多重瞬发辐射环境下化学膜性能退化机理及损伤行为研究

The critical problem of the large area falling off for sol-gel coatings occurs under multiple transient radiations in the laser driven inertial confinement fusion facility and inherently limits the damage resistance of the facility. This project proposes, for the first time, to investigate the synergetic impact of multiple transient radiations and intensive laser beams on the microstructures and practical performance of sol-gel coatings. We focus on the scientific problems such as structural evolution, defect formation mechanism as well as defect interaction under both laser beam and radiation stimulation for the sol-gel coatings. The degradation of those sol-gel coatings under synergetic laser beams and multiple transient radiations will be investigated theoretically and experimentally. The density functional theory, molecular dynamics simulation, Monte-Carlo simulation, and absorption front model will be combined to conduct multi-scale simulation of the microstructural evolution and defect formation mechanisms of pure and doped SiO2 sol-gel coatings in the multiple transient radiation environments. Both transient and cumulative radiation will be comparatively investigated to unveil the inherent difference in defect formation and structural evolution. Furthermore, the influence of these radiation defects on the performance of sol-gel coatings under high power laser illumination will be investigated to establish suitable methods to evaluate the damage of sol-gel coatings induced by the multiple transient radiations. We will also establish theoretical prediction model and the radiation damage threshold to evaluate the performance degradation of sol-gel coatings. This work will provide the scientific foundation for the safe service of sol-gel coatings in the multiple radiations environment, and further provide key technical support for the research of fusion energy.

激光惯性约束聚变装置中溶胶-凝胶化学膜在多重瞬发辐射环境下出现了大面积脱落，直接降低了激光装置的负载能力。本项目针对此问题，拟首次开展多重瞬发辐射与强激光共同作用下化学膜的微观结构和宏观性能变化规律的研究。针对多重瞬发辐射环境下化学膜结构演变规律、缺陷产生机制、激光与辐射产生的缺陷相互作用机理等科学问题，开展化学膜在激光与多重瞬发辐射共同作用下结构和性能变化的理论与实验研究。综合运用密度泛函理论、分子动力学、蒙特卡罗等方法和吸收波前模型，从不同尺度模拟单组分和多组分SiO2化学膜在多重瞬发辐照环境下的微观结构演化、缺陷产生机制，揭示瞬发辐射通量与累积辐射通量对膜层缺陷形成和演化的差异。通过深入研究这些缺陷在高功率激光作用下对化学膜性能的影响规律与机理，获得多重瞬发辐射源对于化学膜的危害评价方法，以及化学膜性能退化的理论预测模型和辐射损伤阈值，为多重瞬发辐射环境下化学膜的安全使用提供依据。

本项目针对激光惯性约束聚变装置中溶胶-凝胶化学膜在多重瞬发辐射环境下出现的损伤、大面积脱落问题，从理论和实验角度系统地研究了多孔结构的SiO2化学膜在高功率激光以及高能中子、γ射线、质子和α粒子作用下，其微观结构和宏观性能的变化规律，具体针对多重瞬发辐射环境下化学膜的结构演变规律、缺陷产生机制、激光与辐射产生的缺陷相互作用机理物理问题，开展了化学膜在激光与多重瞬发辐射共同作用下结构和性能变化的理论与实验研究。理论上，综合运用了密度泛函理论、分子动力学、蒙特卡罗等方法和吸收波前模型，从不同尺度模拟了单组分和多组分SiO2化学膜在多重瞬发辐照环境下的微观结构演化、缺陷产生机制，揭示了瞬发辐射通量与累积辐射通量对膜层缺陷形成和演化的差异。实验上，通过研究化学膜对强激光、高能中子、质子、α粒子和γ射线的辐照响应行为，利用各种微观结构和光学、力学性能表征手段，获得了化学膜以及含有各类缺陷的化学膜的结构与性能演变/退化规律和物理机制。研究发现，中子辐照会导致化学膜微观结构改变，SiO2四面体的紧密堆积被破坏，导致力学性能下降，热导率随着辐照缺陷的增加而明显降低，此外，，中子辐照造成化学膜带隙缩减，折射率增加以及明显的三倍频吸收出现；与中子辐照相比，γ辐照带来的效应相对较弱。利用改进的吸收波前模型，研究了中子辐照和伽马辐照对于化学膜激光损伤的影响和规律，研究表明，瞬发中子辐照相对于累积辐照，可以造成化学膜更大的损伤范围，而且损伤范围与剂量呈正比例关系；累积中子辐照对于化学膜的损伤阈值影响更小，损伤尺寸也没有出现明显扩大。瞬发和累积γ辐照结果与中子辐照情况类似，随剂量增加，瞬发γ辐照导致化学膜的损伤阈值明显降低，温升更明显，但累积γ辐照并没有造成化学膜损伤阈值的明显降低。中子和γ共同辐照对于化学膜的三倍频损伤阈值的危害是十分明显的。从宏观表现来看，γ辐照、中子辐照、质子辐照和α粒子辐照均会导致薄膜致密化，光学、力学性能也会相应改变，辐照后，薄膜对水的接触角减小，表面自由能增加，从而降低了SiO2膜的抗污染能力，随辐照剂量增加，上述效应更加明显，最终导致化学膜的激光损伤阈值下降。通过上述理论和实验研究，获得了多重瞬发辐射源对于化学膜的危害评价方法和模型，获得了化学膜性能退化的理论预测模型和辐射损伤阈值，可为多重瞬发辐射环境下化学膜的安全使用提供依据。