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基于侧向稀疏的超高压声速研究进展

文章来源:《强激光与粒子束》编辑部   时间:2020-01-20

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极端高压条件下的物态方程一直是我院重点关注的研究领域,为此我们发展了多种动高压和静高压技术以及相关的计算模型。实验中较为容易给出的压力比容关系只是状态方程研究的一个参考状态,要获得状态面上的更多数据则需要额外的数据。无论是有限应变状态方程,还是格林内森状态方程,声速都是宽区物态方程的核心。精确测量高压下物质的声速可以用来推断行星等天体内部的结构和物质组成,同时极端高压下的声速也是材料科学、凝聚态物理、(稠密)等离子物理关注的重要内容,尤其是在TPa压力以上量子效应对原子结构起决定性作用时,声速测量结果可以校核分子动力学模型。

超高压声速的测量可以有两种途径,一种是经典的追赶法,另一种是侧向稀疏法。在高速飞片冲击压力之外的超高压段,声速测量一直没有直接测量的方法,其中一个主要的原因是超高压冲击波一般都不是定常传播的(受限于驱动技术,通常是不断衰减的冲击波),因此基于扰动追赶的声速测量技术无法应用。课题组提出了一种新的实验方法,首次直接测量了沿主冲击绝热线上体声速的连续变化,实验压力范围可达TPa量级,该方法有望成为超高压物理的一种标准测量方法,定量给出状态方程偏量,在行星物理、惯性约束聚变和高能量密度等研究方向上将产生显著的推动作用。

1  提出并发展了超高压声速测量的有效方法

项目组李牧博士最早在上海“神光Ⅱ”上开展透明介质的冲击波实验中,发现线成像速度干涉仪可以非常清晰地记录冲击波在介质内弯曲点的轨迹,而且这个轨迹可以和样品表面平面冲击波到达时刻相吻合,从而专门设计了透明介质的声速测量系统,并逐步发展成了能够在单发实验中连续测量主冲击绝热线上很大压力范围的体波声速的方法,在“神光Ⅲ”原型装置上成功获得了石英单晶的超高压声速结果。

实验原理和测量结果如图1所示。冲击波进入透明的样品以后,在坐标原点引入侧向稀疏波,随着时间的推移,冲击波前进的距离(Usdt)、波后物质的平移距离(Updt)以及声波传播距离(Cbdt)之间满足简单的三角关系,只要测量得到红色的轨迹,即可给出声速。该方法并不要求冲击波定常传播,高压实验中最为常见的衰减冲击波也是适用的,而且衰减冲击波还可以在一次实验中沿主冲击绝热线从上而下,扫过冲击线上的很大压力范围,这样也就可以得到宽广范围的声速结果。

基于侧向稀疏的超高压声速研究进展

2  首次给出了标准材料沿雨贡纽线的声速连续测量结果

我们在实验研究中利用了衰减冲击波,实际上是一种三角波,冲击波阵面前一致是常温常压状态,随着冲击波强度的下降,波后状态仍然满足雨贡纽关系。也就是波后状态是沿着雨贡纽线从高往低走,实验中引入的侧向稀疏波始终是在冲击波波后紧靠冲击波阵面处与冲击波发生作用,因此声速对应的状态是严格的落在雨贡纽线上的,而且是连续变化的。这种连续的测量能够极大的消除不同发次之间引入的随机误差,对于沿雨贡纽线的状态变化具有很高的敏感性,这也是首次实现的声速非离散测量。与其他测试技术相结合,已知p-v关系后,有望利用少量实验发次即可实现完全物态方程的测量。以透明介质为例,对氢氘氚状态方程、CH、金刚石等物质的宽区状态方程开展系统的研究。

实验给出的石英单晶超高压声速及其他物态方程数据,2所示。实际测量的声速结果在密度小于7 g/cm3时小于之前模型的预测结果,但是与第一性原理分子动力学计算、经验宽区物态方程(WEOS)相一致。基于声速计算的Grüneisen系数从0.25 Pa时的1.3减小为1.45 Pa时的0.66。通过与其他模型的比较,声速数据与比热容数据一样能够作为化学键存在的证据,Si—O键的离解持续到大约0.65~1.0 Pa冲击压力范围,化学键带来的结构比热容使得总比热容高,测量获得的较低的体积模量和较高的Grüneisen系数意味着分子液态石英具有较高的热膨胀系数。

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