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基于側向稀疏的超高壓聲速研究進展

文章來源:《強激光與粒子束》編輯部   時間:2020-01-20 訪問數:

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極端高壓條件下的物態方程一直是我院重點關注的研究領域,為此我們發展了多種動高壓和靜高壓技術以及相關的計算模型。實驗中較為容易給出的壓力比容關系只是狀態方程研究的一個參考狀態,要獲得狀態面上的更多數據則需要額外的數據。無論是有限應變狀態方程,還是格林內森狀態方程,聲速都是寬區物態方程的核心。精確測量高壓下物質的聲速可以用來推斷行星等天體內部的結構和物質組成,同時極端高壓下的聲速也是材料科學、凝聚態物理、(稠密)等離子物理關注的重要內容,尤其是在TPa壓力以上量子效應對原子結構起決定性作用時,聲速測量結果可以校核分子動力學模型。

超高壓聲速的測量可以有兩種途徑,一種是經典的追趕法,另一種是側向稀疏法。在高速飛片沖擊壓力之外的超高壓段,聲速測量一直沒有直接測量的方法,其中一個主要的原因是超高壓沖擊波一般都不是定常傳播的(受限于驅動技術,通常是不斷衰減的沖擊波),因此基于擾動追趕的聲速測量技術無法應用。課題組提出了一種新的實驗方法,首次直接測量了沿主沖擊絕熱線上體聲速的連續變化,實驗壓力范圍可達TPa量級,該方法有望成為超高壓物理的一種標準測量方法,定量給出狀態方程偏量,在行星物理、慣性約束聚變和高能量密度等研究方向上將產生顯著的推動作用。

1  提出并發展了超高壓聲速測量的有效方法

項目組李牧博士最早在上?!吧窆?/SPAN>Ⅱ”上開展透明介質的沖擊波實驗中,發現線成像速度干涉儀可以非常清晰地記錄沖擊波在介質內彎曲點的軌跡,而且這個軌跡可以和樣品表面平面沖擊波到達時刻相吻合,從而專門設計了透明介質的聲速測量系統,并逐步發展成了能夠在單發實驗中連續測量主沖擊絕熱線上很大壓力范圍的體波聲速的方法,在“神光Ⅲ”原型裝置上成功獲得了石英單晶的超高壓聲速結果。

實驗原理和測量結果如圖1所示。沖擊波進入透明的樣品以后,在坐標原點引入側向稀疏波,隨著時間的推移,沖擊波前進的距離(Usdt)、波后物質的平移距離(Updt)以及聲波傳播距離(Cbdt)之間滿足簡單的三角關系,只要測量得到紅色的軌跡,即可給出聲速。該方法并不要求沖擊波定常傳播,高壓實驗中最為常見的衰減沖擊波也是適用的,而且衰減沖擊波還可以在一次實驗中沿主沖擊絕熱線從上而下,掃過沖擊線上的很大壓力范圍,這樣也就可以得到寬廣范圍的聲速結果。

基于側向稀疏的超高壓聲速研究進展

2  首次給出了標準材料沿雨貢紐線的聲速連續測量結果

我們在實驗研究中利用了衰減沖擊波,實際上是一種三角波,沖擊波陣面前一致是常溫常壓狀態,隨著沖擊波強度的下降,波后狀態仍然滿足雨貢紐關系。也就是波后狀態是沿著雨貢紐線從高往低走,實驗中引入的側向稀疏波始終是在沖擊波波后緊靠沖擊波陣面處與沖擊波發生作用,因此聲速對應的狀態是嚴格的落在雨貢紐線上的,而且是連續變化的。這種連續的測量能夠極大的消除不同發次之間引入的隨機誤差,對于沿雨貢紐線的狀態變化具有很高的敏感性,這也是首次實現的聲速非離散測量。與其他測試技術相結合,已知p-v關系后,有望利用少量實驗發次即可實現完全物態方程的測量。以透明介質為例,對氫氘氚狀態方程、CH、金剛石等物質的寬區狀態方程開展系統的研究。

實驗給出的石英單晶超高壓聲速及其他物態方程數據,2所示。實際測量的聲速結果在密度小于7 g/cm3時小于之前模型的預測結果,但是與第一性原理分子動力學計算、經驗寬區物態方程(WEOS)相一致?;诼曀儆嬎愕?/SPAN>Grüneisen系數從0.25 Pa時的1.3減小為1.45 Pa時的0.66。通過與其他模型的比較,聲速數據與比熱容數據一樣能夠作為化學鍵存在的證據,Si—O鍵的離解持續到大約0.65~1.0 Pa沖擊壓力范圍,化學鍵帶來的結構比熱容使得總比熱容高,測量獲得的較低的體積模量和較高的Grüneisen系數意味著分子液態石英具有較高的熱膨脹系數。

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