配的流场界面计算，可被用于阻抗失配靶的正向计算以及反向计算。从用途上讲，该法不但可以用于实验设计，也可以用于实验数据的处理。从算法上讲，该法所应用的Murnaghan式等熵线方程形式简洁，仅有两个可调参数，可用作迭代式数据处理，并可节省大量计算时间。
　　5.基于此前建立的凝聚态物质等熵压缩解析模型，开展了长脉冲整形激光直接加载的准等熵压缩实验。取得了三台阶Al靶、平面复合Al靶、三台阶复合Al靶三种靶的有效实验数据。加载激光能量分别为970 J、1921J和740 J，达到的峰值压强分别为194GPa、645 GPa（与程序模拟对比结果）和425 GPa。其中，425 GPa一发实验数据为目前国内外获取信息最为全面的直接加载方式实验结果，并超过了此前国内外已报道的所有Al样品准等熵压强数据。与R.F.Smith和J.P.Davis分别在OMEGA激光器和Z加速器上得到的实验结果相比，该实验所获得的应力-密度曲线与OMEGA激光器上的结果吻合很好，但稍高于Z加速器上的实验结果。实验结果证明，所建立的解析模型可为准等熵压缩实验提供有效指导。此外，本实验还得到了激光烧蚀压与激光功率密度之间的定标率为p(MBar)=0.41[IL(TW/cm2)]3/4，可为后续准等熵实验设计提供重要依据。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 研究方法

1．2．1 整形激光加载法

1．2．2 激光加载气库法

1．3 国内外研究进展

1．3．1 气库法

1．3．2 整形激光脉冲法

1．4 研究目的和研究内容

参考文献

第2章 一维等熵流场的特征线描述理论和常用状态方程

2．1 一维等熵流场的理论描述

2．2 状态方程

2．2．1 泰特方程

2．2．2 Murnaghan方程

2．2．3 理想气体状态方程

2．2．4 Mie-Grüneisen状态方程

2．2．5 凝聚介质实用状态方程

2．3 等熵压缩理论模型

2．3．1 Hawke模型

2．3．2 Nuckolls模型

2．3．3 理想气体模型

2．3．4 Davis模型

2．4 本章小结

参考文献

第3章 凝聚态物质的一维等熵压缩解析模型的建立与模拟验证

3．1 解析模型

3．1．1 理论推导

3．1．2 压缩流场状态描述

3．1．3 影响等熵空间范围的影响因素

3．2 理论模拟

3．2．1 加载条件

3．2．2 模拟结果

3．2．3 结论

3．3 本章小结

参考文献

第4章 实验设计和数据处理的方法研究与程序开发

4．1 各方法相关研究背景

4．2 反向积分技术研究

4．2．1 原理

4．2．2 初步应用

4．3 Lagrangian分析法

4．3．1 原理

4．3．2 不确定度

4．3．3 迭代Lagrangian分析法

4．4 特征线法

4．4．1 方法背景

4．4．2 基于凝聚态物质等熵方程的特征线法的推导

4．4．3 方法的有效性验证

4．4．4 讨论

4．5 流体力学程序迭代法

4．6 本章小结

参考文献

第5章 整形激光直接加载准等熵压缩实验

5．1 实验条件

5．1．1 加载激光

5．1．2 实验布局与诊断系统

5．1．3 靶的结构

5．2 实验结果

5．2．1 三台阶纯Al靶实验

5．2．2 平面Al复合靶实验

5．2．3 三台阶Al复合靶

5．3 实验总结分析

5．3．1 弱冲击波的出现

5．3．2 自由面喷射或破裂

5．3．3 LiF不透明

5．3．4 复合靶变形

5．4 本章小结

参考文献

第6章 总结与展望

6．1 主要研究内容

6．1 主要研究结论

6．2 主要创新点和意义

6．3 可以继续开展的研究内容

致谢

附录A 基于准等熵压缩实验的准分子激光技术研究

附录B 论文发表与学术活动情况

附录C 实验条件