税敏 席涛 闫永宏 于明海 储根柏 朱斌 何卫华 赵永强 王少义 范伟 卢峰 杨雷 辛建婷 周维民

(中国工程物理研究院激光聚变研究中心,等离子体物理重点实验室,绵阳 621900)

强激光烧蚀低密度有机材料形成等离子体射流碰撞,可以对材料进行准等熵加载,比激光冲击加载应变率低,相同压强下可以获得更高的压缩度和更低的温升,在状态方程、飞片加速等方面有很强的应用前景.在星光III 置上首次开展了等离子体射流驱动小尺寸铝飞片及姿态诊断联合实验.通过调控有机材料厚度和真空间隙长度,获得了厚度20 µm、直径约400 µm 的铝飞片,飞片加速时间长达200 ns.基于ps 拍瓦激光的高能X 光背光照相结果显示铝飞片在飞行约400 µm 距离后仍然保持了很好的飞行姿态和完整性.

1 引言

利用激光烧蚀有机材料(以下简称气库膜)形成等离子体射流可以对材料产生准等熵加载[1],在高压下固体材料高应变率动态响应特性[2]、相变[3,4]、状态方程[5]及小尺寸飞片产生[6]等方面都有广阔的应用前景.2012 年,Fratanduono 等[6]在劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)利用激光烧蚀聚酰亚胺薄膜产生等离子体将20 µm 厚度、直径约1 mm 的铝飞片缓慢加速到5 km/s 的速度.任意反射面速度干涉仪(VISAR)测得的干涉条纹光滑连续,一维平面性良好,流体模拟显示飞片碰撞前温升仅不到50 ℃,表明该方法(驱动的飞片)在状态方程(EOS)的绝对测量方面具有很强的应用潜力.2017 年,Shu 等[7]利用这种激光准等熵加载方法开展了铝的状态方程绝对测量.通过调节激光能量,他们将25 µm 厚度、直径约1 mm 的铝飞片加速到4—12 km/s 的速度,通过与铝台阶样品撞击,同时获得了铝飞片撞击时刻的速度和样品中的冲击波速度,从而实现对铝材料的EOS 绝对测量.该实验获得了50—200 GPa 压力区间的铝冲击雨贡纽数据,与不同加载方法获得的实验结果具有很好的一致性,间接证明了这种激光准等熵驱动方式产生的飞片具有比较好的飞行姿态和较低的温升.同年,本研究组[8]也发表了在原型装置上开展的激光驱动飞片研究的实验结果,将20—30 µm 厚度的铝飞片和钽飞片加速到3—11 km/s 的速度.从上述研究可以看出,利用激光等离子体射流碰撞可以驱动平面性好、温升较低的飞片,这一点相比传统的激光驱动带窗口约束的飞片具有明显的优势[9−13].然而,目前对于飞片平面性和完整性的表征,主要依赖线VISAR 测量[7,8]和验证板[13,14]的结果,对飞片的飞行姿态和表观形貌(平面性和完整性)都缺乏直接的观测结果,而这很大程度上决定了激光驱动飞片能否在EOS 甚至更多的研究领域(如激光驱动飞片起爆[10])得到广泛和深入的应用.近两年,基于皮秒拍瓦激光的高分辨X射线背光照相技术[15]由于具有高亮度、高时空分辨的特点,在惯性约束聚变内爆过程和冲击加载材料微喷过程研究[16−19]方面已经获得了重要应用.借助这种高时空分辨的透视成像技术,有望实时捕捉到小尺寸飞片的飞行姿态和表观形貌,为激光驱动飞片应用研究奠定更坚实的基础.本文基于星光III 装置,开展激光等离子体射流驱动飞片和姿态诊断实验,优化激光参数和靶参数,解决X 光照相的干扰问题,获得清晰的飞片姿态图像,并对结果进行细致的分析.

2 实验

2.1 激光参数和靶参数

实验使用星光III 装置三倍频纳秒束激光进行加载,能量小于60 J,脉冲波形为2 ns 方波.使用1 mm 直径的连续相位板(CPP)对ns 激光进行空间匀滑,提高加载光束的空间均匀性,提高飞片的平面性和完整性.放置1 mm CPP 后,远场光学焦斑分布如图1 和图2 所示,平顶区尺寸约0.7 mm×0.7 mm.皮秒激光用于产生照相用的X 光源,能量小于50 J,脉宽约为8 ps,经抛物面镜聚焦到焦斑小于30 µm(能量集中度大于50%).实验中,铝飞片初始厚度20 µm,气库膜(CH)厚度150 µm,真空间隙长度(气库膜与飞片之间的距离) 400 µm,如图3 所示.

图1 经过1 mm CPP 后的远场光学焦斑空间分布Fig.1.On-target focal spot of nanosecond beam after 1 mm CPP.

图2 远场光学焦斑的一维强度空间分布 (a) 沿着y 轴;(b) 沿着x 轴Fig.2.One-dimensional on-target focal spot of nanosecond beam after 1 mm CPP:(a) Along y axis;(b) along x axis.

图3 等离子体射流驱动飞片及姿态诊断原理示意图Fig.3.Schematic view of plasma-driven flyer and gesture investigation.

2.2 原理和诊断设计

实验设计原理示意图如图3 所示,ns 激光经过束匀滑后烧蚀气库膜(CH 掺Br)材料,产生的冲击波卸载使CHBr 材料熔化并形成等离子体,等离子体通过真空间隙持续喷射到飞片上,通过动能转换,推动飞片缓慢飞行.与激光冲击加载方式相比,这种方式可以减小飞片的温升,降低熔化和破碎的风险,飞片更容易保持好的姿态.利用ps 束激光与背光靶作用产生X 光对飞片姿态进行侧向透视照相(HXI),结合阴影照相[20]和界面冲击波诊断系统(PDV)联合测量[18],研究飞片的加速过程、表观形貌和飞行姿态演化(翻滚、弯曲、倾斜等).实验诊断排布示意图如图4 所示,针孔相机(PHC)用于监测打靶激光产生的X 光焦斑.

图4 实验诊断排布示意图(俯视图)Fig.4.Schematic view of experimental diagnostic configuration (top view).

2.3 理论计算预估

使用1 维Multi 软件模拟计算飞片的加速过程.飞片速度与飞片厚度、激光能量、气库膜厚度和真空间隙长度都相关.为减少变量个数,降低数值模拟的计算量,设计飞片厚度为20 µm,气库膜厚度为150 µm(直径2 mm,中心为直径500 µm的等离子体约束孔).根据飞片速度曲线,优化ns激光能量(装置输出能量小于100 J)和真空间隙长度,在保证飞片峰值速度达到2 km/s 左右时,尽量延长飞片的加速时间,减小飞片的温升.不同激光能量和真空间隙长度的模拟结果如图5 所示,最终选择真空间隙长度400 µm,ns 激光能量50 J(能量再低则稳定性变差),如图中黑色曲线所示,采用该设计,飞片加速更缓慢,加速过程超过了300 ns,曲线平滑,没有冲击.

图5 不同能量和真空间隙长度下Multi 计算的铝飞片速度曲线Fig.5.Aluminum flyer velocity obtained by Multi calculation at different laser energy and vacuum gap length.

3 实验结果

3.1 实验结果统计

一共开展了两轮实验,动态实验3 发,静态实验1 发,如表1 所列.ps 束照相延时为ps 激光落后ns 激光前沿的时间.

表1 实验结果统计Table 1. Experimental parameter above the shocked melting point.

3.2 等离子体射流碰撞准等熵加速铝飞片

不同ns 激光能量加载的铝飞片自由面速度曲线如图6 所示,可以看到,飞片加速过程比较缓慢,速度上升沿超过了100 ns,与Multi 计算的结果比较吻合.利用“反积分”方法[21]计算可以得到加载应变率105—106s–1,比通常的激光准等熵加载低近2 个量级[21].

图6 PDV 测量的不同激光能量对应的铝飞片自由面速度曲线Fig.6.Aluminum flyer velocity obtained by PDV measurements at different ns laser energy.

3.3 铝飞片飞行姿态诊断

在开展动态实验前,首先进行了静态客体成像实验,获得了0.2 mm 厚Cu 板客体(中间开十字形孔)的图像,如图7(a)所示.采用边缘扩展函数(ESF)对十字孔边缘强度分布进行拟合[18],得到静态成像空间分辨约为11 µm,如图7(b)所示.照相的时间分辨约为几十ps,放大倍数40,视场2.5 mm×2.5 mm.

图7 背光照相的静态空间分辨 (a) Cu 客体背光图像;(b)空间分辨拟合结果Fig.7.Static spatial resolution:(a) Radiography of copper slab;(b) spatial resolution determined by edge spread function.

典型的铝飞片侧向飞行姿态图像分别如图8和图9 所示.从图8 可以看到,相比初始自由面位置(竖直方向),飞片整体发生了比较明显的倾斜(约40°).仔细观察发现,初始靶面存在一定的倾斜(沿顺时针方向旋转约10°),自由面下部出现了一个由冲击波作用导致的微层裂鼓包结构[19],说明激光加载中心位置偏离了中心约束孔.根据鼓包形状,可以确定加载激光整体下移了约0.5 mm.加上靶面有一定倾斜,飞片下半部分受到了更强的等离子体冲击,飞片飞出后逐渐沿顺时针方向旋转,最终造成了较大的倾斜.为便于分析,将飞片旋转到竖直方向,如图8(b)所示,根据每个像素代表的实际尺寸,可以确定飞片厚度约20 µm,直径约440 µm.飞片飞行过程中,由于侧向稀疏导致飞片边缘滞后,飞片呈典型锅底状,但飞片并没有断裂破碎,表明等离子体射流碰撞没有在飞片内部形成强冲击波,大部分能量都转化成了飞片的动能,飞片的温升较小,没有熔化汽化,仍保持了很好的完整性.根据照相延时和飞行距离,估算得到飞片平均速度约为2.2 km/s.另一发典型实验结果如图9 所示,飞片姿态较好,没有发生明显的倾斜.飞片厚度20 µm,飞行距离540 µm,平均速度约2.2 km/s.同样,由于边侧稀疏,飞片整体呈锅底状,横向尺寸约500 µm.此外,可以清晰地看到作用在飞片后方的较低密度的CH 等离子体射流.

图8 等离子体射流驱动铝飞片的X 光图像(其中照相延时346 ns)(a) 原始图像;(b) 飞片旋转放大后的图像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.

图9 等离子体射流驱动的铝飞片X 光图像,其中照相延时350 nsFig.9.Radiography of aluminum flyer driven by laser plasma,where time delay is 350 ns.

3.4 阴影成像

利用可见光阴影成像测量了飞片和等离子体演化的轮廓图像,典型结果如图10 所示,由于可见光没有密度分辨能力,无法区分飞片和等离子体,但比较平坦的阴影头部一定程度上反映了飞片具有较好的平面性.由于等离子体射流的膨胀和扩散,随着照相延时的增加,头部轮廓位移逐渐增大,阴影面积也不断增加.根据阴影照相结果(尤其第一幅)可以判断飞片启动时刻和加速过程,为X 光照相延时设置提供参考.

图10 典型的等离子体射流驱动铝飞片阴影图像,其中相对ns 激光延时分别为(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 结论

在星光III 装置上开展了激光等离子体射流碰撞驱动小尺寸金属飞片及飞行姿态联合诊断实验,获得了典型的铝飞片X 光透视图像、阴影图像和和速度曲线.通过调控CH 烧蚀层厚度和真空间隙长度,实现了将等离子体碰撞转换成幅值连续变化的应力波加载,从而缓慢加速飞片飞行.实验获得了20 µm 厚度的铝飞片,直径约0.5 mm,由于边侧稀疏,飞片呈典型锅底状,飞片加速时间长达200 ns,平均速度2.2 km/s.等离子体加载的应变率105—106s–1,比通常的激光准等熵加载应变率下降了近2 个量级,大大地降低了飞片飞行过程中的温升,使飞片可以更长时间维持完整形态.后续,将开展更多发次实验,研究飞片飞行姿态的演化过程.