DKDP晶体生长母液的脆性特征对激光损伤阈值的影响

High quality DKDP crystals perform a key role in the project of inertial confinement fusion. Investigation on the microstructure and fragility characteristics of DKDP aqueous solution will help to unserstand the behavior of crystal growth and improve the laser damage threshold. The project studies the structural characteristics and viscous behavior of DKDP aqueous solution with different levels of deuterium and heterogeneous doping by using a liquid X-ray diffraction, liquid viscometer and computer simulation technology. We investigate the inherent relationship of fragility, rheological properties, the evolution of the local structure, phase separation and their infuences on the microscopic physical properties of the crystal growth process. Further, the relatinship of heterogeneous doping with the structure of DKDP solution and evoltion of mirostructure during crystalliztion will be obtained by comparing several configuration informations as structure factor, pair distribution function, micro-inhomogeneous cluster and the correlation radius. And, by using multi-scale simulation methods, we can find the dominant cluster in the crystallization process, obtian the interoperable eolution mode of the heterogeneous particles and atomic clusters, and reveal the mechanism of influence of heterogeneous clusters on crystal growth and optical properties.

高质量DKDP晶体材料在惯性约束核聚变工程中发挥着关键作用。对DKDP生长母液微观结构及脆性特征的研究，将有助于理解晶体的生长行为，获得提高激光损伤阈值的途径。本项目利用液体X射线衍射仪，液态物性测量仪等实验手段与计算机模拟技术相结合，研究不同氘化程度，不同异质掺杂的DKDP母液结构特征和粘滞行为，探索过饱和母液脆性、流变特性、局域结构演变、相分离等一系列特征的内在联系、物理微观本质及其对晶体生长过程的影响。通过对不同温度下结构因子、双体分布函数、溶液微观不均匀结构和相关半径等结构信息的检测对比，掌握异质掺杂对DKDP母液结构的影响规律，获取异质粒子在母液结晶过程中与材料微结构形成之间的关联信息。利用多尺度模拟方法，找到过饱和母液在结晶过程中起主导作用的基本原子团，掌握异质粒子与原子团簇的协同性演化规律，揭示异质团簇对晶体生长及光学性能的影响机制。

高质量KDP晶体材料在惯性约束核聚变工程中发挥着关键作用。对KDP生长母液微观结构及脆性特征的研究，将有助于理解晶体的生长行为，获得提高激光损伤阈值的途径。本项目利用液体X射线衍射仪，液态物性测量仪等实验手段，研究了不同氘化程度，不同异质掺杂、溶液温度、离子强度及磁场强度下的KDP母液结构特征和粘滞行为，探索了过饱和母液脆性、流变特性、局域结构演变、相分离等一系列特征的内在联系、物理微观本质及其对晶体生长过程的影响。通过多尺度模拟方法，研究了KDP水溶液中的微观结构，并对在晶体生长过程中有着重要影响的水分子和杂质离子在晶体生长面的吸附行为做了详尽的探索和分析。通过对溶液的粘度与无机离子、EDTA、DCTA、草酸等异质掺加量以及溶液饱和温度之间的对应关系进行研究，发现掺杂无机离子时溶液粘度随掺杂量的增加先是无明显变化，后逐渐增高。掺杂EDTA 时溶液粘度显著增大。同时我们整合出了粘度、温度、离子强度关系的经验公式。通过研究KDP母液粘度随磁感应强度的变化规律，发现磁场对于溶液粘度的影响较大。总体上讲KDP饱和溶液的粘度会在磁场强度为300Gs，600Gs和1800Gs处呈现多极值现象，溶液结构受磁场调控作用最为显著。通过对KDP水溶液中的微观结构进行分子动力学研究，发现饱和溶液中存在磷酸二氢根的二聚体微观团簇，该团簇可作为溶液中晶体生长的基本单元，并能够较为稳定的存在于磷酸二氢钾过饱和水溶液中。溶质离子有不同程度的水化现象，K离子在2.8A左右处存在第一水化层，磷酸二氢根在4A左右处存在第一水化层。通过对KDP晶体表面的吸附的第一性原理计算研究，发现了水分子与KDP晶体生长表面存在两种不同相互作用方式，从理论的角度解释了KDP晶体不同表面生长速度不同的现象。通过对溶液中常见杂质离子在KDP晶体表面的吸附的理论研究，确定了离子价态和半径大小对吸附稳定性和成键机理的影响。三价金属离子可以与KDP （100）表面产生较强的相互作用，使表面结构发生明显变化。