冲击压缩产生氩等离子体状态方程与光谱的研究

在核聚变过程所涉及的许多参数中，高温高压等离子体状态方程和光谱参数决定聚变或惯性约束聚变实验的成败，起着至关重要的作用。本项目拟用二级轻气炮驱动飞片，通过高速撞击产生强冲击波，对数百倍常密度的稠密氩气进行冲击压缩，以产生高温稠密等离子体。再利用辐射高温计结合光学多通道光谱仪对其压力、温度等状态和瞬态光谱进行诊断，以获取压力在10-100GPa、温度在10000-25000K范围的状态方程和光谱数据。解决当下急迫且存在困难的温度压力在原子分子电离化学反应区的实际作用机制问题，为建立高温高压等离子体状态方程理论模型提供科学依据。.由于平面飞片撞击产生的冲击波具有平面性好的特点, 经冲击压缩产生的等离子体的密度压力温度比较均匀，且体积大。这些优点为等离子体诊断提供了更优越的条件。获得的全套数据和实验技术不仅为建立和发展单发次多信息量测试与诊断技术提供支撑，还可直接为惯性约束聚变设计服务。

本项目重点发展和建立了冲击压缩稠密气体氩产生非理想等离子体状态方程和瞬态光谱联合测试技术及相应物理模型，探索了瞬态多光谱辐射测温方法，建立了考虑压致和温致电离效应的部分电离等离子体状态方程计算模型。取得了如下的标志性成果(1)获得了多次冲击压缩产生氩等离子体1-158GPa宽区域状态方程数据，冲击终态压力测试范围得到大幅度拓展。针对一次以上冲击压缩状态难以直接从实验上确定问题，发展建立了多次反射冲击压缩靶装置和多信息量联合测试技术(此技术和装置：获国家发明专利：ZL201010580715.0)，开展了初始室温、初始压力1~40 MPa稠密气体氩的冲击Hugoniot状态方程及瞬态光谱实验测量共计15发。解决了国内外长期以来依赖理论模型确定一次以上压缩状态的难题。其成果发表在国际核心期刊J. Chem. Phys上。(2)建立基于实验数据验证的部分电离氩等离子体状态方程计算物理模型。模型特点是充分考虑了粒子间各种相互作用、压致和温致电离效应引起的电离能降低的自洽变分修正，并能够从数值计算过程中给出反应组分和电离度随密度温度的变化过程，计算结果能够再现国外液体氩以及我们自己的气体氩冲击波数据，理论与实验的一致性证明了模型的可靠性。其研究成果发表在Phys.Plasmas上。(3)建立兆帕压力范围高压气体密度及折射率测量技术，取得了10~60MPa室温气体Ar密度及折射率数据。优化设计兆帕压力范围气体密度及折射率测量装置，精确测量了室温条件下不同压力氩气的密度和不同波长下的折射率数据，并由实验数据构建了此温度下稠密氩气Virial状态方程，上述结果可以为冲击波实验数据处理提供重要参数。此技术获国家发明专利.(4)动态光谱实验测量取得初步结果和认识。实验测量了冲击压缩不同初始状态气体氩产生等离子体辐射光谱，获得了波前气体随冲击压力增加对冲击光辐射吸收的规律性认识。(5)建立了高精度的含温度密度效应的等离子体辐射不透明度理论模型。结合含温有界Hyper-Dirac-Fock自洽场原子结构理论和DTA技术，实现了不同温度密度下稀有气体氩和氙的不透明度吸收谱的细致计算，获得结果与实验具有较好的一致性。(6)基于流体力学程序对多层靶多波系作用进行数值模拟。合理优化设计多层介质靶装置，确保追赶和边侧稀疏波不会对多次压缩状态诊断造成影响.