CN109945981A - 一种表征中z不透明材料中冲击波速度的测量靶及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种表征中Z不透明材料中冲击波速度的测量靶及方法，属于材料高压特性技术领域，所述测量靶位于驱动黑腔的诊断孔处，其包括烧蚀层、示踪层和样品层，所述烧蚀层面向诊断孔设置，所述示踪层采用透明材料制成，所述样品层为中Z不透明材料样品层，且样品层为台阶结构，所述样品层包括依次并排设置且厚度依次增加的第一样品层、第二样品层和第三样品层，相比于传统的楔形样品，本发明采用平面样品设计，易于加工且加工精度高，能够获得更高精度的测量，能够最大限度放宽对实验条件的要求，既保证了实验结果来源于同一个驱动源，排除了不同发次之间实验条件可能出现的不同，确保数据的一致性与可靠性，同时又节约了实验资源。

Description

一种表征中Z不透明材料中冲击波速度的测量靶及方法

技术领域

本发明属于材料高压特性技术领域，具体地说涉及一种表征中Z不透明材料中冲击波速度的测量靶及方法。

背景技术

实验室条件下，高功率激光被广泛用于材料高压特性实验研究。激光烧蚀样品并在样品中产生高速冲击波，冲击波压缩样品至高压强状态。与传统加载方式，如气炮等相比，激光能够实现样品更高压强区间的加载。

实验中通过测量冲击波速度等物理量，结合阻抗匹配方法定量诊断样品压缩状态。考虑到样品中产生的压强范围可直接与冲击波速度关联，而激光驱动冲击波的稳定性相比传统加载方式低，容易出现速度的波动与变化。实验上为了定量获得特定加载位置的冲击波速度和压强，需要对冲击波速度演化进行定量化评估。

对于不透明样品，目前国外主要通过楔形样品来测量和表征冲击波的速度稳定性和演化历史，即利用冲击波穿过不同厚度样品的时间来反映冲击波传输特点。这种技术一方面较依赖于楔形样品的加工制备精度和实验置靶角度，如果样品角度或者厚度有偏差，实验结果会产生较大的误差和不确定度；另一方面，这种靶设计难以直接应用于实验测量，需要首先利用一发次实验获取冲击波稳定性数据，再用另一发次获得材料压缩参数状态，两发次之间仍然存在实验条件和靶参数不一致等风险。

发明内容

针对现有技术的种种不足，现提出一种表征中Z不透明材料中冲击波速度的测量靶及方法，以解决目前冲击波速度稳定性表征时存在的不确定度大、无法和正式实验测量兼容等问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种表征中Z不透明材料中冲击波速度的测量靶，其位于驱动黑腔的诊断孔处，包括：

烧蚀层，其面向诊断孔设置；

位于烧蚀层上方的示踪层，其采用透明材料制成，所述示踪层通过化学气相沉积工艺直接生长在烧蚀层表面；

以及位于烧蚀层上方并与示踪层并排设置的样品层，其为中Z不透明材料样品层，所述样品层与烧蚀层通过热复合工艺连接，且样品层为台阶结构，所述样品层包括依次并排设置且厚度依次增加的第一样品层、第二样品层和第三样品层，且第一样品层与示踪层相邻设置。

优选的，所述测量靶的靶面中心与诊断孔的中心重合，所述样品层面向任意反射面速度干涉仪设置。

优选的，所述诊断孔沿驱动黑腔的腔轴方向的长度为a₀，其宽度为b₀，且a₀>b₀，所述烧蚀层的长度为a₁，其宽度为b₁，则a₁＝b₁＝a₀+200μm。

优选的，所述示踪层、第一样品层、第二样品层、第三样品层的长度与烧蚀层的长度相等，且示踪层、第一样品层、第二样品层、第三样品层的宽度分别为b₂、b₃、b₄、b₅，则b₂+b₃+b₄+b₅＝b₁，所述测量靶的宽厚比大于2。

优选的，所述任意反射面速度干涉仪默认冲击波的最小平整区域宽度为d，则b₃＝b₄＝d。

优选的，设定制靶公差为Δd，则d+|Δd|+100μm≤b₂≤d+200μm。

优选的，所述诊断孔长度a₀＝700μm，其宽度b₀＝400μm，则a₁＝b₁＝900μm，所述任意反射面速度干涉仪默认冲击波的最小平整区域宽度d为100～120μm，则100μm≤b₃≤120μm，100μm≤b₄≤120μm，所述制靶公差Δd为±50μm，则250μm≤b₂≤320μm，340μm≤b₅≤450μm，所述烧蚀层厚度为30μm，所述示踪层厚度为100μm，所述第一样品层、第二样品层和第三样品层的厚度分别为10μm、20μm和30μm。

优选的，所述驱动黑腔采用Au制成且呈上下开口的直筒结构，所述驱动黑腔的外围且距离其上下开口100μm处均设置有圆盘形的屏蔽片，所述屏蔽片采用Cu制成，且屏蔽片的表面涂有CH层。

优选的，所述示踪层为CH示踪层或Z切石英示踪层，所述烧蚀层为Al烧蚀层。

另，本发明还提供一种表征中Z不透明材料中冲击波速度的测量靶的使用方法，包括如下步骤：

S1：根据诊断孔的尺寸，设计烧蚀层、示踪层和样品层的宽度及厚度；

S2：利用任意反射面速度干涉仪获得冲击波在示踪层中的冲击波速度演化D_ch(t)、冲击波在样品层的突破时间t_zi，所述第一样品层、第二样品层和第三样品层的厚度记为H_zi，则冲击波在样品层的平均速度为其中，i＝1、2、3；

S3：相同时间下，冲击波在示踪层的平均速度为获得样品层在对应时间内的冲击波演化历史为其中，i＝1、2、3。

本发明的有益效果是：

1、相比于传统的楔形样品，本发明采用平面样品设计，易于加工且加工精度高，能够获得更高精度的测量，同时，由于是测量示踪层中的冲击波速度演化历史和样品层的突破时间，该方法对置靶角度的精度要求也相对较低，能够最大限度放宽对实验条件的要求。

2、利用同一发次在获得样品压缩状态的同时可以获得冲击波速度的稳定性测量，既保证了实验结果来源于同一个驱动源，排除了不同发次之间实验条件可能出现的不同，确保数据的一致性与可靠性，同时又节约了实验资源。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的俯视图；

图3是驱动黑腔的结构示意图；

图4是本发明与驱动黑腔的装配示意图；

图5是示踪层中的冲击波速度和样品层中的冲击波速度演化示意图；

图6为利用流体力学模拟实施例三中Al样品层中20km/s至25km/s速度变化示意图；

图7为利用流体力学模拟实施例四中Al样品层中25km/s至32km/s速度变化示意图；

图8为利用流体力学模拟实施例五中Al样品层中28km/s至36km/s速度变化示意图。

附图中：1-烧蚀层、2-示踪层、3-样品层、4-第一样品层、5-第二样品层、6-第三样品层、7-驱动黑腔、8-屏蔽片、9-诊断孔、10-激光注入口Ⅰ、11-激光注入口Ⅱ、12-测量靶。

具体实施方式

为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。此外，以下实施例中提到的方向用词，例如“上”“下”“左”“右”等仅是参考附图的方向，因此，使用的方向用词是用来说明而非限制本发明创造。

实施例一：

如图1至图4所示，一种表征中Z不透明材料中冲击波速度的测量靶，其位于驱动黑腔7的诊断孔9处，具体的，所述驱动黑腔7采用Au制成且呈上下开口的直筒结构，所述上下开口分别作为激光注入口Ⅰ10、激光注入口Ⅱ11，激光通过激光注入口Ⅰ10、激光注入口Ⅱ11进入驱动黑腔7内产生均匀高温的X射线辐射场。所述驱动黑腔7的外围且距离其上下开口100μm处均设置有圆盘形的屏蔽片8，用于遮挡杂散光，所述屏蔽片8采用Cu制成，且屏蔽片8的表面涂有CH层。所述诊断孔9位于驱动黑腔7的侧壁上，诊断孔9上放置测量靶12，同时，测量靶12的靶面中心与诊断孔9中心重合。

具体的，所述测量靶12包括烧蚀层1、示踪层2和样品层3。所述烧蚀层1面向诊断孔9设置，用于产生烧蚀压。所述示踪层2位于烧蚀层1上方，且示踪层2采用透明材料制成，示踪层2作为参考材料获得冲击波在透明材料中的速度演化历史。作为优选，所述示踪层2通过化学气相沉积工艺直接生长在烧蚀层1表面。所述样品层3位于烧蚀层1上方并与示踪层2并排设置，其为中Z不透明材料样品层，所述样品层3面向任意反射面速度干涉仪设置。作为优选，所述样品层3与烧蚀层1通过热复合工艺连接，以保证连接界面的干净性与样品纯度。所述样品层3为台阶结构，其包括依次并排设置且厚度依次增加的第一样品层4、第二样品层5和第三样品层6，且第一样品层4与示踪层2相邻设置。

考虑到边侧稀疏的传输与诊断孔9尺寸的限制，冲击波阵面的平整区域会随着时间缩小，也就是说，厚度越大，最终可用的平面区域越小，因此，发明人设计要求测量靶12的宽厚比大于2。同时，发明人考虑到稀疏波或冲击波的追赶问题，当某一区域存在稀疏波追赶时，一旦稀疏波追赶上加载的冲击波，就会导致加载压力非均匀。

鉴于上述影响因素，发明人对测量靶12的尺寸进行如下优选：

所述诊断孔9沿驱动黑腔7的腔轴方向的长度为a₀，其宽度为b₀，且a₀>b₀，所述烧蚀层1的长度为a₁，其宽度为b₁，则a₁＝b₁＝a₀+200μm，烧蚀层1的厚度设计保证不被X射线烧穿即可，同时，需考虑冲击波追赶比因素。所述示踪层2、第一样品层4、第二样品层5、第三样品层6的长度与烧蚀层1的长度相等，且示踪层2、第一样品层4、第二样品层5、第三样品层6的宽度分别为b₂、b₃、b₄、b₅，则b₂+b₃+b₄+b₅＝b₁。所述任意反射面速度干涉仪默认冲击波的最小平整区域宽度为d，则b₃＝b₄＝d。设定制靶公差为Δd，则d+|Δd|+100μm≤b₂≤d+200μm，而示踪层2在保证不变形的前提下可尽量增加厚度，以增加实验观测窗口。基于b₂、b₃、b₄以及b₁已知的条件下，即可得到b₅，按照宽厚比大于2的要求，即可得到样品层3(含烧蚀层1)的总厚度。

考虑到制靶工艺以及材料阻抗等方面的因素，示踪层2需选取透明材料，同时其阻抗要求与烧蚀层1材料尽量接近，从而减弱冲击波在界面处的反射。从制靶工艺的角度而言，烧蚀层1与示踪层2界面之间要求保持紧密连接，往往利用化学气相沉积或热复合等工艺处理二者界面。烧蚀层1往往采用Al或Cu等热复合工艺相对成熟且压缩特性研究较透彻的材料，本实施例中，所述烧蚀层1为Al烧蚀层，相对应的，所述示踪层2为CH示踪层或Z切石英示踪层。

一种表征中Z不透明材料中冲击波速度的测量靶的使用方法，包括如下步骤：

S1：根据诊断孔9的尺寸，设计烧蚀层1、示踪层2和样品层3的宽度及厚度；

S2：利用任意反射面速度干涉仪获得冲击波在示踪层2中的冲击波速度演化D_ch(t)、冲击波在样品层3的突破时间t_zi，所述第一样品层4、第二样品层5和第三样品层6的厚度记为H_zi，则冲击波在样品层3的平均速度为其中，i＝1、2、3；

S3：相同时间下，冲击波在示踪层2的平均速度为获得样品层3在对应时间内的冲击波演化历史为其中，i＝1、2、3。

实施例二：

本实施例与实施例一相同的部分不再赘述，不同的是：

驱动黑腔7长度为2400μm，内径为1200μm，腔壁厚度为35μm，激光注入口Ⅰ10、激光注入口Ⅱ11的直径为850μm。所述诊断孔9长度a₀＝700μm，其宽度b₀＝400μm，则a₁＝b₁＝900μm，所述任意反射面速度干涉仪默认冲击波的最小平整区域宽度d为100～120μm，则100μm≤b₃≤120μm，100μm≤b₄≤120μm，所述制靶公差Δd为±50μm，则250μm≤b₂≤320μm，340μm≤b₅≤450μm，沿水平方向往测量靶中心传播的边侧稀疏波会导致冲击波强度降低，同时产生冲击波阵面的弯曲，因此，相较于第一样品层4和第二样品层5，第三样品层6和示踪层2的宽度稍大一些。所述烧蚀层1厚度为30μm，所述示踪层2厚度为100μm(制靶工艺保证100μm)，所述第一样品层4、第二样品层5和第三样品层6的厚度分别为10μm、20μm和30μm。

入射激光波长为0.351μm，总输入能量为1600J，功率密度为1×10¹⁴W/cm²，脉冲宽度为1ns。入射激光为8束，以4束为一组分别从激光注入口Ⅰ10、激光注入口Ⅱ11入射。入射激光的光束中心方向与驱动黑腔7的腔轴方向夹角为45°，驱动黑腔7的辐射温度约为140eV。

实验中采用任意反射面速度干涉仪系统来测量冲击波在示踪层2中的冲击波速度演化，并结合冲击波在样品层3的突破时间和平均速度来获得样品层(中Z不透明材料样品层)中的冲击波演化历史。

图5给出了示踪层2中的冲击波速度和在样品层3中的冲击波速度演化，横轴表示时间，纵轴表示速度和厚度。其中，实线表示示踪层2中冲击波速度演化历史，虚线表示获得的样品层3中冲击波速度演化历史，点化线代表在此速度演化历史下，冲击波在样品层3传输的轨迹，三角形数据点为实验测量的样品层台阶厚度(即第一样品层4、第二样品层5和第三样品层6的厚度)，误差范围为实验不确定度(台阶厚度±1μm)。从图5可以看出，利用此测量靶获得的样品层中冲击波速度演化与实验测量的冲击波穿出不同台阶的时刻吻合度非常高，说明本发明能够很好地用于测量冲击波在中Z不透明材料样品层中的速度历史，且具有相当高的实验精度。

实施例三：

本实施例与实施例二相同的部分不再赘述，不同的是：

入射激光波长为0.351μm，总输入能量为800J，功率密度为5×10¹³W/cm²，驱动黑腔7的辐射温度约为120eV，样品层3为Al样品层，示踪层2为CH示踪层。

图6给出了利用流体力学模拟获得了本实施例中Al样品层中20km/s至25km/s速度变化，横轴表示时间，纵轴表示速度。其中，实心三角代表冲击波在CH示踪层中的速度历史；空心三角代表利用本发明测量的冲击波在Al样品层中的速度历史；空心圆代表模拟计算获得的Al样品层中冲击波速度历史；空心方块代表模拟结果与测量结果之间的相对偏差。从结果可以看出，利用本发明获得的Al样品层中冲击波速度历史与理论值符合较好，相对偏差小于2％，较高精度地表征不透明材料中的速度历史。

实施例四：

本实施例与实施例二相同的部分不再赘述，不同的是：样品层3为Al样品层，示踪层2为CH示踪层。

图7给出了利用流体力学模拟获得了本实施例中Al样品层中25km/s至32km/s速度变化，横轴表示时间，纵轴表示速度。其中，实心三角代表冲击波在CH示踪层中的速度历史；空心三角代表利用本发明测量的冲击波在Al样品层中的速度历史；空心圆代表模拟计算获得的Al样品层中冲击波速度历史；空心方块代表模拟结果与测量结果之间的相对偏差。从结果可以看出，利用本发明获得的Al样品层中冲击波速度历史与理论值符合较好，相对偏差小于2.5％，较高精度地表征不透明材料中的速度历史。

实施例五：

本实施例与实施例二相同的部分不再赘述，不同的是：

入射激光波长为0.351μm，总输入能量为2800J，功率密度为1.75×10¹⁴W/cm²，驱动黑腔7的辐射温度约为160eV，样品层3为Al样品层，示踪层2为CH示踪层。

图8给出了利用流体力学模拟获得了本实施例中Al样品层中28km/s至36km/s速度变化，横轴表示时间，纵轴表示速度。其中，实心三角代表冲击波在CH示踪层中的速度历史；空心三角代表利用本发明测量的冲击波在Al样品层中的速度历史；空心圆代表模拟计算获得的Al样品层中冲击波速度历史；空心方块代表模拟结果与测量结果之间的相对偏差。从结果可以看出，利用本发明获得的Al样品层中冲击波速度历史与理论值符合较好，相对偏差小于1％，较高精度地表征不透明材料中的速度历史。

以上已将本发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。

Claims (10)

1.一种表征中Z不透明材料中冲击波速度的测量靶，其位于驱动黑腔的诊断孔处，其特征在于，包括：

烧蚀层，其面向诊断孔设置；

位于烧蚀层上方的示踪层，其采用透明材料制成，所述示踪层通过化学气相沉积工艺直接生长在烧蚀层表面；

以及位于烧蚀层上方并与示踪层并排设置的样品层，其为中Z不透明材料样品层，所述样品层与烧蚀层通过热复合工艺连接，且样品层为台阶结构，所述样品层包括依次并排设置且厚度依次增加的第一样品层、第二样品层和第三样品层，且第一样品层与示踪层相邻设置。

2.根据权利要求1所述的测量靶，其特征在于，所述测量靶的靶面中心与诊断孔的中心重合，所述样品层面向任意反射面速度干涉仪设置。

3.根据权利要求2所述的测量靶，其特征在于，所述诊断孔沿驱动黑腔的腔轴方向的长度为a₀，其宽度为b₀，且a₀>b₀，所述烧蚀层的长度为a₁，其宽度为b₁，则a₁＝b₁＝a₀+200μm。

4.根据权利要求3所述的测量靶，其特征在于，所述示踪层、第一样品层、第二样品层、第三样品层的长度与烧蚀层的长度相等，且示踪层、第一样品层、第二样品层、第三样品层的宽度分别为b₂、b₃、b₄、b₅，则b₂+b₃+b₄+b₅＝b₁，所述测量靶的宽厚比大于2。

5.根据权利要求4所述的测量靶，其特征在于，所述任意反射面速度干涉仪默认冲击波的最小平整区域宽度为d，则b₃＝b₄＝d。

6.根据权利要求5所述的测量靶，其特征在于，设定制靶公差为Δd，则d+|Δd|+100μm≤b₂≤d+200μm。

7.根据权利要求6所述的测量靶，其特征在于，所述诊断孔长度a₀＝700μm，其宽度b₀＝400μm，则a₁＝b₁＝900μm，所述任意反射面速度干涉仪默认冲击波的最小平整区域宽度d为100～120μm，则100μm≤b₃≤120μm，100μm≤b₄≤120μm，所述制靶公差Δd为±50μm，则250μm≤b₂≤320μm，340μm≤b₅≤450μm，所述烧蚀层厚度为30μm，所述示踪层厚度为100μm，所述第一样品层、第二样品层和第三样品层的厚度分别为10μm、20μm和30μm。

8.根据权利要求2-7任一所述的测量靶，其特征在于，所述驱动黑腔采用Au制成且呈上下开口的直筒结构，所述驱动黑腔的外围且距离其上下开口100μm处均设置有圆盘形的屏蔽片，所述屏蔽片采用Cu制成，且屏蔽片的表面涂有CH层。

9.根据权利要求8所述的测量靶，其特征在于，所述示踪层为CH示踪层或Z切石英示踪层，所述烧蚀层为Al烧蚀层。

10.一种使用如权利要求9所述的表征中Z不透明材料中冲击波速度的测量靶的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：根据诊断孔的尺寸，设计烧蚀层、示踪层和样品层的宽度及厚度；

S2：利用任意反射面速度干涉仪获得冲击波在示踪层中的冲击波速度演化D_ch(t)、冲击波在样品层的突破时间t_zi，所述第一样品层、第二样品层和第三样品层的厚度记为H_zi，则冲击波在样品层的平均速度为其中，i＝1、2、3；

S3：相同时间下，冲击波在示踪层的平均速度为获得样品层在对应时间内的冲击波演化历史为其中，i＝1、2、3。