金属表面微喷射颗粒相态演化的DXRD研究

In the fields of controlled nuclear fusion and compression science and technology, ejecta is one of the main causes/sources of interface mixing. The ejecta fragments, being solid or liquid, makes a difference in the interface mixing situations, and results in different compression status. Since a direct diagnostic method used to monitor the phase of ejecta fragments is still in need, we apply the dynamic X-ray diffraction technique in the in-situ measurement of the ejecta fragments phases. On a platform of high power laser facility, the probing Helium-like X-ray is generated from metals stimulated by nano-seconds laser pulses. By calibrating the time-dependent trajectory of the ejecta tip, we record its phase evolution under a variety of shock strengths. This observation will help us to understand how the phase change occurs for ejecta transporting in a vacuum environment and how is the phase of ejecta fragments influenced by the shock strength. This project provides a basis for the investigation of the rich processes occurred during the ejecta mixing such as break up, heat transfer, chemical reactions, and will effectively promote the research on the generation of ejecta and the subsequent ejecta mixing process.

在可控核聚变和压缩科学工程领域，微喷射作为界面混合现象的主要来源之一，其相态（固相/液相）会影响混合状态，从而直接影响压缩效果。本项目针对微喷射物质相态的直接诊断手段匮乏这一问题，将动态X射线衍射技术（DXRD）应用于微喷射物质相态的实时原位研究。以大型激光装置为平台，使用纳秒激光激发金属的类He线为探测X射线，建立面向微喷射物质相态研究的DXRD技术，并在真空条件（气压< 10^-2 Pa）下，选取典型金属锡的微喷射过程为研究对象，通过对时间和空间的同步控制，实现对微喷射头部的追踪观测，获得不同冲击加载压力下微喷射物质初始相态及其演化信息，从而掌握微喷射物质在真空中输运时相态演化的规律和冲击压力对微喷射物质相态影响的规律。本项目是金属微喷射颗粒与气体的混合过程中破碎、相间热传递、化学反应等涉及相态演化的物理化学过程等后续研究工作的基础之一，将有效推动微喷射产生及其与气体的混合过程的研究。

在可控核聚变和压缩科学工程领域，微喷射作为界面混合现象的主要来源之一，其相态（尤其是固相/液相）会影响混合状态，从而直接影响压缩效果。本项目针对微喷射物质相态的直接诊断手段匮乏这一问题，将动态X射线衍射技术（DXRD）应用于微喷射物质相态的实时原位研究。在自然科学基金的资助下，本项目分别以大型激光装置和自由电子激光装置平台，建立了面向微喷射物质相态研究的DXRD诊断技术；并以典型金属锡为实验样品，通过时空同步，研究了高速运动的微层裂碎片随时间演化的相结构信息，实验证实了在真空中高速运动的微喷射颗粒的相结构信息不随时间变化而变化；以表面预设单沟槽的金属Sn为实验样品，获得了冲击加载-卸载熔化和未熔化状态下的样品表面微射流相态信息，厘清了是否“即使冲击强度未能引起样品卸载熔化，微射流都会处于熔化状态”，实验支持“当冲击波强度不足以使样品金属卸载熔化时，尽管有局部微射流熔化现象，但大部分微射流处于固体。微射流的形成机制为：冲击波经过沟槽，会反射一个稀疏波，使得沟槽附近处于拉伸状态形成微射流”；更进一步地，项目组利用该技术还对微层裂机制进行了研究，通过对不同加载压力下微层裂的相结构和温度的实验和理论研究发现，金属锡在激光加载的情况下，与等熵卸载过程相比，如果在卸载过程中发生了微层裂，微层裂会带来100 K~ 200 K的额外温升。本项目是金属微喷射颗粒与气体的混合过程中破碎、相间热传递、化学反应等涉及相态演化的物理化学过程等后续研究工作的基础之一，将有效推动微喷射产生及其与气体的混合过程的研究。