CN110057789A - 一种提升激光加载冲击波速度稳定性的结构靶 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种提升激光加载冲击波速度稳定性的结构靶，属于材料高压特性技术领域，包括烧蚀层、阻挡层和样品层，烧蚀层面向诊断孔设置，阻挡层位于烧蚀层上方，用于屏蔽高能光子与电子的预热，所述阻挡层包括间隔设置的Au膜层和间隔层，所述间隔层的材质与烧蚀层的材质相同，样品层位于阻挡层上方，且样品层与阻挡层之间设有基底层，本发明将Au膜层和间隔层间隔设置以形成阻挡层，冲击波在阻挡层中来回反射迅速平滑Au膜层带来的速度变化，既能达到实现稳定冲击波输出的目的，又能兼顾对预热屏蔽的要求，适用于包含激光直接驱动和黑腔间接驱动等多种激光加载方式，具有较宽广的适用性。
Description
技术领域
本发明属于材料高压特性技术领域，具体地说涉及一种提升激光加载冲击波速度稳定性的结构靶。
背景技术
在材料高压加载研究领域，激光加载冲击波实验平台是一种重要的加载方式，其优势在于能够依靠高功率激光装置在样品中产生极高的压强，从而拓展研究的参数区间。尤其是针对数百GPa压强范围区间，激光平台具有自身独特的加载优势。但另一方面，激光烧蚀样品过程中产生的高能X射线(硬X射线)和高能电子能够预先加热样品，这对于材料压缩状态的测量是不利的，因为高能光子和电子的能量沉积让材料的初始状态发生了变化，到达了一个未知的状态。因此，为了获取高质量可靠的实验数据，我们需要对激光平台上的高能光子和电子预热进行有效控制。
实验上往往通过在样品中加入高Z阻挡层实现，利用其对高能光子和电子吸收强的特点进行屏蔽。图1展示了现有的激光加载平台上使用的靶结构设计，靠近驱动源一侧为中低Z烧蚀层，中间有一层高Z屏蔽层，另一侧为待加载样品层。这样的设计能够有效降低预热影响，但同时引发了另一个问题，那就是冲击波稳定性变差，其主要原因是高Z阻挡层的阻抗往往与两侧材料具有较大差异，导致冲击波在传输进入阻挡层界面位置时强度会发生较大衰减，同时界面存在强反射及稀疏过程，进而导致冲击波在进入待加载样品层后会发生显著的追赶，破坏其传输稳定性。而冲击波稳定性对于物理研究至关重要，如在物态方程实验中，稳定的冲击波速度能够降低测量值的不确定度，从而提高物态方程实验数据的精度和可靠性。而在材料相变研究中，往往需要利用稳定冲击波在样品中产生一个均匀的初始状态，进而获得准确的相变状态和参数点位置信息。
基于上述具体需求，提升激光加载冲击波稳定性具有重要的意义。目前国外主要通过两个手段来试图提升加载冲击波的稳定性：一是调整驱动脉冲的波形及驱动源的强度演化，从而弥补冲击波在传输过程中的损耗和强度衰减，此技术的难点在于，首先需要实现对激光波形的精密控制，对于实验控制能力具有非常高的要求，其次激光实验的靶样品中高Z材料阻挡层会使冲击波传输行为变得难以预测，此时仅仅通过调整激光波形很难对冲击波稳定性起到优化和改进的作用。二是通过降低阻挡层厚度来实现，由于厚度的降低使得波系能够在其中通过来回反射迅速达到平衡，但这样又会增添预热屏蔽不足的风险。
发明内容
针对现有技术的种种不足，为了解决上述问题，现提出一种提升激光加载冲击波速度稳定性的结构靶，以提升激光加载冲击波速度稳定性，同时兼容结构靶中的预热屏蔽问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种提升激光加载冲击波速度稳定性的结构靶，包括：
烧蚀层，其面向诊断孔设置，其在激光作用下形成烧蚀压力；
位于烧蚀层上方的阻挡层，其用于屏蔽高能光子与电子的预热，所述阻挡层包括间隔设置的Au膜层和间隔层，所述间隔层的材质与烧蚀层的材质相同；
以及位于阻挡层上方的样品层，且样品层与阻挡层之间设有基底层。
进一步，所述结构靶的靶面中心与诊断孔的中心重合，且结构靶的宽厚比大于2。
进一步，所述阻挡层、样品层的长度与烧蚀层的长度相等，且阻挡层、样品层的宽度与烧蚀层的宽度相等。
进一步，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≥a0+200μm，b1≥b0+200μm。
进一步，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。
进一步，所述烧蚀层采用中低Z平面材料制成，所述中低Z平面材料包括但不限于CH、Al、Cu。
进一步，所述中低Z平面材料为Al时，烧蚀层厚度为35μm～60μm，所述中低Z平面材料为Cu时，烧蚀层厚度为25μm～40μm。
进一步，当驱动黑腔的辐射温度低于140eV时，Au膜层的总厚度为3μm，单层Au膜层的厚度为0.3μm，且Au膜层共为10层，间隔层的厚度为1μm。
进一步，设定驱动黑腔的辐射温度为140eV时，硬X射线份额为M1％，Au膜层吸收系数u1，Au膜层的总厚度为3μm，当驱动黑腔的辐射温度为T2，且T2＞140eV时，硬X射线份额为M2％，Au膜层吸收系数为u2，Au膜层的总厚度为t2，则
进一步，所述基底层的材料包括但不限于Al、Cu、石英、聚丙烯，且H＞D*t，其中，H表示基底层的厚度，D表示冲击波传输速度，t表示主激光作用时间。
本发明的有益效果是：
将Au膜层和间隔层间隔设置以形成阻挡层，冲击波在阻挡层中来回反射迅速平滑Au膜层带来的速度变化，既能达到实现稳定冲击波输出的目的，又能兼顾对预热屏蔽的要求，适用于包含激光直接驱动和黑腔间接驱动等多种激光加载方式，具有较宽广的适用性。
附图说明
图1是现有的激光加载平台上使用的靶结构示意图；
图2是本发明的整体结构示意图；
图3是阻挡层的结构示意图；
图4是驱动黑腔的结构示意图；
图5是实施例二中Al基底样品层中的冲击波速度历史演化示意图；
图6是实施例三中Al基底样品层中的冲击波速度历史演化示意图；
图7是实施例四中Al基底样品层中的冲击波速度历史演化示意图；
图8是实施例五中Cu基底样品层中的冲击波速度历史演化示意图。
附图中：1-烧蚀层、2-阻挡层、201-Au膜层、202-间隔层、3-样品层、4-驱动黑腔、5-激光注入口Ⅰ、6-激光注入口Ⅱ、7-屏蔽片、8-诊断孔；
其中，图5至图8中，横坐标表示时间，单位为ns，纵坐标表示冲击波速度，单位为km/s。
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2-图4所示，一种提升激光加载冲击波速度稳定性的结构靶，其位于驱动黑腔4的诊断孔8处，具体的，所述驱动黑腔4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Ⅰ5、激光注入口Ⅱ6，激光通过激光注入口Ⅰ5、激光注入口Ⅱ6进入驱动黑腔4内产生均匀高温的X射线辐射场，所述驱动黑腔4的外围且距离其上下开口100μm处均设置有圆盘形的屏蔽片7，用于遮挡杂散光，所述屏蔽片7采用Cu制成，且屏蔽片7的表面涂有CH层。所述诊断孔8位于驱动黑腔4的侧壁上，诊断孔8上放置结构靶，同时，结构靶的靶面中心与诊断孔8中心重合。
具体的，所述结构靶包括烧蚀层1、阻挡层2和样品层3。其中，烧蚀层1面向诊断孔8设置，其在激光作用下形成烧蚀压力。所述阻挡层2位于烧蚀层1上方，用于屏蔽高能光子与电子的预热，同时，所述阻挡层2包括间隔设置的Au膜层201和间隔层202，所述间隔层202的材质与烧蚀层1的材质相同，从而保证不同层间的阻抗一致，Au膜层201和间隔层202间隔设置能够使得冲击波在来回反射过程中迅速平滑高Z材料带来的冲击波速度变化，达到实现稳定冲击波输出的目的。所述样品层3位于阻挡层2上方，且样品层3与阻挡层2之间设有基底层。样品层3根据其具体研究对象可以有不同的几何结构，如用于物态方程相对测量的阻抗匹配结构、用于多冲击加载的三明治结构等，同样地，基于对Al、Cu等材料压缩特性的理解，样品层3不同的几何结构设计上往往均采用Al、Cu等材料作为基底。同时，石英(SiO2)与聚丙烯(PS)等透明材料同样是基底的候选，石英与聚丙烯的优点还在于其对可见光透明，可以用于观测完整的冲击波传输行为。也就是说，所述基底层的材料包括但不限于Al、Cu、石英、聚丙烯。
考虑到边侧稀疏的传输与诊断孔8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，发明人设计要求结构靶的宽厚比大于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，发明人结合流体力学程序对结构靶的尺寸进行如下优选：
烧蚀层1有效加载区域的横向尺寸(长度)决定了实验测量区域的大小，这主要由加载源的平面性决定，如激光束匀滑后焦斑尺寸或者驱动黑腔诊断孔开孔尺寸。所述诊断孔8沿驱动黑腔4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≥a0+200μm，b1≥b0+200μm，且a0一般为500μm至1000μm之间。所述阻挡层2、样品层3的长度与烧蚀层1的长度相等，且阻挡层2、样品层3的宽度与烧蚀层1的宽度相等。所述烧蚀层1采用中低Z平面材料制成，所述中低Z平面材料包括但不限于CH、Al、Cu。中低Z平面材料的共性在于能够在激光作用下形成较高烧蚀压力，同时实验上已经对中低Z平面材料高压下的物性有了比较充分的研究，能够准确高效地通过改变驱动源强度获得不同加载压力，用于定量的加载设计，从而实现不同的实验目的。所述中低Z平面材料为Al时，烧蚀层1厚度为35μm～60μm，所述中低Z平面材料为Cu时，烧蚀层1厚度为25μm～40μm。
Au膜层201的总厚度由其所需屏蔽的高能光子和电子的通量决定，而其通量可通过加载源强度来表征。根据实验测量结果，当驱动黑腔4的辐射温度低于140eV时，高能光子和电子可用3μm厚的Au膜层201有效屏蔽，同时，Au膜层201共为10层，每层Au膜层201厚度为0.3μm，间隔层202的厚度为1μm。设定驱动黑腔的辐射温度为140eV时，硬X射线份额为M1％，Au膜层吸收系数u1，Au膜层的总厚度为3μm，当驱动黑腔的辐射温度为T2，且T2＞140eV时，硬X射线份额为M2％，Au膜层吸收系数为u2，Au膜层的总厚度为t2，则
基底层厚度需要保证反射冲击波无法追赶上透射冲击波，也就是说，基底层厚度主要由冲击波传输速度与冲击波追赶比来决定，从而能够让冲击波进入阻挡层2之前能够充分加速。且H＞D*t，其中，H表示基底层的厚度，D表示冲击波传输速度，t表示主激光作用时间。
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：
为了创造均匀的辐射场环境，驱动黑腔4优化的长宽比为2:1，长度为2400μm，内径为1200μm，腔壁厚度为35μm，激光注入口Ⅰ5和激光注入口Ⅱ6的直径为850μm，诊断孔8沿腔轴方向长度为700μm，垂直腔轴方向宽度为400μm。结构靶为边长900μm的正方形，其结构为Al烧蚀层/Al-Au阻挡层/Al基底样品层(Al烧蚀层表示烧蚀层采用Al制成，Al-Au阻挡层表示间隔层采用Al制成，Al基底样品层表示基底层采用Al制成)，Al烧蚀层/Al-Au阻挡层厚度分别为40/(1+0.3)×10μm。计算中评估了进入Al基底样品层后的冲击波传输稳定性。
激光波长为0.351μm，总输入能量为800J，功率密度为5×1013W/cm2，脉冲宽度为1ns。激光为8束，以4束为一组分别从激光注入口Ⅰ5和激光注入口Ⅱ6入射。激光的光束中心方向与黑腔轴方向夹角45°，驱动黑腔的辐射温度约为120eV。
Al烧蚀层面向驱动源，其横向尺寸(长度)主要由驱动黑腔诊断孔所在的样品平台尺寸决定(900μm)，厚度为40μm。激光或者X射线通过烧蚀Al烧蚀层沉积能量，在其中产生高压冲击波。Al-Au阻挡层中每层的横向尺寸与Al烧蚀层保持一致。Au膜层共为10层，每层Au膜层厚度为0.3μm，间隔层的厚度为1μm。
采用流体力学模拟程序对本实施例进行定量评估，直接计算冲击波在Al基底样品层中的速度演化，图5给出了Al基底样品层中的冲击波速度历史。为了对比同时给出了传统Al烧蚀层/Au阻挡层/Al基底样品层靶设计中的冲击波速度历史，其中Al烧蚀层厚度为40μm，Au阻挡层厚度为3μm，Al基底样品层采用Al制成，图5同时给出了利用流体力学模拟获得了传统靶设计下Al基底样品层中速度变化。图中实线代表利用本实施例结构靶获得的冲击波速度历史；虚线代表传统靶结构获得的冲击波速度历史。从结果可以看出，当冲击波传入样品层后，传统靶结构下冲击波在Al基底样品层中存在明显的追赶现象，导致冲击波出现显著加速过程，降低了传输的稳定性，而利用本实施例结构靶获得的Al基底样品层中冲击波速度稳定性更好，相对偏差控制在3％左右，远低于传统靶型的13％。因此，利用本实施例结构靶可以获得Al基底样品层中更稳定的冲击波速度，说明本发明能够很好地用于提升冲击波的速度稳定性。
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1600J，功率密度为1×1014W/cm2，脉冲宽度为1ns，驱动黑腔的辐射温度约为140eV。
采用流体力学模拟程序对本实施例进行定量评估，直接计算冲击波在Al基底样品层中的速度演化，图6给出了Al基底样品层中的冲击波速度历史。为了对比同时给出了传统Al烧蚀层/Au阻挡层/Al基底样品层靶设计中的冲击波速度历史，其中Al烧蚀层厚度为40μm，Au阻挡层厚度为3μm，Al基底样品层采用Al制成，图6同时给出了利用流体力学模拟获得了传统靶设计下Al基底样品层中速度变化。图中实线代表利用本实施例结构靶获得的冲击波速度历史；虚线代表传统靶结构获得的冲击波速度历史。从结果可以看出，当冲击波传入样品层后，传统靶结构下冲击波存在明显的追赶现象，速度从初始的18km/s迅速上升到23km/s，随后缓慢下降，冲击波出现的显著加速过程降低了传输的稳定性，而利用本实施例结构靶获得的Al基底样品层中冲击波速度稳定性更好，其变化幅度远低于传统靶型。因此，利用本实施例结构靶可以获得Al基底样品层中更稳定的冲击波速度，说明本发明能够很好地用于提升冲击波的速度稳定性。
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：
结构靶为Cu烧蚀层/Cu-Au阻挡层/Al基底样品层，Cu烧蚀层/Cu-Au阻挡层度分别为25/(1+0.3)×10μm。计算中评估了进入Al基底样品层后的冲击波传输稳定性。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，驱动黑腔的辐射温度约为140eV。
采用流体力学模拟程序对本实施例进行定量评估，直接计算冲击波在Al基底样品层中的速度演化，图7给出了Al基底样品层中的冲击波速度历史。为了对比同时给出了传统，Cu烧蚀层/Au阻挡层/Al基底样品层靶设计中的冲击波速度历史，其中Cu烧蚀层厚度为25μm，Au阻挡层厚度为3μm，Al基底样品层采用Al制成，图7同时给出了利用流体力学模拟获得了传统靶设计下Al基底样品层中速度变化。图中实线代表利用本实施例结构靶获得的冲击波速度历史；虚线代表传统靶结构获得的冲击波速度历史。从结果可以看出，当冲击波传入Al基底样品层后，传统靶结构下冲击波存在明显的追赶现象，导致冲击波出现显著加速过程，降低了传输的稳定性，而利用本实施例的结构靶获得的Al基底样品层中冲击波速度稳定性更好，相对变化控制在5％左右，远低于传统靶型的40％。因此，利用本实施例结构靶可以获得Al基底样品层中更稳定的冲击波速度，说明本发明能够很好地用于提升冲击波的速度稳定性。
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：
结构靶为Cu烧蚀层/Cu-Au阻挡层/Cu基底样品层，也就是说，烧蚀层、间隔层及基底层均采用Cu制成，Cu烧蚀层/Cu-Au阻挡层厚度分别为25/(1+0.3)×10μm，间隔层的厚度为1μm，计算中评估了进入Cu基底样品层后的冲击波传输稳定性。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，驱动黑腔的辐射温度约为140eV。
采用流体力学模拟程序对本实施例进行定量评估，直接计算冲击波在Cu基底样品层中的速度演化，图8给出了Cu基底样品层中的冲击波速度历史。为了对比同时给出了传统Cu烧蚀层/Au阻挡层/Cu基底样品层靶设计中的冲击波速度历史，其中Cu烧蚀层厚度为25μm，Au阻挡层厚度为3μm，基底样品层采用Cu制成。图8同时给出了利用流体力学模拟获得了传统靶设计下Cu基底样品层中速度变化。图中实线代表利用本实施例结构靶获得的冲击波速度历史；虚线代表利用传统靶结构获得的冲击波速度历史。从结果可以看出，当冲击波传入样品层后，传统靶结构下冲击波在Cu基底样品层中存在明显的追赶现象，导致冲击波出现显著加速过程，降低了传输的稳定性，而利用本实施例的结构靶获得的Cu基底样品层中冲击波速度稳定性更好。因此，利用本实施例结构靶可以获得Cu基底样品层中更稳定的冲击波速度，说明本发明能够很好地用于提升冲击波的速度稳定性。
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)
1.一种提升激光加载冲击波速度稳定性的结构靶，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，其在激光作用下形成烧蚀压力；
位于烧蚀层上方的阻挡层，其用于屏蔽高能光子与电子的预热，所述阻挡层包括间隔设置的Au膜层和间隔层，所述间隔层的材质与烧蚀层的材质相同；
以及位于阻挡层上方的样品层，且样品层与阻挡层之间设有基底层。
2.根据权利要求1所述的结构靶，其特征在于，所述结构靶的靶面中心与诊断孔的中心重合，且结构靶的宽厚比大于2。
3.根据权利要求2所述的结构靶，其特征在于，所述阻挡层、样品层的长度与烧蚀层的长度相等，且阻挡层、样品层的宽度与烧蚀层的宽度相等。
4.根据权利要求3所述的结构靶，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≥a0+200μm，b1≥b0+200μm。
5.根据权利要求2-4任一所述的结构靶，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。
6.根据权利要求5所述的结构靶，其特征在于，所述烧蚀层采用中低Z平面材料制成，所述中低Z平面材料包括但不限于CH、Al、Cu。
7.根据权利要求6所述的结构靶，其特征在于，所述中低Z平面材料为Al时，烧蚀层厚度为35μm～60μm，所述中低Z平面材料为Cu时，烧蚀层厚度为25μm～40μm。
8.根据权利要求7所述的结构靶，其特征在于，当驱动黑腔的辐射温度低于140eV时，Au膜层的总厚度为3μm，单层Au膜层的厚度为0.3μm，且Au膜层共为10层，间隔层的厚度为1μm。
9.根据权利要求7所述的结构靶，其特征在于，设定驱动黑腔的辐射温度为140eV时，硬X射线份额为M1％，Au膜层吸收系数u1，Au膜层的总厚度为3μm，当驱动黑腔的辐射温度为T2，且T2>140eV时，硬X射线份额为M2％，Au膜层吸收系数为u2，Au膜层的总厚度为t2，则
10.根据权利要求5所述的结构靶，其特征在于，所述基底层的材料包括但不限于Al、Cu、石英、聚丙烯，且H>D*t，其中，H表示基底层的厚度，D表示冲击波传输速度，t表示主激光作用时间。
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