激光加载平台上基于X射线吸收谱扩展边精细结构（EXAFS）的原位测量技术研究

As one of the most important techniques to obtain the high temperature and high pressure condition in laboratory, laser driven experiment is characterized as the extremely short loading time (10-9s), which prevents the utilization of conventional methods to measure the state parameters during the loading process, thus it's necessary to develop the new measurement scheme which can precisely and immediately gather the state parameters. In this project application we plan to develop the in-suit measurement technique in laser driven platform based on Extended X-ray Absorption Fine Structure (EXAFS): in the theoretical aspect, we will develop the new EXAFS data fitting and analysis methods by employing the force field changeable molecular dynamics, and in experimental aspect, we will design a X-ray optical system to improve the present EXAFS measurement scheme. Over the efforts both in theory and experiment, we plan to overcome the limits of the present EXAFS measurement technique and establish the ability to precisely obtain the information of temperature, density as well as phase structure in laser driven experiments. This project application can be expected to enhance the researches in the matter state equation and dynamic process of material under extreme conditions.

激光加载是实验室获得高温高压极端环境的重要技术手段之一，但其极短的加载时间使得我们无法使用常规的方法测量材料在该过程中的状态参数，因此发展适应于激光加载平台特点、在短时间尺度内得到物质状态参数的原位测量方法，将是系统研究极端环境物质状态的前提和必要条件。本项目申请拟发展基于X射线吸收谱扩展边精细结构（Extended X-ray Absorption Fine Structure, EXAFS）对激光加载过程中材料状态参数的原位测量技术，我们将通过引入可变力场参数分子动力学模拟，发展新型的EXAFS谱数据拟合分析方法，同时设计X射线光学系统，改进现有的EXAFS测量实验方案，通过理论和实验两方面的改进，我们期望克服现有EXAFS测量技术的局限和不足，建立对激光加载过程中固态材料温度、密度及相结构原位精确测量的能力，这将对极端条件下物体方程和加载动力学的研究具有积极的推动和促进作用。

激光加载是实验室获得高温高压极端环境的重要技术手段之一，但其极短的加载时间是的我们无法使用常规手段测量材料在该过程的状态参数，因此发展适应于激光加载平台特点、在短时间尺度内得到物质状态参数的原位测量方法，将是系统研究极端环境物质状态的前提和必要条件。实验方面，本项目依托于神光三原型激光装置，通过背光源及靶结构优化、新型EXAFS晶体谱仪设计、荧光本底屏蔽改进等实验工作，建立了适应于激光加载短时间尺度（百皮秒量级）、极端压强温度（百GPa压强、千K温度）下的X射线吸收谱扩展边精细结构（Extended X-ray Absorption Fine Structure, EXAFS）测量技术，并基于此技术获取了钛和钒样品在准等熵加载过程200皮秒时间尺度内的EXAFS谱；理论方面，通过分析传统EXAFS解谱方法在求解温度参数时的不足和局限，通过引入非简谐振动图像下的晶格动力学模型、嵌入原子势和第一性原理计算方法、非简谐不变量展开的EXAFS拟合方法，建立了适应于千K温度下的新型EXAFS温度解算方法，该方法克服了传统EXAFS解算方法无法考虑原子热振动在高温区间的非简谐效应以及测量不确定度较大的不足；模拟技术方面，我们基于经典分子动力学和嵌入原子势方法，建立了对材料在冲击和等熵加载过程下的微观动力学过程的模拟能力。通过实验平台的搭建、理论模型的改进、模拟能力的建立，我们实现了通过EXAFS谱在百皮秒时间尺度内对材料在激光加载下的温度及微观结构等参数的原位测量能力。该项目研究成果有望对极端环境物质状态研究产生积极的推动和促进作用。