разработка технологии изучения ударной сжимаемости веществ

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ИЗУЧЕНИЯ УДАРНОЙ СЖИМАЕМОСТИ
ВЕЩЕСТВ НА ЛАЗЕРНЫХ УСТАНОВКАХ: РЕЗУЛЬТАТЫ ПЕРВЫХ
ЭКСПЕРИМЕНТОВ НА УСТАНОВКЕ «ЛУЧ».
С.А. Бельков, А.В. Бессараб, И.Н. Воронич, С.Г. Гаранин, А.Г. Голубинский, В.Н. Деркач, А.И. Зарецкий,
В.М. Изгородин, Г. Г. Кочемасов, А.Г. Кравченко, А.В. Кунин, Д.Н. Литвин, Е.И. Митрофанов,
В.М. Муругов, А.В. Пинегин, А.В. Сеник, С.А. Сухарев
ФГУП РФ ЯЦ «ВНИИ экспериментальной физики», Россия, Саров Нижегородской обл.,
e-mail: litvin@otd13.vniief.ru
На мощной лазерной установке «ЛУЧ» создан стенд для изучения ударной сжимаемости веществ.
Приведены схема постановки экспериментов, параметры используемых мишеней и описание комплекса
методик диагностики. Рассмотрены вопросы формирования однородной стационарной ударной волны в
образцах и контроля этих характеристик в экспериментах. Представлены результаты первых экспериментов
по изучению ударной сжимаемости веществ, в которых давление за фронтом ударной волны в алюминии
составило 18 Мбар, в свинце – 29 Мбар.
Введение
В разных лабораториях активно развивается лазерный метод изучения уравнения состояния
вещества (УРС) [1−3]. Серия экспериментов по отработке методов изучения ударной сжимаемости веществ
в мультимегабарном диапазоне давлений проводится также в РФЯЦ ВНИИЭФ на установке «ЛУЧ». [4].
Исследования проводятся по методу «отражения» [5,6]. Для формирования стационарной ударной
волны (УВ) используется базовый слой из алюминия толщиной 20÷100 мкм, на обратной стороне которого
напылены две ступеньки исследуемого материала и вещества-эталона толщиной несколько микрометров.
При известной толщине ступенек скорости УВ в исследуемом образце и эталоне определяются по времени
выхода УВ на тыльную поверхность. Момент выхода ударной волны фиксируется по свечению тыльной
поверхности мишени с помощью пикосекундного электронно-оптического фотохронографа.
Высокое давление создается при нагревании твердого тела интенсивным (1013 – 1015 Вт/см2)
лазерным излучением второй гармоники с длиной волны λ=0.53 мкм (эксперименты прямого облучения).
Постановка эксперимента
Эксперименты по отработке методов исследования ударной сжимаемости различных веществ
проводились на установке «Луч» по схеме прямого облучения (рис.1), аналогичной применяемой на других
установках [7].
Лазерное излучение после преобразования в нелинейном кристалле во вторую гармонику с
помощью растровой и асферической линз фокусируется на мишень 3 в пятно размером ∼600 мкм. Основные
параметры лазерного импульса, подаваемого на мишень в экспериментах на установке «Луч»:
• Длина волны λ=0.53 мкм.
• Энергия Е=200÷800 Дж.
• Длительность импульса τ=1.6÷2.6 нс.
• Интенсивность излучения на поверхности мишени (0.5-2)1014Вт/см2.
Методика измерения скорости ударной волны.
1
2
3
4
5
13
12
10
10
6
7
8
9
11
Рис. 1. Схема проведения экспериментов по изучению уравнения состояния веществ на установках «Искра-5» и «Луч». 1
− лазерное излучение; 2 – бленда; 3 – мишень; 4 – объектив «Юпитер-13»; 5 − светофильтр СС-4; 6 − входное окно; 7 −
защитная пластина; 8 − вакуумное окно; 9 − камера взаимодействия; 10 – фотохронограф.
Изображение тыльной поверхности мишени на входной щели фотохронографа (10),
расположенного вне камеры взаимодействия (9), строится с помощью объектива «Юпитер-13» с фокусным
расстоянием f=125 мм и относительным отверстием d/f=1:1.5. Масштаб построения изображения М=5:1.
Размер регистрируемой области мишени составляет 1500 мкм.
Для подавления фонового сигнала от вводимой в камеру второй гармоники лазерного излучения на
мишени устанавливается бленда (2), загораживающая входной объектив от прямого лазерного пучка и его
бликов. Кроме того, на диагностическом отверстии мишенной камеры установлен светофильтр СС-4 (5).
Коэффициент пропускания светофильтра на λ=0.53 мкм составляет ∼10-6, свечение же ударной волны
(λ=0.35−0.48 мкм) ослабляется не более чем в 1.2 раза.
Изображение с выходного экрана считывается с помощью четырнадцатиразрядной CCD-камеры с
последующей передачей информации в компьютер.
Временное разрешение. Требования к погрешности временных измерений, диктуемые слабой
зависимостью скорости ударной волны от давления, составляют единицы процентов. При такой постановке
задачи крайне важным становится вопрос о калибровке скорости и нелинейности развертки
фотохронографа, которая проводилась как с с помощью генератора синусоидального сигнала частотой
867.3±0.5 МГц, так в серии модельных экспериментов, в которых субнаносекундный лазерный импульс
делился на две части. Обе части импульса с контролируемой задержкой ∼1 нс подавались на вход
фотохронографа. За счет изменения задержки запуска регистратора оба импульса оказывались в разных
частях развертки. Тем самым дополнительно контролировалась возможная нелинейность развертки.
Погрешность измерения скорости развертки и ее нелинейность в сумме не превышают 1%. Показано, что
фотохронограф позволяет измерять наносекундные интервалы времени между импульсами с погрешностью
не более ±10 пс.
Пространственное разрешение. Для его определения на месте мишени располагалось поле 25 миры ГОИ
№3 с пространственной частотой 50 пар штрихов/мм при коэффициенте контраста 0.4.
Чувствительность метода. Расчетные оценки и экспериментальные проверки чувствительности метода
показали, что минимальная регистрируемая температура составляет Тмин=0.8 эВ. Методика позволяет
регистрировать обрабатываемые сигналы при выходе ударной волны из алюминия при давлении за фронтом
≈1.5 Мбар. Верхний уровень регистрируемых температур ограничен динамическим диапазоном
фотохронографа и составил Тмах∼40 эВ.
Динамический диапазон регистрации. Для корректного определения интервала времени между
импульсами каждый из них должен быть зарегистрирован с динамическим диапазоном не менее 10. Это
условие, а также разброс получаемых в экспериментах температур на фронте ударной волны, разная
светимость материалов мишеней диктуют необходимость реализации динамического диапазона регистрации
≥100. Для этого используется электронно-оптический преобразователь с низкоомным фотокатодом [8].
Прямые измерения динамического диапазона регистрации, проведенные в реальной геометрии
эксперимента, показали, что эта величина составляет ∼200 при пространственном разрешении 50 пар
штрихов/мм и коэффициенте контраста ≥0.1.
Параметры формируемой ударной волны.
Для изучения ударной сжимаемости веществ по методу отражения необходимо обеспечить
однородность выходящей из базового слоя ударной волны и ее стационарность в слоях исследуемого
вещества и вещества-эталона. Для контроля этих параметров проведены специальные серии экспериментов.
а)
б)
Рисунок 2. Результат регистрации пятна обучения мишени (а) и пропись пятна в вертикальном направлении (б). Для
построения огибающей распределения (толстая кривая) применен фильтр, подавляющим пространственные частоты
сверх 30 мм-1.
Однородность формируемой в базовом слое ударной волны определяется качеством пятна
облучения. На установке «ЛУЧ» для обеспечения однородного качества пучка с контролируемым модовым
составом применяется растр френелевских линз. Общее количество линз растра – 144 при световой апертуре
детали 20х20см2. Растр выполнен в тороидальной конфигурации и формирует пятно облучения в виде
прямоугольника размером 600х300 мкм2 у которого большая сторона согласована с ориентацией 3-х
фрагментов мишени.
Выбор оптимального положения мишени осуществлялся за счет ее сдвига вдоль каустики пучка. На
рисунке 2 приводится распределение интенсивности пучка в области мишени, обусловленное прохождением
излучения через растр, на рисунке 3 - распределение энергии по пространственным частотам.
Серьезным ограничением применяемого растра является существование краевых максимумов
распределения, положение которых определяет моду (≈2/3 размера пучка) доминирующую в спектре
распределения интенсивности. Фактически однородной можно считать лишь центральную область пучка,
которая имеет размер 320х160 мкм2. Неоднородность огибающей в пределах данной области u≈6% по
пиковым значениям (≈3% интегрально по площади) с учетом сглаживания мод размером ≤30 мкм.
Для контроля однородности формируемой в базовом слое ударной волны проведена серия
экспериментов по облучению плоских алюминиевых фольг толщиной 20-100 мкм. Лазерная энергия
изменялась в диапазоне 200-800 Дж, длительность импульса – 1.8-3 нс. Результат регистрации динамики
свечения тыльной поверхности мишени в одном из таких экспериментов показан на рис. 4. Общий итог
проведенной серии заключается в следующем. Размеры однородной области пятна облучения и
распределения скорости ударной волны совпадают и составляют 320-350 мкм.
см-1
Рисунок 3 - Пространственный спектр распределения интенсивности пучка с применением растра. Расчетный
дифракционный пучок - пунктирная линия, экспериментальный пучок с расходимостью 10-4 радиан - сплошная.
Пространственные моды пятна облучения частотой ≥30 мм-1 на однородность скорости ударной волны не
влияют. Разброс моментов выхода фронта УВ в разных местах этой области в экспериментах лежит в
пределах 0-30 пс. При этом пространственное распределение этих моментов в разных опытах носит
случайный характер и изменяется от опыта к опыту. Поэтому в проведенных экспериментах именно
величина 30 пс принимается в качестве погрешности измерения задержки УВ в эталонном и исследуемом
слоях. Хотя погрешность собственно фотохронографической методики измерения задержек существенно
ниже (10пс) и неоднородность распределения средней скорости УВ в базовом слое невелика (не превышает
1% при толщине базы ≥50мкм).
х, μ m
600
400
200
0
2
1
t, ns
Рис. 4. Результат регистрации динамики свечения тыльной поверхности мишени в эксперименте по контролю
однородности УВ.
9,0
5,7
7,8
50
Рис.5 Результат регистрации в эксперименте по изучению стационарности УВ.
Стационарность ударной волны проверялась в экспериментах, в которых мишень представляла
собой базовый алюминиевый слой толщиной 50-100 мкм, на который был нанесен ряд ступенек из того же
материала шириной 40-70 мкм. Суммарная толщина ступенек превышала 20 мкм. Результат регистрации в
таком эксперименте показан на рис. 5, а полученная в результате обработки зависимость скорости от
суммарной толщины базового слоя и ступенек – на рис. 6. Видно, что в диапазоне толщин ступенек скорость
УВ в пределах погрешности измерения остается постоянной.
25
20
D, км/с
15
10
5
0
52
56
60
64
68
72
d Al, мкм
Рис. 6. Зависимость скорости УВ от суммарной толщины базового слоя и ступенек.
Рис. 7. – Расчетная зависимость скорости движения фронта УВ от расстояния от поверхности мишени при длительности
нагружающего импульса 1.8 нс. Интенсивности излучения: 1 – 0,5⋅1014 Вт/см2, 2 - 1014 Вт/см2, 3 – 1,5⋅1014 Вт/см2, 4 2⋅1014 Вт/см2.
Проведенные по программе СНДП [9] расчеты показывают (рис.7), для условий каждого
эксперимента существует диапазон толщины, на котором УВ практически стационарна. Размер этого
участка и его глубина растут вместе с интенсивностью лазерного излучения. После окончания действия
лазерного импульса начинается торможение УВ. Для всех зависимостей торможение происходит с
примерно одинаковым инкрементом: ∂D
∂d
≈ 4 ⋅ 10−2 нс-1. При работе с базовым слоем толщиной
≈100 мкм для получения на выходе стационарной УВ длительность лазерного импульса увеличивалась до
уровня 2.6 нс.
Результаты первых экспериментов.
Для тестирования создаваемой методики изучения ударной сжимаемости веществ проведена первая
серия экспериментов по исследованию УРС свинца. Сопоставление этих результатов с результатами,
полученными ранее традиционными методами [10], позволяет судить о правомерности разработанного
варианта методики на установке «ЛУЧ».
Основные параметры лазерного излучения:
• Длина волны λ=0.53 мкм.
• Энергия Е=200÷800 Дж.
• Длительность импульса τ=2.6 нс.
Мишень:
• Базовый слой: алюминий толщиной 50 или 100 мкм.
• Эталонная ступенька: алюминий толщиной 5.0-13.2 мкм.
• Исследуемый слой: свинец толщиной 4.0-6.6 мкм.
Пример результата регистрации в одном из экспериментов этой серии показан на рис. 8.
Зарегистрированные длительности фронтов импульсов свечения тыльной поверхности мишени в момент
выхода УВ составила от 40 до 100 пс. Задержка ударной волны в слоях в серии экспериментов
варьировалась в пределах 250-900 пс.
Лазерный
пучок
Al база, фольга 100 μm
образец из Al, 5.4 μm
образец из Pb, 6.4 μm
0
1
2
3
Al базы:
Форма импульса сигнала свечения мишени из
1
2
4
t,нс
3
Рис.8. Регистрация выхода УВ из различных фрагментов мишени. Цифрами обозначены сигналы свечения УВ из: 1базы, 2 – ступеньки из Al, 3 – ступеньки из Pb.
Полученная в серии экспериментов PU- диаграмма свинца представлена на рис 9. На ней также приведены
данные ИФВ РФЯЦ ВНИИЭФ [10], полученные в газодинамических экспериментах. Как видим, результаты
в пределах погрешности совпадают. Очевидно, что проведения полноценных исследований УРС
необходимо снижать погрешность измерения скорости УВ D, основными составляющими которой в
представленной серии экспериментов являются:
• Погрешность измерения толщины слоев: 2÷3%.
• Погрешность методики измерения временных интервалов: 3%.
• Погрешность определения задержки ударной волны в слоях, связанная с ее неоднородностью: ≤10%.
В итоге погрешность измерения скорости УВ δD изменялась в пределах 6-10%, а относительная
погрешность определения массовой скорости и давления соответственно – 15-30%.
80
Pb
Р, Мbar
60
40
20
0
0
5
10
15
20
25
U, км/s
Рис.9. Зависимость давления в свинце от массовой скорости за фронтом ударной волны.
- данные ИФВ РФЯЦ-ВНИИЭФ [10];
-результаты экспериментов на установке «ЛУЧ».
Заключение
На базе установки «Луч» создан лазерный стенд для проведения экспериментов по исследованию
уравнения состояния вещества при высоких давлениях. Разработана методика измерения скорости
распространения ударных волн в образцах с использованием высокоскоростного фотохронографа.
Проведена серия экспериментов по изучению ударной сжимаемости свинца. Максимальное достигнутое
давление за фронтом ударной волны в алюминии составило 18 Мбар, в свинце – 29 Мбар. Полученные на
лазерной установке «Луч» результаты совпадают в пределах погрешности с результатами, полученными
классическими методами. Тем самым показана возможность генерации мультимегабарных давлений для
исследования уравнений состояния веществ на мощных лазерных установках ВНИИЭФ. Приоритетными
направлениями работ в настоящее время являются повышение качества мишени и однородности излучения,
а также увеличение точности измерения временных характеристик УВ.
Список литературы
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
Campbell E.M., Holmes N.C., Libby S.B. et al.// Laser and Particle Beams. 1997. V. 15(4). P. 607.
Evans A.M., Freeman N.J., Graham P. et al.// Laser and Particle Beams. 1996. V. 14(2). P. 113.
Da Silva L.B., Celliers P., Collins C.W. et al.// Phys.Rev.Lett. 1997. V. 78(3). P. 483.
Galachov I.V., Garanin S.G., Eroshenko V.A. et al.// Fusion Engineering and Design. 1999. V. 44. P. 51.
Альтшуллер Л.В.// УФН. 1965. V. 85(2). P. 197.
Зельдович Я.Б., Райзер Ю.П. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений. М.:
Наука, 1966.
Lower Th., Sigel R. Eidmann K. et.al. //Phys. Rev. Let. 1994. V. 72. №20. Р. 3186.
Берковский А.Г., Гаванин В.А., Зайдель И.Н. Вакуумные фотоэлектронные приборы. М.: Радио и связь, 1988. С.
112.
С.А.Бельков, Г.В.Долголева. ВАНТ, серия: Математическое моделирование физических процессов, вып.1, 59 (1992).
Экспериментальные данные по ударно-волновому сжатию и адиабатическому расширению конденсированных
веществ. /Справочник под редакцией Р.Ф. Трунина. ISBN 5-85165-624-7. Саров: РФЯЦ-ВНИИЭФ, 2001.