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动态热稠密物质物理的超快X射线激光散射研究

2015-09-18 00:20
潇纵
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  约 1Mbar 或者更强高压下的材料研究近期已经成为研究热点,这主要是由于其在行星产生,物质科学以及惯性约束聚变等领域具有重要的研究价值。冲击波压缩铝的研究具有重要意义,并已经成为冲击波实验的标准并广泛应用在状态方程和热稠密物质研究中。在室温下铝具有 3 个游离电子,可以提供一个理想电子流体。随着温度和压力增长,压缩并破坏离子晶格,但离子力仍存在,从而形成了一个偏离普通流体的模型。

  理论上主要采用密度函数结合多粒子分子动力学(DFT-MD)等发展为从头算工具探究该高压物理领域。到目前为止,这些模拟研究已经可以预测从实验中光学诊断观测冲击波和粒子速度等。由于结构性质的研究通常与多粒子如电子与离子,离子与离子相互作用物理相关,从而使该研究变得复杂,即使近期采用 X 射线吸收谱使得该领域获得部分进展。第四代光源上的前期实验采用 x 射线衍射并测量了从弹性态到塑性态的演化。但在 Mbar 压力下的研究,特别是对多种固体的熔融条件下,最近才在实验条件上获得进展。在线性相干光源 LCLS 装置上发展了 8keV 峰值亮度为 2.7×1034 光子数/s/mm²/mrad²,带宽为 0.1%,从而对前向散射的集体电子激发测量。极端材料探测装置(MEC)采用亚微米的聚焦斑可精确测量这些过程,这对分辨材料烧蚀过程(2微米),纳米须产生等离子体(5 微米),分辨聚合冲击波(10 微米)等研究至关重要。

  图 1. 实验示意图

  当前对瞬态高压位相下的结构因子测量发现了窄小的峰值,这反应了屏蔽效应与离子和离子间相互作用势的短程排斥力的复合效果。该结果有别与最近报道的结构因子。此外,本实验和计算采用 DFT-MD 等足够精确以直接测量微材料性质。实验设计如图 1 所示,其中记录了 X 射线散射数据,这些谱仪主要用来研究通过测量等离子体激元,角分辨散射和结构因子数据等提供密度和温度信息。两束 4.5J 的激光聚焦在表面镀有 2 微米聚合物的 50 微米厚度铝表面,两个 Mbar 量级的冲击波相向传输并进入固体铝内部。在 0.5ns 内,激光能量迅速上升至常数,强度为 35TW/cm²。激光工作波长为 527ns,空间上在 60 微米的焦斑内平滑化并驱动强冲击波。

  当冲击波在靶中心相遇时(激光驱动 1.8ns 后),靶密度达到 7g/cm3,对应峰值压强 5Mbar。8keV 的 50fs 的 LCLS-X 射线激光聚焦至 10 微米焦斑内,穿透稠密压缩铝材料通过 X 射线散射探测该实验过程。

  为分辨电子等离子体振荡,LCLS 工作在种子 X 射线模式下,线性加速器 Linac加速电子至能量约 13.6GeV,电量 150pC,经历其最初的 15 个调制器后,Linac 产生功率约为 1GW,接着电子则经过 4 米长的弯管而 x 射线由晶体 Bragg 反射带宽约为 0.5×10-4 的 X 射线谱。透射 X 射线谱则产生 5MW 拖尾单能种子脉冲,并经17个波荡器放大为总功率 10 到 15GW 的超高亮度 X 射线。

  图 2. 等离子体散射谱

  图 2 所示为等离子体散射谱,等离子体的共振频率可作为电子密度的表征参数。未压缩铝等离子体转移为 19eV,对应自由电子密度为 1.8×1023cm³,在冲击波碰撞

  阶段增长至 29eV,如图 3 中,探测的密度为 4.1×1023cm³,对应了 2.3 倍的压缩。在峰值压缩阶段,弹性散射强度相比于冷散射幅度增长了 2.8 倍,如图 2 中对应热温度为 T=20000K(1.75±0.5eV),即超快 X 射线沉积了 3500K(每个电子 0.3eV)于靶内部。部分能量用来加热电子流体,但同冲击波加热相比仍较小。

  图 3. 压力密度表

  在波数分辨散射数据中可判断高压离子与离子结构因子,初始时刻,由Debye–Scherrer 环可显示来自固体中离子晶格的峰值。位于 38° 和 45°,65°的峰值分别对应(111),(200),(220)等。当冲击波开始压缩压缩固体时,晶格间距 d开始下降,峰值开始偏向更大的衍射角,随着激光强度的增加,铝开始融化并过渡至热稠密物质态,首先在 1.38 倍压缩时在45°位置处观测到离子和离子关联峰,以及布拉格散射峰。随着更高强度压力,即更高激光聚焦,铝开始被压缩至 1.9 倍初态密度,关联峰偏移至 51°,当冲击波碰撞时,峰值进一步偏向 55°处,数据表明为 2.3 倍压缩。

  图 3 对比了实验压力数据与经验公式和状态方程模拟结果。本实验数据表明在高于 1.2Mbar 时,Bragg 散射峰开始消失,冲击波碰撞数据高于等温线,本实验中的发现表明谱和波数分辨 X 射线衍射可用于测试辐射流体力学和状态方程模型。本方法在动态压缩材料科学研究中提供了高分辨的数据,未来可用于对高压强下观测电离效应研究中。目前仅在 LCLS 上的种子激励 X 射线源可提供精确的数据用于微尺度的理论和模拟研究。

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