碳?xì)浒袕?qiáng)激光燒蝕特性

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1、第9卷　第4期強(qiáng)激光與粒子束Vol.9,No.41997年11月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSNov.9,1997碳?xì)浒袕?qiáng)激光燒蝕特性馮　杰　李三偉　丁永坤　溫樹槐　何海恩丁耀南　成金秀　王大海　鄭志堅(jiān)(中物院核物理與化學(xué)研究所,成都525信箱,610003)　　摘　要　給出了準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)情況下強(qiáng)激光燒蝕碳?xì)浒械膶?shí)驗(yàn)結(jié)果,并與理論定標(biāo)關(guān)系進(jìn)行對(duì)比。實(shí)驗(yàn)中采用晶體譜儀時(shí)間積分和X射線條紋相機(jī)同時(shí)獲取碳?xì)淦矫姘袕?qiáng)激光燒穿厚度和燒穿時(shí)間。采用基頻光大能量注入,大焦斑(<400Lm

2、),光束經(jīng)列陣透鏡均勻化后,燒蝕碳?xì)淦?42?52面靶,Ia≈0155×10W?cm,晶體譜儀獲得的結(jié)果是m=2×10g?cm?s,X射線條紋相機(jī)獲得?5212的結(jié)果是m=1135×10g?cm?s,p=116×10Pa。并與收集到的國(guó)外數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較,在誤差范圍一致?！　￡P(guān)鍵詞　激光燒蝕　碳?xì)淦矫姘小〖す夂司圩儭　≡谥苯域?qū)動(dòng)研究中,低預(yù)熱和高均勻性激光驅(qū)動(dòng)的燒蝕過(guò)程是達(dá)到熱核燃燒所需的高壓縮度的一條合理途徑。激光對(duì)低Z材料的燒蝕,電子熱傳導(dǎo)在能量輸運(yùn)中起了主導(dǎo)作用。短波長(zhǎng)激光對(duì)能量的吸收轉(zhuǎn)換更為

3、有利,可以獲得更高的燒蝕速率和燒蝕壓。近年來(lái),間接驅(qū)動(dòng)黑腔靶中為了使DT小丸達(dá)到更理想的壓縮,黑腔內(nèi)增設(shè)CH阻光膜,使激光燒蝕CH材料的工作具有更積極意義。通過(guò)強(qiáng)激光對(duì)材料燒蝕規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究,還可以加深對(duì)激光和靶、激光和等離子體相互作用機(jī)制的認(rèn)識(shí),為腔靶物理的研究和激光驅(qū)動(dòng)內(nèi)爆動(dòng)力學(xué)的研究打下基礎(chǔ),也可以為建立正確的理論模型和校核參數(shù)提供部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)?！　“耸甏鷩?guó)外的幾家實(shí)驗(yàn)室做了不少激光燒蝕靶材的實(shí)驗(yàn)研究,釹玻璃激光器基頻光燒[1～7]蝕碳?xì)浒械臄?shù)據(jù)也有一些,但大多數(shù)是在小功率激光器上,通過(guò)縮

4、小焦斑來(lái)提高功率密度的辦法進(jìn)行燒蝕實(shí)驗(yàn),橫向傳熱損失可能比較嚴(yán)重。光束均勻化程度也未作說(shuō)明。我們本次實(shí)驗(yàn)采用大激光能量注入,大焦斑,光束采用列陣透鏡均勻化后燒蝕碳?xì)淦矫鎸影?采用時(shí)間積分晶體譜儀測(cè)定燒穿厚度的同時(shí),用X射線條紋相機(jī)測(cè)定了燒穿時(shí)間。1　理論描述　　臨界面附近的電子在吸收激光后向靶的內(nèi)部傳熱,受熱的介質(zhì)迅速向真空膨脹,這就是激光燒蝕過(guò)程。根據(jù)動(dòng)量守恒定律,這一過(guò)程在燒蝕波頭形成高壓,同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)向內(nèi)傳播的沖擊波。圖1是激光打靶條件下的溫度、密度、壓力和馬赫數(shù)(M=u?cT,cT為等溫聲

5、速)的空間分布示意圖。圖中,Xs,Xa和Xc分別為沖擊波、燒蝕面和臨界面的位置?！　∮捎诩す鉄g產(chǎn)生的等離子體是由大量帶電粒子組成的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng),粒子之間存在著庫(kù)侖相互作用,研究這種大量粒子構(gòu)成的系統(tǒng)的適宜方法是動(dòng)力學(xué)理論。動(dòng)力學(xué)理論相當(dāng)復(fù)雜,因此我們常常把等離子體近似地當(dāng)作導(dǎo)電流體用流體力學(xué)方法來(lái)研究。國(guó)家863慣性約束聚變領(lǐng)域資助項(xiàng)目。1997年7月4日收到原稿,1997年9月9日收到修改稿。馮杰,男,1941年2月出生,副研究員。?1995-2005TsinghuaTongfangOptica

6、lDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.548強(qiáng)激光與粒子束第9卷　　我們采用穩(wěn)態(tài)燒蝕理論。所謂穩(wěn)態(tài)燒蝕,燒蝕區(qū)是定態(tài),從燒蝕面燒出來(lái)多少物質(zhì),從臨界面就飛散多少,臨界面附近沉積的激光能量用于維持燒蝕物質(zhì)真空等溫膨脹(沖擊波帶走的能量約1%)。穩(wěn)態(tài)燒蝕有下述假設(shè):(1)激光能量的吸收發(fā)生在臨界面或其附近的區(qū)域,吸收的激光能量基本上用于加熱電子。(2)靶材的原子序數(shù)為中等以下介質(zhì)。(3)燒蝕區(qū),準(zhǔn)定態(tài)。(4)電暈區(qū),等溫近似。穩(wěn)態(tài)燒蝕的條件是Sm(Xc-Xa)?c,S為激光脈寬

7、,c為當(dāng)?shù)芈曀?。理論分析表明在目前“星光”和“神光”長(zhǎng)脈沖運(yùn)行打Fig.1SpacedistributionofQ,Te,P,Mfor靶的狀況下,上述假設(shè)基本上是成立的。分別在laser2plasmainteraction圖1　激光打靶條件下的物理量空間分布定態(tài)區(qū)和等溫區(qū)求解一維平面對(duì)稱流體力學(xué)方程組5Q5+(Qu)=05t5x552(Qu)+(Qu+p)=05t5x225u5up5I(QE+Q)+[Qu(+E+)+F]=5t25x2Q5x其中Q是密度;L是流體速度;p為單位面積上的壓力;E為單位

8、質(zhì)量的內(nèi)能(熱能和勢(shì)能);F142為能流;I為能源項(xiàng)。針對(duì)本次實(shí)驗(yàn)條件,激光波長(zhǎng)K=1.05Lm、Ia約10W?cm、臨界面馬赫數(shù)Mc=1,于是在Mc=1處,將定態(tài)區(qū)和等溫區(qū)的解連結(jié)起來(lái),得到下述定標(biāo)關(guān)系?1?3-4?3m=QccT≈IaK2?3-2?3pa=2pc～I(xiàn)aK?其中m是質(zhì)量燒蝕速率;pa是燒蝕壓;Ia是激光吸收功率密度,可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以驗(yàn)證這些定標(biāo)關(guān)系,為理論計(jì)算提供部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。2　實(shí)驗(yàn)原理和方法??2　　按質(zhì)量燒蝕率的定義m=Qd?S,m是單位面積質(zhì)