长脉宽KrF激光加速双层飞片研究

论文摘要

物质高压状态方程的研究,是惯性约束核聚变、天体物理、地球物理、材料科学、航空航天科技、武器系统研制科学和其他相关领域的基础性课题。随着激光技术的发展,状态方程的研究者们也开始注意到了用激光进行高压状态方程研究的可能性。各主要的发达国家根据自己的激光器的特点,采用不同方案开展了这方面的研究,有相对测量的阻抗匹配法,有绝对测量方法:有直接驱动方式,有间接驱动方式(包括X射线驱动和飞片驱动)。本文介绍了用“天光一号”长脉宽KrF激光器驱动双层飞片的实验研究和数值模拟计算方法。 第一章为绪论部分,简要总结了状态方程研究的历史,激光作为冲击波驱动源的特点和KrF激光的优势,以及国内外的进展情况;第二章是本工作的理论基础,讨论了冲击波物理和雨贡纽曲线测量的基本原理和方法,重点介绍了激光飞片法的特点、关键要素和双层飞片的阻抗失配效应,鉴于KrF激光短波长和长脉宽的特点,我们拟对双层飞片的特性展丌研究工作,为实测状态方程做好准备;第三章简单介绍了一维三温流体力学数值模拟程序Hyades并运用它进行了若干状态方程实验的计算和设计,进行了烧蚀层厚度对飞片速度、稳定性的影响的定性分析;第四章是实验平台描述部分,介绍了光束平滑化技术,靶的制作,条纹相机的原理和使用,系统同步控制以及光学记录速度干涉仪系统的简单原理和构成。第五章是实验结果和分析,最终得出了烧蚀层厚度应当尽量达到临界厚度的结论。 理论上从阻抗失配效应的临界密度公式,推导出了烧蚀层的临界厚度,并推广到飞片的情形,提出了烧蚀层厚度对飞片速度和稳定性的影响规律。我们也用数值模拟程序研究了烧蚀层对飞片的作用效果,得到了和理论相同的结论。最后,实验实测了三种烧蚀层厚度不同的飞片的飞行速度,结果表明飞片法可以测得飞片速度,进而求解粒子速度,而且证实了理论和数值模拟的结论。实验的精度提高需要保证激光的稳定性以及完善对激光功率密度变化的实时监测,另外还要重点改进靶的制作工艺。 最后,我们总结了理论、数值模拟和实验三方面的结果,提出了在不出现严重二维效应和卸载波效应的前提下,烧蚀层厚度应当达到临界厚度的设计原则。

论文目录

• 摘要
• 英文摘要
• 第一章 绪论
• §1.1 状态方程概述
• §1.2 高压物态方程研究方法及相关技术发展的历史
• §1.3 以激光作为冲击波驱动源以及KrF激光的优势
• §1.4 国内外利用激光驱动方法进行状态方程研究的情况
• 第二章 激光驱动冲击波测量状态方程的基本原理
• §2.1 激光驱动冲击波的过程
• §2.2 状态方程研究对冲击波的要求以及主要影响因素
• §2.3 雨贡纽关系式
• §2.4 D-u关系式
• §2.5 冲击压缩线的测量方法及其原理
• §2.6 激光驱动飞片
• §2.7 阻抗失配效应的理论分析
• §2.8 实验室现有条件分析和拟开展的研究内容
• 第三章 数值模拟
• §3.1 激光烧蚀压定标律的数值模拟
• §3.2 烧蚀层厚度对飞片速度的作用效果分析
• §3.3 铝飞片撞靶实验的模拟
• §3.4 铁飞片撞铁靶的模拟
• §3.5 钽飞片撞铁靶的模拟
• §3.6 直接打靶测自由面速度实验的模拟
• 第四章 实验平台建立
• §4.1 光束整形
• §4.2 激光功率密度的测量
• §4.3 靶和靶室系统
• §4.4 条纹相机
• §4.5 光学记录速度干涉仪系统
• 第五章 实验结果与分析
• §5.1 烧蚀层厚度薄的飞片靶实验
• §5.2 烧蚀层厚度较厚的飞片靶实验
• §5.3 分析与结论
• 参考文献
• 致谢