高温高压下氮在离解相变区的状态方程与辐射不透明度研究

The dissociation of molecules under high pressure-temperature conditions has a significant influence on both the equations of state of the molecular system and its radiation transfer characteristics. Thus, related research provides a fundamental basis for the analysis of inertial confinement fusion processes and some stellar phenomena. Here, we propose to apply a reverberatory multi-compression technique based on a two-stage light-gas gun to drive pre-compressed (2-40 MPa) nitrogen samples into the dissociation regime of high pressure-temperature conditions. Meanwhile, a joint diagnostic by Doppler pin systems, displacement interferometer systems for any reflector, pyrometers, an optical multi-channel analyzer and a streak camera will be applied, in order to obtain the equation-of-state and the opacity data along a variety of thermodynamic compression routes, realized by manipulating the initial pressure of the sample and the compression route, for each of which a specified pre-compressed sample will be compressed into the dissociation regime in a way that starts with an adiabatic compression and succeeded with a series of quasi-isentropic ones, covering a wide thermodynamic region. The data thereby obtained will provide valuable references for checking the validity of proposed and to be proposed equation-of-state and opacity models.

高温高压条件下分子的离解过程会对分子体系的状态方程和体系内的辐射输运同时产生显著的影响。因此，研究该离解过程可以为惯性约束聚变过程、部分天体物理现象的分析和研究提供必要的物理基础。本项目拟利用二级轻气炮平台，采用多次反射压缩技术使预压缩的氮气（2-40 MPa）经过多次压缩进入高温高压离解相变区；并结合多普勒探针、任意反射面的位移干涉仪、辐射高温计、光学多通道分析仪、条纹相机等诊断技术，拟通过改变氮气的初始压强和加载方式，实现由不同热力学路径、从绝热到准等熵进入高温高压离解相变区的压缩过程，获得沿不同热力学路径、较宽温密区域的状态方程数据和辐射不透明度数据，为检验或构建氮在高温高压离解相变区的状态方程和辐射不透明度理论模型提供依据。

氮气在高温高压下发生离解和电离过程，这些过程不仅改变了体系内部的自由度而且引人了新的相互作用，使得体系的状态方程P(V，T)性质不单单需要考虑理想气体的情况，还需要引入构型相互作用、库伦相互作用、极化相互作用等修正。综合考虑这些相互作用，并通过实验数据对其进行校验，是在高温呢高压下对氮气进行状态方程建模的一种重要途径。该建模方法不仅可以推广到氢气、氘气、氧气等其他双原子分子气体的状态方程建模中，而且对于评估炸药爆轰产物的状态方程以及巨行星内部热力学状态有着重要的理论价值和科学意义。本项目以氮气在宽热力学区域（跨越分子流体区、离解相变区和电离相变区）的状态方程建模为标的，开展氮气在高温高压条件下状态方程性质的实验和理论联合研究。本项目基于二级轻气炮平台结合多次反射压缩技术实现了针对预压缩氮气从绝热到准等熵路径的状态方程测量，建立了蒙特卡洛实验数据不确定度评估方法，并通过该方法给出了实验数据的不确定度。基于此，本项目建立了可适用于存在离解和电离过程的氮气的自洽流体变分模型，不仅合理的解释了实验数据，而且对氮气在高温高压下离解和电离过程导致的组分变化、Gruneisen参数性质变化、等离子体相变等进行了预测和分析。此外，本项目发展了针对压缩气体折射率测量的频域干涉法，建立了有广泛适用性和高精度的冲击波阵面发射率模型和波后辐射不透明度评估方法，发展了条纹相机测温测谱技术等，这些技术和方法或可助力冲击波实验技术的发展。