基于"天光一号"装置的激光直接驱动准等熵压缩研究

Laser-driven quasi-isentropic compression experiment is a shockless process where high pressure conditions can be accessed, and the accompanying temperature rise and entropy production is much less severe than shock compression, thus it has important research value. Direct laser-driven method is a recently developed technique, it can improve the energy utilization rate and pressure effectively, which attract extensive attention from worldwide. Therefore, for this project, the quasi-isentropic compression experiments were performed on the HEAVEN-I KrF excimer laser system without temporally pulse shaped and plasma loading, where the uniformity distribution of laser intensity is improved by Echelon Free Induced Spatial Incoherence (EFISI) technique. Direct laser-driven quasi-isentropic compression experiments on three kinds of aluminum targets. We will study interaction of laser-materials and physical processes, and build propagation model of compression wave. It reveals the relation of variant parameters (target and laser) to quasi-isentropic compression experiments. In brief, the successful implemental of this project not only makes clear the physical process of direct laser-driven quasi-isentropic compression, but also offers advanced experiment methods and favorable test conditions for future research on high energy density physics.

激光驱动准等熵压缩作为一种低温升、低熵增的动高压加载手段，在高压物理、惯性约束聚变等领域具有重要的研究价值和很强的需求牵引。近期发展起来的激光直接驱动方法，能有效提高能量利用率和峰值压力，引起国内外的广泛关注。本项目基于“天光一号”装置，利用其长上升沿的特点，通过采用非相干平滑技术提高光束均匀性，在不引入气库材料二级作用的情况下，开展激光直接驱动准等熵压缩的研究——激光直接照射Al靶、带LiF窗口Al靶和带LiF窗口台阶Al靶实现准等熵压缩，研究激光与靶作用实现准等熵压缩的机理和物理过程，建立一维理论模型模拟压缩波的传输过程和形成冲击波的临界条件，并与实验对比研究靶的结构参数、激光参数对准等熵加载效果的影响，探索获得激光直接驱动准等熵压缩的最佳条件和技术手段。本项目的实施将有助于明确激光直接驱动准等熵压缩加载的物理过程，也为开展高能量密度物理等相关研究提供了先进的实验技术手段。

激光驱动准等熵压缩作为一种低温升、低熵增的动高压加载手段，在高压物理、惯性约束聚变等领域具有重要的研究价值和很强的需求牵引。近期发展起来的激光直接驱动方法，能有效提高能量利用率和峰值压力，引起国内外的广泛关注。. 本项目研究了激光与靶作用实现准等熵压缩的机理和物理过程，基于激光束靶相互作用机理与流体力学理论，建立了一维流体力学分析和平面压缩波的传输模型，研究了束靶相互作用后样品靶内的状态参数变化过程，及准等熵压缩过程中压缩波传输规律与冲击波的形成条件，完成了靶结构参数与激光的匹配设计。. 基于大功率激光装置，在纯铝靶、带 LiF 窗口铝靶和带 LiF 窗口台阶铝靶三种靶上实现了激光驱动准等熵压缩实验，峰值压力达到100 GPa。通过分析受辐照后靶的损伤形貌与结构特征，发现受辐照区域铝膜完全气化，辐照前后材料组织结构稳定。基于一维辐射流体力学模拟程序，研究了不同靶结构参数、激光上升沿、能量和能量变化率等参数对准等熵加载过程的影响，并采用热力学定律计算了其熵增，获得了其变化规律。. 利用干涉仪 VISAR 测量得到的靶自由面/界面速度，流场反演靶中压力、密度等随时间的变化过程。针对 LiF窗口在高压作用下折射率会发生变化的问题，对 VISAR 结果进行修正。建立了系统的激光直接驱动准等熵压缩实验技术手段与诊断分析方法，为今后开展准等熵加载下状态方程、材料科学以及其它高能量密度物理相关课题研究提供稳定可靠的实验平台。. 此外，本项目扩展了激光驱动准等熵压缩技术的应用，基于激光驱动准等熵加载，开展了激光驱动超高速飞片技术和冲量耦合系数测量等研究。在激光驱动飞片试验中，激光能量转化为飞片动能的效率高达13.4%，因此，准等熵加载在激光驱动超高速发射领域具有独特的优势。