基于低相干干涉仪的低温下氢分子固体介电性质研究

In the fields of astrophysics, advanced energy system and laser inertial confinement fusion (ICF), the study on the dielectric properties of solid hydrogen is required for the analysis of interaction between it and the external electric field. As a basic physical quantity, the dielectric constant of solid hydrogen is mainly related to the crystal structure. Based on the low coherence interferometry (LCI),the refractive index of solid hydrogen at low temperature can be accurately measured in situ by the Fourier transform of spectral interferogram in real time. And the resulting dielectric constants at the temperature ranged from 5K to 13K can be obtained. Combined the measured experimental results with the established theoretical model of dielectric constant of solid hydrogen, the variation mechanism of the dielectric property of the solid hydrogen with temperature and the crystal structure can be studied. The.proposed measurement method is also suitable for the condition with extremely highpressure. This study is of great importance for the crystal growth, the structural control, the optical and electrical properties, the equation of state, and the metallization of solid hydrogen.

在天体物理学、先进能源系统、激光惯性约束聚变等领域，为了分析外电场与氢分子固体的相互作用关系，需要对氢分子固体的介电特性进行研究。氢分子固体的介电常数作为基本物理量，与其晶体结构密切相关。本项目基于低相干干涉仪，通过对干涉光谱信号进行傅里叶变换实现低温下氢分子固体折射率的原位、实时的精确测量，得到5K-13K温度范围内氢分子固体的介电常数。将实验数据与低温下氢分子固体介电常数的理论计算模型相结合，研究氢分子固体的介电性质随温度和晶体结构的变化规律。本项目提出的测量方法也适用高压等极端条件。本项目的研究对氢同位素固体的晶体生长、结构控制、光电性质、氢的金属化现象、状态方程等方面具有重要意义。

氢分子固体的介电常数作为基本物性，反映了外电场与氢分子的相互作用关系。本项目将基于光谱探测的低相干干涉仪和低温系统耦合，实现了不同温度下氢分子固体折射率的原位测量，得到了5K-13K不同温度下的氢分子固体折射率，结合低温下氢分子固体折射率的理论模型，研究了氢分子固体的介电性质随温度的变化规律。本项目的研究成果如下：.1) 搭建了基于光谱探测的低相干干涉仪，通过与低温制冷系统相耦合，采用氢分子气体液化再凝固的充气/冷冻方式，实现了氢分子固体的原位制备及表征。采用特殊设计的样品室可以同时得到不同温度下氢分子固体的光程和物理长度，通过计算折射率得到其介电常数。.2) 采用单层辉光放电聚合物(Glow Discharge Polymer, GDP)靶丸(外径862μm，壁厚60μm)作为样品，对搭建的低相干干涉仪的折射率测量性能进行了标定，与标准法(折射率液匹配法)测得到的值进行比对，折射率测量相对偏差小于3%，重复性优于1.5%；同时，通过III区型二位环形相位光瞳滤波器的光束整形技术，进一步提高了低相干干涉仪的轴向分辨率。.3）基于光谱探测的低相干干涉仪系统实现了5K-13K不同温度下氢分子固体折射率的原位在线测量。通过与理论计算值比较，在12K的测量相对误差约为0.6%，分析了介电常数测量不确定度来源及分量，得到了介电常数测量不确定度评价方法，测量不确定度约为3.86%。.4) 通过理论计算不同温度下HCP晶体结构的单晶氢分子固体的晶格常数a和c随温度的变化规律，然后根据相应的摩尔密度计算其折射率即介电常数随温度的变化情况，通过与测量值进行比较与分析，得到了氢分子固体介电常数随温度的变化规律。.本项目围绕低温下氢分子固体制备和原位折射率测量技术研究，共发表学术论文7篇，其中SCI论文5篇，EI论文2篇，参加学术会议2次。