激光等離子體射流驅動亞毫米直徑鋁飛片及姿態診斷*

稅敏 席濤 閆永宏 于明海 儲根柏 朱斌 何衛華 趙永強 王少義 范偉 盧峰 楊雷 辛建婷 周維民

(中國工程物理研究院激光聚變研究中心,等離子體物理重點實驗室,綿陽 621900)

強激光燒蝕低密度有機材料形成等離子體射流碰撞,可以對材料進行準等熵加載,比激光沖擊加載應變率低,相同壓強下可以獲得更高的壓縮度和更低的溫升,在狀態方程、飛片加速等方面有很強的應用前景.在星光III 置上首次開展了等離子體射流驅動小尺寸鋁飛片及姿態診斷聯合實驗.通過調控有機材料厚度和真空間隙長度,獲得了厚度20 μm、直徑約400 μm 的鋁飛片,飛片加速時間長達200 ns.基于ps 拍瓦激光的高能X 光背光照相結果顯示鋁飛片在飛行約400 μm 距離后仍然保持了很好的飛行姿態和完整性.

1 引言

利用激光燒蝕有機材料(以下簡稱氣庫膜)形成等離子體射流可以對材料產生準等熵加載[1],在高壓下固體材料高應變率動態響應特性[2]、相變[3,4]、狀態方程[5]及小尺寸飛片產生[6]等方面都有廣闊的應用前景.2012 年,Fratanduono 等[6]在勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(LLNL)利用激光燒蝕聚酰亞胺薄膜產生等離子體將20 μm 厚度、直徑約1 mm 的鋁飛片緩慢加速到5 km/s 的速度.任意反射面速度干涉儀(VISAR)測得的干涉條紋光滑連續,一維平面性良好,流體模擬顯示飛片碰撞前溫升僅不到50 ℃,表明該方法(驅動的飛片)在狀態方程(EOS)的絕對測量方面具有很強的應用潛力.2017 年,Shu 等[7]利用這種激光準等熵加載方法開展了鋁的狀態方程絕對測量.通過調節激光能量,他們將25 μm 厚度、直徑約1 mm 的鋁飛片加速到4—12 km/s 的速度,通過與鋁臺階樣品撞擊,同時獲得了鋁飛片撞擊時刻的速度和樣品中的沖擊波速度,從而實現對鋁材料的EOS 絕對測量.該實驗獲得了50—200 GPa 壓力區間的鋁沖擊雨貢紐數據,與不同加載方法獲得的實驗結果具有很好的一致性,間接證明了這種激光準等熵驅動方式產生的飛片具有比較好的飛行姿態和較低的溫升.同年,本研究組[8]也發表了在原型裝置上開展的激光驅動飛片研究的實驗結果,將20—30 μm 厚度的鋁飛片和鉭飛片加速到3—11 km/s 的速度.從上述研究可以看出,利用激光等離子體射流碰撞可以驅動平面性好、溫升較低的飛片,這一點相比傳統的激光驅動帶窗口約束的飛片具有明顯的優勢[9?13].然而,目前對于飛片平面性和完整性的表征,主要依賴線VISAR 測量[7,8]和驗證板[13,14]的結果,對飛片的飛行姿態和表觀形貌(平面性和完整性)都缺乏直接的觀測結果,而這很大程度上決定了激光驅動飛片能否在EOS 甚至更多的研究領域(如激光驅動飛片起爆[10])得到廣泛和深入的應用.近兩年,基于皮秒拍瓦激光的高分辨X射線背光照相技術[15]由于具有高亮度、高時空分辨的特點,在慣性約束聚變內爆過程和沖擊加載材料微噴過程研究[16?19]方面已經獲得了重要應用.借助這種高時空分辨的透視成像技術,有望實時捕捉到小尺寸飛片的飛行姿態和表觀形貌,為激光驅動飛片應用研究奠定更堅實的基礎.本文基于星光III 裝置,開展激光等離子體射流驅動飛片和姿態診斷實驗,優化激光參數和靶參數,解決X 光照相的干擾問題,獲得清晰的飛片姿態圖像,并對結果進行細致的分析.

2 實驗

2.1 激光參數和靶參數

實驗使用星光III 裝置三倍頻納秒束激光進行加載,能量小于60 J,脈沖波形為2 ns 方波.使用1 mm 直徑的連續相位板(CPP)對ns 激光進行空間勻滑,提高加載光束的空間均勻性,提高飛片的平面性和完整性.放置1 mm CPP 后,遠場光學焦斑分布如圖1 和圖2 所示,平頂區尺寸約0.7 mm×0.7 mm.皮秒激光用于產生照相用的X 光源,能量小于50 J,脈寬約為8 ps,經拋物面鏡聚焦到焦斑小于30 μm(能量集中度大于50%).實驗中,鋁飛片初始厚度20 μm,氣庫膜(CH)厚度150 μm,真空間隙長度(氣庫膜與飛片之間的距離) 400 μm,如圖3 所示.

圖1 經過1 mm CPP 后的遠場光學焦斑空間分布Fig.1.On-target focal spot of nanosecond beam after 1 mm CPP.

圖2 遠場光學焦斑的一維強度空間分布 (a) 沿著y 軸;(b) 沿著x 軸Fig.2.One-dimensional on-target focal spot of nanosecond beam after 1 mm CPP:(a) Along y axis;(b) along x axis.

圖3 等離子體射流驅動飛片及姿態診斷原理示意圖Fig.3.Schematic view of plasma-driven flyer and gesture investigation.

2.2 原理和診斷設計

實驗設計原理示意圖如圖3 所示,ns 激光經過束勻滑后燒蝕氣庫膜(CH 摻Br)材料,產生的沖擊波卸載使CHBr 材料熔化并形成等離子體,等離子體通過真空間隙持續噴射到飛片上,通過動能轉換,推動飛片緩慢飛行.與激光沖擊加載方式相比,這種方式可以減小飛片的溫升,降低熔化和破碎的風險,飛片更容易保持好的姿態.利用ps 束激光與背光靶作用產生X 光對飛片姿態進行側向透視照相(HXI),結合陰影照相[20]和界面沖擊波診斷系統(PDV)聯合測量[18],研究飛片的加速過程、表觀形貌和飛行姿態演化(翻滾、彎曲、傾斜等).實驗診斷排布示意圖如圖4 所示,針孔相機(PHC)用于監測打靶激光產生的X 光焦斑.

圖4 實驗診斷排布示意圖(俯視圖)Fig.4.Schematic view of experimental diagnostic configuration (top view).

2.3 理論計算預估

使用1 維Multi 軟件模擬計算飛片的加速過程.飛片速度與飛片厚度、激光能量、氣庫膜厚度和真空間隙長度都相關.為減少變量個數,降低數值模擬的計算量,設計飛片厚度為20 μm,氣庫膜厚度為150 μm(直徑2 mm,中心為直徑500 μm的等離子體約束孔).根據飛片速度曲線,優化ns激光能量(裝置輸出能量小于100 J)和真空間隙長度,在保證飛片峰值速度達到2 km/s 左右時,盡量延長飛片的加速時間,減小飛片的溫升.不同激光能量和真空間隙長度的模擬結果如圖5 所示,最終選擇真空間隙長度400 μm,ns 激光能量50 J(能量再低則穩定性變差),如圖中黑色曲線所示,采用該設計,飛片加速更緩慢,加速過程超過了300 ns,曲線平滑,沒有沖擊.

圖5 不同能量和真空間隙長度下Multi 計算的鋁飛片速度曲線Fig.5.Aluminum flyer velocity obtained by Multi calculation at different laser energy and vacuum gap length.

3 實驗結果

3.1 實驗結果統計

一共開展了兩輪實驗,動態實驗3 發,靜態實驗1 發,如表1 所列.ps 束照相延時為ps 激光落后ns 激光前沿的時間.

表1 實驗結果統計Table 1. Experimental parameter above the shocked melting point.

3.2 等離子體射流碰撞準等熵加速鋁飛片

不同ns 激光能量加載的鋁飛片自由面速度曲線如圖6 所示,可以看到,飛片加速過程比較緩慢,速度上升沿超過了100 ns,與Multi 計算的結果比較吻合.利用“反積分”方法[21]計算可以得到加載應變率105—106s–1,比通常的激光準等熵加載低近2 個量級[21].

圖6 PDV 測量的不同激光能量對應的鋁飛片自由面速度曲線Fig.6.Aluminum flyer velocity obtained by PDV measurements at different ns laser energy.

3.3 鋁飛片飛行姿態診斷

在開展動態實驗前,首先進行了靜態客體成像實驗,獲得了0.2 mm 厚Cu 板客體(中間開十字形孔)的圖像,如圖7(a)所示.采用邊緣擴展函數(ESF)對十字孔邊緣強度分布進行擬合[18],得到靜態成像空間分辨約為11 μm,如圖7(b)所示.照相的時間分辨約為幾十ps,放大倍數40,視場2.5 mm×2.5 mm.

圖7 背光照相的靜態空間分辨 (a) Cu 客體背光圖像;(b)空間分辨擬合結果Fig.7.Static spatial resolution:(a) Radiography of copper slab;(b) spatial resolution determined by edge spread function.

典型的鋁飛片側向飛行姿態圖像分別如圖8和圖9 所示.從圖8 可以看到,相比初始自由面位置(豎直方向),飛片整體發生了比較明顯的傾斜(約40°).仔細觀察發現,初始靶面存在一定的傾斜(沿順時針方向旋轉約10°),自由面下部出現了一個由沖擊波作用導致的微層裂鼓包結構[19],說明激光加載中心位置偏離了中心約束孔.根據鼓包形狀,可以確定加載激光整體下移了約0.5 mm.加上靶面有一定傾斜,飛片下半部分受到了更強的等離子體沖擊,飛片飛出后逐漸沿順時針方向旋轉,最終造成了較大的傾斜.為便于分析,將飛片旋轉到豎直方向,如圖8(b)所示,根據每個像素代表的實際尺寸,可以確定飛片厚度約20 μm,直徑約440 μm.飛片飛行過程中,由于側向稀疏導致飛片邊緣滯后,飛片呈典型鍋底狀,但飛片并沒有斷裂破碎,表明等離子體射流碰撞沒有在飛片內部形成強沖擊波,大部分能量都轉化成了飛片的動能,飛片的溫升較小,沒有熔化汽化,仍保持了很好的完整性.根據照相延時和飛行距離,估算得到飛片平均速度約為2.2 km/s.另一發典型實驗結果如圖9 所示,飛片姿態較好,沒有發生明顯的傾斜.飛片厚度20 μm,飛行距離540 μm,平均速度約2.2 km/s.同樣,由于邊側稀疏,飛片整體呈鍋底狀,橫向尺寸約500 μm.此外,可以清晰地看到作用在飛片后方的較低密度的CH 等離子體射流.

圖8 等離子體射流驅動鋁飛片的X 光圖像(其中照相延時346 ns)(a) 原始圖像;(b) 飛片旋轉放大后的圖像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.

圖9 等離子體射流驅動的鋁飛片X 光圖像,其中照相延時350 nsFig.9.Radiography of aluminum flyer driven by laser plasma,where time delay is 350 ns.

3.4 陰影成像

利用可見光陰影成像測量了飛片和等離子體演化的輪廓圖像,典型結果如圖10 所示,由于可見光沒有密度分辨能力,無法區分飛片和等離子體,但比較平坦的陰影頭部一定程度上反映了飛片具有較好的平面性.由于等離子體射流的膨脹和擴散,隨著照相延時的增加,頭部輪廓位移逐漸增大,陰影面積也不斷增加.根據陰影照相結果(尤其第一幅)可以判斷飛片啟動時刻和加速過程,為X 光照相延時設置提供參考.

圖10 典型的等離子體射流驅動鋁飛片陰影圖像,其中相對ns 激光延時分別為(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 結論

在星光III 裝置上開展了激光等離子體射流碰撞驅動小尺寸金屬飛片及飛行姿態聯合診斷實驗,獲得了典型的鋁飛片X 光透視圖像、陰影圖像和和速度曲線.通過調控CH 燒蝕層厚度和真空間隙長度,實現了將等離子體碰撞轉換成幅值連續變化的應力波加載,從而緩慢加速飛片飛行.實驗獲得了20 μm 厚度的鋁飛片,直徑約0.5 mm,由于邊側稀疏,飛片呈典型鍋底狀,飛片加速時間長達200 ns,平均速度2.2 km/s.等離子體加載的應變率105—106s–1,比通常的激光準等熵加載應變率下降了近2 個量級,大大地降低了飛片飛行過程中的溫升,使飛片可以更長時間維持完整形態.后續,將開展更多發次實驗,研究飛片飛行姿態的演化過程.