文摘

在这项工作中,我们目前的实验结果对液态水在兆巴压力的行为。实验都使用了HIPER(高强度等离子体实验研究)激光设备,单轴辐照室的第十二盖柯(GXII)研究所的激光工程(ILE)和PHELIX GSI亥姆霍兹重离子研究中心(GSI),单梁大功率激光设备,推出平面冲击到固体多层水样本。水的状态方程的数据 得到的压力范围0.50 - -4.6 Mbar通过调优laser-drive参数。Hugoniot参数(压力、密度等)和冲击温度同时取决于使用VISAR和SOP作为诊断工具和石英作为阻抗失配的标准材料实验。最后,我们的实验结果与水动力模拟测试不同状态方程,显示良好的兼容列表芝麻表水。

1。介绍

物质的状态方程(EOS)在极端的热力学状态相关的几个物理学领域,尤其是在实验室天体物理学和惯性约束聚变(ICF),在EOS的精确知识是必需的。水是将丰富的太阳系外行星,以及最近发现的系外行星。特别是,它的主要成分之一披风等巨行星天王星、海王星和木星(1]。大型和非对称的观测磁场在这些行星(2- - - - - -4]表明,地幔的起源。因为发电机理论需要的导电材料,建议一个或所有的地幔的主要成分(氨、水和甲烷,也就是说。、碳(5,6])经历一个阶段过渡到导电状态。开创性的理论工作已经完成计算超离子导体的性质相水的行星条件(7- - - - - -9]。因此,水在非常高的压力一直得到广泛的研究在最近的作品(8,10- - - - - -14]。最近[15,16),水的超离子导体阶段检测实验在天王星和海王星等熵线约1.5 Mbar激光震惊水样预压到28千巴。新超离子导体阶段预计跨越1.5到6 Mbars的压力范围。

超离子导体水是一个坚实的系统,具有较高的离子电导率低于熔化温度。是否 在行星内部超离子导体或金属状态是非常重要的对于理解行星磁场的来源。

Laser-driven冲击压缩是一个有用的技术,产生很高的压力和温度条件类似于海王星和天王星的内在部分。然而,测量 同时是具有挑战性的,尤其是温度,这需要绝对强度测量是没有必要的压力和密度的测定。在这项工作中,我们进行了laser-driven冲击实验 样品4.6 Mbar;随着压力和密度,我们评估了温度测量反射率和热发射的震惊。

阻抗失配(IM)方法被广泛用于测定Hugoniot样品材料。考虑到“标准”的人知道Hugoniot材料作为参考,在兰金雨贡纽(RH) [17)方程组,表达了守恒定律,可以用来与实验测量了冲击速度(D年代)前的标准材料冲击到达标准样品界面在样例后,通过接口。在这项工作中,我们使用z减少 - - - - - -石英(SiO2)作为参考材料(18,19),在环境的压力,是对可见光透明,成为反射压力高于1 Mbar [20.]。作为诊断工具,我们使用速度干涉仪系统反射器(VISAR) [21- - - - - -25)允许我们使冲击波参数的精确测量和描述的EOS水。RH集提供的信息 和 ,但不是的T,而T也是一个重要的热力学参数。的确,在这个工作中,我们也使用有条纹的光学测量温度测温(SOP)诊断数据。

2。实验装置

2.1。GEKKO XII-ILE激光设备

第一个实验进行HIPER(高强度等离子体实验研究)激光设备,盖柯的单轴辐照室十二(GXII)激光研究所的激光工程(ILE)、大阪大学。12束掺钕的钇铝石榴石的Nd: YAG激光器,频率的三倍(351海里),被用于实验。激光脉冲时间剖面的时间大约是正方形与半宽度(2.5应用典型的上升和下降时间的ns 100 ps。焦斑直径是600年µm平顶。SSD(由光谱色散平滑技术)应用于消除光束。Kinoform阶段板块也用来实现均匀照射,导致好激震前沿平面化。

图1显示了实验设置和目标配置。一个典型的目标组成的大会10µm聚对二甲苯 将被称为CH / 200 nm盟/ 100µm石英((电子邮件保护)&532双方)名义上,∼500µ水/ 100µm石英((电子邮件保护)&532双方)。激光最初的0.1µ米厚铝层,涂布在CH层,避免激光发光。CH层是实际的烧蚀体,石英是推杆式层。200纳米金层被阻止任何从日冕等离子体x射线,避免水的预热。水细胞产生在达姆施塔特工业大学(德国)目标制造部门。由于低Z激光烧蚀体和低强度、x射线辐射光子能量较低,表现为低。非盟层能够停止x射线辐射;因此,水的预热是微不足道的。


图1
实验设置:多层目标设计的草图平面几何及其相关厚度用于我们的实验。驱动激光从上。从底部,VISAR和SOP测量冲击速度和震惊的自发射样本后端的。

主要诊断是VISAR和SOP。两个line-imaging干涉仪(VISARs)允许记录时间分辨的多普勒频移的速度快速反射镜反射率等光学特性(也21- - - - - -26]。这些VISARs不同velocity-per-fringe(结合)的敏感性来解决 - - - - - -阶段跳模棱两可由于冲击速度跳材料接口。两个VISARs的敏感性为7.523公里/秒,4.476公里/秒考虑SiO的折射率2。injection-seeded VISAR探头梁问了掺钕钇铝石榴石激光器。探针∼10纳秒脉冲持续时间的应用,及其波长为532 nm。VISAR的后处理实验获得的原始数据允许确定(27边缘的边缘位置到10%,而多个边缘变化允许冲击速度测量精度的几个百分点。我们的VISAR分析显示,测量的不确定性D年代订单的3%。

测量冲击温度,我们使用SOP (28- - - - - -30.]。震惊了样本的自发射波长450 nm 38海里带宽记录时空上解决,使用一个绝对校准SOP。

2.2。PHELIX-GSI激光设备

第二个实验是由GSI设施使用PHELIX激光,一个闪光灯泵浦钕玻璃激光器利用二次谐波在波长527纳米。空间配置文件是平的350点µ通过一个适当的相位板[m的半最大值宽度31日),时间剖面大礼帽的持续时间3.5 ns(应用)。激光被集中到一个多层目标强度我5.49×1012W /厘米22.52×1013W /厘米2。烧蚀压力大约是12 Mbar,生成和总在塑料烧蚀体(聚对二甲苯化学公式 ),从著名的缩放法律和估计32- - - - - -34针对给定的强度)。 在哪里一个和Z是原子质量数和原子序数的目标材料:我是在 , 在 ,和 在 。PHELIX实验的示意图如图设置2。目标也产生在达姆施塔特工业大学(德国)目标制造部门。


图2
实验设置:多层目标设计的草图在平面几何PHELIX激光设备及其相关厚度用于我们的实验。驱动激光从顶部。底部:VISAR和SOP诊断测量冲击速度和震惊的自发射目标后方一侧。

目标配置,并给出了实验装置图2。示例包括15µ米 (聚对二甲苯)/ 5µm环氧/ 10µm铝/ 7µ环氧树脂/ 100µm石英((电子邮件保护)&527双方)名义上,∼500µ水/ 100µm石英((电子邮件保护)&527双方)。激光最初的0.1µ米厚铝层,涂布在CH层,避免直接激光发光。使用环氧树脂胶CH /铝和铝/石英接口。CH层是实际的烧蚀层,石英是推杆式层。10µ米铝层被阻止任何从日冕等离子体x射线和避免石英/水的预热层。VISAR激光波长为660纳米,和相关的敏感性为1.285公里/秒/ f和4.7 km / s / f,分别。此外,SOP是震惊的看着自发射目标;然而,在这里,我们报告只有VISAR结果和比较发现水样本GEKKO十二激光设备。

3所示。阻抗失配方法:单电击数据

阻抗匹配的方法(5,17- - - - - -19,35)被用来估计休克状态在水中经过石英/水界面;一个说明性的方法显示在图3。因为在SiO阻抗失配2/小时2O接口,产生的冲击波传播冲击到H2O和一个反射稀疏波传播回石英。稀疏波,shock-compressed石英经历等熵释放直到其压力和粒子速度匹配的震惊。IM方法需要精确的知识Hugoniot和释放行为标准的参考资料(在我们的例子中石英)和兰金雨贡纽(RH)关系,来源于守恒定律,质量,动量,能量关闭系统和获得所有剩余的热力学参数: 表示密度、冲击速度、粒子速度,压力,和内部冲击背后的能量。初始状态标有下标0。第三个方程绘制的 飞机给所谓的瑞利线的材料。图3说明了这样一个方法,推导水和粒子速度的冲击压力。测量 给出了冲击状态 。石英的等熵释放标准的交叉与水样的瑞利线决定了休克状态 。


图3
阻抗失配过程的图形化建设的最高压力的石英标准。震惊的H2O是限制对此事保持瑞利线(蓝色虚线)定义 对于这种情况。固体红虚线是Hugoniot和瑞利线(SiO2),分别与释放曲线计算 。瑞利线的交叉与发布等熵线路径(蓝色方块)决定了我点并提供的实验价值 这可能会或可能不会躺在冲击极水,即。,米ay (or may not) be in agreement with the used theoretical EOS.

4所示。结果与讨论

图4介绍了原始数据获得的VISAR sid - 43058。的到达时间在非盟/ SiO震惊2接口正面定义了零的时间(t0= 0)。然后,激震前沿进入SiO2,它变得高度反光的,它的速度逐渐降低。它是在原始图像用虚线表示t0。在 ns,激震前沿罢工H2O层如图4。从图获得的速度剖面和反射率4如图5。传播的冲击在H2O也变得反光。SiO冲击速度2用于阻抗失配分析,通过分析VISAR图像首先通过使用冲击测时法,即。,平均在SiO冲击速度2是由 。然后,分析提炼通过观察边缘的位移变化和冲击速度的平均值从两个VISAR记录考虑的时间分辨率条纹相机,每个VISAR的敏感性。IM方法使用前冲击速度的瞬时值t1。


图4
实验获得的VISAR图像拍摄sid - 43058。

图5
:SiO冲击速度的进化时间2和H2从图中提取啊4:VISAR-1(黑色)和VISAR-2(黄色)。 :反射率与时间。这显示了一个增加冲击后进入SiO2在SiO层由于反射波2(约为t≈3 - 4 ns),第二个增加冲击通过SiO时出现2- h2O接口时t 1。冲击速度表中列出1(sid - 43058)。
表1
Hugoniot阻抗失配的数据方法 - - - - - -石英作为参考材料。的速度冲击石英 和水 在IM分析获得粒子速度 ,压力 ,和密度 在水Hugoniot。的压缩系数 计算除以 初始密度。水在两个不同的目标,研究了高功率激光设备。

来确定 ,我们可以仅仅依靠VISAR图像。实验结果与数值模拟利用MULTI-1D支持,这是一个一维辐射流体力学代码(36]。仿真表明,在目前的实验中, 衰变。我们观察一个衰减的情况 。详细的解释模拟将部分所示6。

Hugoniot点H2O要求人知道释放等熵线SiO (RI)2从其震惊的状态。本研究使用一个EOS模型来计算释放等熵线SiO每个休克状态2利用内部的Python脚本。IM方法提供了Hugoniot H的状态2O SiO的释放等熵线的轨迹2穿过瑞利线 的水。

这种方法显示在图3SiO Hugoniot和RI2(分别为黑色,红色虚线)。虚线表示SiO的瑞利行2和水(分别为红色和蓝色),以及他们Hugoniot有关。Hugoniot曲线来源于芝麻数据库(37)和QEOS (387385),列表数据7154石英和水。获得震惊的水与其他可用的作品和图所示6在 飞机,在图7在 飞机。


图6
水Hugoniot数据 飞机。方数据点:我们的实验。行对应于列表数据从芝麻(芝麻7150、7153和7154 )(37]。密度泛函theory-molecular动力学(DFT-MD)计算Hugoniot的水形成法国et al。9,39]。

图7
水Hugoniot数据 飞机。我们的数据显示良好的协议与芝麻模型可用于水。

5。温度测量

激震前沿发出热辐射,,在我们的实验中,收集了SOP (28,44]。激震前沿的绝对光谱辐射测量的波长450 nm带宽38海里。假设一个灰色的身体光谱,我(450海里)的光谱辐射是由普朗克黑体辐射率修正材料的吸收率 计算使用反射率R激震前沿的衡量VISARs因为吸收或反射的光。然后,

使用这个公式(温度决定 , ,和 普朗克常数,光速,和玻尔兹曼常数,分别)。一个 是一个参数考虑反射率,条纹的敏感性,几何和光学路径集合。

求解方程(5)对温度,我们得到

SOP原位校准已经使用石英标准(盖柯十二)[42,45]。对于温度估计,我们使用两个VISAR记录的平均反射率同时为每一个镜头。SOP温度估计的结果如图所示8我们报告两个镜头在不同激光能量与时间相关的温度剖面图(图8(一个))。

(一)
(一)
(b)
(b)
图8
(一)SOP结果 在1.1 kJ的激光能量,在我们的实验中,获得的最高能量枪和(b)温度估计考虑VISAR-1的平均反射率和VISAR-2。初始亮度(t 4 ns)是由于散射激光。

温度的结果是压力的函数实现水界面如图9结果一起Lyzenga et al。41),木村等。10],Guarguaglini et al。42)和基于芝麻Hugoniot列表曲线模型(芝麻7150、7153和7154 )从法国和从头开始Hugoniot et al。39]。


图9
主要Hugoniot数据 这一研究获得的飞机从盖柯XII-ILE激光设备,而Lyzenga et al。41),木村等。10),Guarguaglini et al。42],Batani et al。43]。也显示芝麻模式三种不同的EOS数据表在不同初始密度。

6。水力模拟

一维辐射流体力学进行了模拟与MULTI-1D [36理解我们的实验结果。激光脉冲的时间剖面平顶时间持续时间的高原和上升和下降时间2.5 ns的半最大值宽度0.1 ns。在仿真中,我们利用芝麻表下面的材料是由我们的目标芝麻表聚对二甲苯(777037表2700黄金[],芝麻377385),芝麻石英(37),和芝麻表7150年,7153年和7154年对水(37]。关于水EOS,我们比较不同模型的数据库来自芝麻EOS表(37从QEOS),38从feo说,46),在所有情况下设置初始密度 为了检查EOS的有效性数据。密度和压力图,再现了sid - 43058从一维模拟,获得数据所示10 ()和10 (b),分别。图10 (c)最大密度的变化显示位图10 ()在间隔时间,图10 (d)显示压力沿激震前沿的变化模拟的目标(图10 (b)),分别。使用一维模拟解释实验结果证实,因为适当的相位板的使用导致大焦斑(∼600µ米)。此外,一维近似的理由支持两个实验观察;这样的结果图中可以看到4良好的平面性的冲击是观察到的地方。原始数据从VISAR图像(见图4)表明,冲击突破在金属/ SiO相当平坦2在SiO2/小时2O接口。在这一点上,我们必须注意,2 d的影响将导致曲率,最初影响激震前沿的边缘,然而,逐步推进到中心。然而,在我们的实验结果,激震前沿的曲率不是观察表明流体动力学的2 d的影响可以忽略。在我们的例子中,冲击的速度是维护和衰减相当缓慢,实际上(误差),通过分析获得的衰变VISAR图像兼容一维模拟的结果。传播过程中减少冲击压力和速度是由两个现象:(a)释放波从目标正面迎头赶上旅游震惊和(b) 2 d激震前沿传播的影响。事实上,由于公平的协议与1 d进行了实验模拟,我们得出结论,(b)并不重要。事实上,更快的衰减冲击压力和速度预期的2 d影响是重要的。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
图10
激光驱动光束击中目标从顶部的箭头符号;组成层也显示正确的顺序(CH / Au / SiO2/水)。(a)水动力过程的密度地图获得MULTI-1D繁殖实验结果照片的sid - 43058与名义上的激光强度1.4 1013W /厘米2;对于这个特殊的镜头,3束/ 12用于主传动传递252 J在目标。使用上面的激光参数,模拟再现了SiO冲击突破时间2- h2O内部接口。(b)的压力变化映射相同的拍摄条件。(c)时间压力和密度的进化形式多模拟射击sid - 43058。(d)变化的压力激震前沿最大仿真时间。

7所示。结论

总之,我们获得了EOS的数据沿着主要的水Hugoniot 5 Mbar。水样,包含在一个多层水细胞,在平面几何动态压缩使用大功率激光设备盖柯十二(ILE)和PHELIX (GSI)。利用石英作为标准物质在实验活动和主要的诊断方法如VISAR / SOP大大减少实验误差的实验条件进行了优化。阻抗失配分析可以验证 , , ,和公平协议Hugoniot数据与预测的芝麻表7150年,恰恰相反,他们表现出显著差异有关Hugoniot曲线计算DFT-MD模拟。同时,我们的实验与模拟结果显示良好的协议与辐射水电代码MULTI-1D使用芝麻列表EOS, QEOS模型和feo说模型,QEOS的修改版本。确实赞同1 d模拟显示,在我们的实验装置,2 d流体动力学的影响可以忽略不计,因此,主要取决于激光焦斑的使用。几张照片,我们也可以测量温度震惊材料使用校准SOP诊断。我们的数据证实先前的实验结果表明,压力范围4.6 Mbar,水是反光的状态。

数据可用性

的数据支持本研究的发现可以从相应的作者在合理的请求。

信息披露

这项工作进行了框架内的EUROfusion财团。文中表达的观点和意见不一定反映欧洲委员会。我们的研究结果发表在英国的卫星会议47欧洲等离子物理会议上。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者要感谢激光技术团队的支持在第十二盖柯(ILE)和PHELIX (GSI)。这项工作收到了来自原子能共同体研究和培训项目的资金2014 - 2018和2019 - 2020(没有授予协议。633053)。相关团队运作的框架内ENR-IFE19使研究项目。CEA-01,研究直接驱动和冲击点火的机上娱乐系统:理论、模拟、实验诊断学的发展。JIHT RAS科技部支持的团队成员是俄罗斯联邦高等教育(国家分配。075-00460-21-00)。