1 引 言

准等熵压缩是一种高效的材料动态压缩手段,其加载速率低,产生的熵增小,可以在材料中实现高压且相对低温的物质状态.该研究内容在武器物理、激光惯性约束聚变、天体物理等研究方向中均有重要应用[1?6].例如,激光惯性约束聚变中聚变材料的压缩过程即为准等熵压缩过程[6].目前,利用冲击压缩可以实现这样的超高压强,但会产生剧烈温升,只有准等熵压缩可以实现这种超高压且相对低温的物质状态.只要人们掌握了有力的准等熵压缩工具,即有望在实验室创造出行星的内部状态,开展星体特性的细致研究工作.

在该研究领域,在几十年的时间里研究者先后发展出了电磁脉冲加载[7,8]、化爆[9]、气炮加载阻抗梯度飞片等[10]加载方法.但这些方法目前实现的最高准等熵压缩压强仅为几百GPa[11],一直难以获得显著突破.近年来,世界大国在激光整形方面都取得了巨大进步,已可以实现对激光脉冲波形的任意整形.这给准等熵压缩研究带来了前所未有的发展机遇,使得整形激光驱动准等熵压缩成为了一种具有强大研究潜力的方法.截至目前,美国等国家已在NIF,OMEGA等多个大型激光装置上开展了大量整形激光加载的准等熵压缩实验[1,4,12?15],先后获得了几十GPa至数TPa的加载压强,远远超过了传统方法,并达到了研究大型天体内部状态的实验能力.这些研究中,最具有代表性的研究成果是美国利弗莫尔实验室在2014年利用NIF装置在金刚石中实现了5 TPa的峰值压强,材料压缩率达到3.9倍[1],这是人类在实验室通过准等熵压缩方式获得的最高物质压强参数.在国际上获取重大进展之际,我国也应抓住机遇开展相应的研究工作.

在激光驱动惯性约束聚变研究的牵引下,我国高功率激光物理联合实验室(由中国科学院与中国工程物理研究院共建)和中国工程物理研究院先后建成了神光II激光装置、神光III原型激光装置、神光III主机激光装置和星光III激光装置等多套大型高功率激光装置,这些激光装置的技术指标处于世界先进水平,均具有开展整形激光加载准等熵压缩研究的能力.在此有利条件下,中国工程物理研究院上海激光等离子体研究所舒桦等[16]2012年利用神光II激光装置开展了激光直接驱动准等熵压缩实验,并获得了Al材料的准等熵压缩图像.我们从2012年开始开展了理论、制靶、数据处理方法等研究工作[17?20],并从2013年开始在神光III原型激光装置上开展整形激光直接加载实验,已在多种靶型中成功获得了高质量的实验数据和数百GPa的加载压强[21?23].本文主要对我们获得的研究成果做系统介绍.

2 激光加载方法的特点

激光加载压力来源于激光与物质相互作用,作用过程产生的强X光辐射甚至超热电子需要被阻拦;另外,激光脉冲宽度窄、光斑小,决定了靶的厚度和尺度相对传统加载方式小.这使得激光加载方式对加载压力波形要求更高、靶结构更为复杂、实验设计方法和数据处理方法需具有更强的适用性.

在压力波形控制方面,激光加载时间尺度为0—30 ns,较电磁加载等传统加载方式短一个数量级,而加载压力却高一个量级.也就是说,要在更短的时间尺度和更宽的压力范围内将材料缓慢压缩且不能出现冲击波,这需要比传统加载方式更加精密地控制加载压力波形的形状.这种控制精度最终会转移到实验设计和激光波形整形上.

在靶的结构方面,激光脉冲短、光斑小导致靶的空间尺度非常小且厚度小,样品的厚度往往仅有10μm级,横向尺寸仅为mm级.为阻拦强X光辐射甚至超热电子对材料的预热、提升加载压强范围,靶结构变得复杂,常为多层结构,一般包含烧蚀层、阻挡层、样品层、窗口等.如此复杂的靶结构对制靶工艺和测量技术提出了极高要求.

在实验设计方法和数据处理方法方面,传统方法已不能满足要求.由于靶内压力波结构非常复杂,传统方法中常用的简单波近似偏差很大.这需要发展适用性更高的数据处理方法和实验设计方法.

3 主要进展

3.1 压缩理论

准等熵压缩理论研究有助于对压缩过程的物理理解以及压缩实验的设计,是开展物理实验的基础工作.由压缩理论可知,在准等熵压缩流场内,后产生的强声波追赶上前期产生的弱冲击波或者声波时会产生冲击波.在数学上,所有的声波同时交叉汇聚于空间一点时,准等熵的空间范围存在最大值.基于这种思想,众多知名科学家先后给出了单一均匀、足够厚度的流场的最佳加载压力波形.1972年,Hawke等[24]给出了最佳压力波形为材料密度的多项式,但表达式中存在众多的指数和系数难以确定,无法在实验设计中使用.1972年,利弗莫尔实验室的Nuckolls等[25]由理想气体方程推导出了球形压缩最佳压力波形,但其推导基于理想气体方程且为球一维形式,无法应用于固体材料的准等熵压缩研究.2004年,Atzenzi和Meyer-ter-Vehn[26]给出了基于理想气体状态方程的压力波形的显式表达式.2005年,Davis等[27]提出在单一材质、均熵、足够厚度的介质加载面上最佳的拉格朗日声速时间分布.2008年,Swift等[28]基于Davis的理论模型进一步给出了加载面上密度的时间分布.显然,准等熵压缩理论一直在不断发展,但以上理论结果在实际使用中还不够方便.若能得到加载面上加载压力的解析表达式,则非常有利于实验应用.