多次冲击产生非理想氦等离子体状态方程及光谱研究

The equation of state (EOS) and transport properties for the plasma at high temperatures and high pressures have important applications in astrophysics, thermonuclear fusion, and new energy development. The parameters play an important role in the fusion’s test. Due to the lacking of accurate experiments in the pressure range of 50-100 GPa, multi-shock compression experiments for dense nonideal helium plasma will be carried out in our project, where the plasma is generated by shock reverberation technique. The EOS of helium in wider pressures range of 1-100 GPa and temperatures of 1-3 eV is expected to be obtained by combing a pyrometer (PMT), a Doppler pins system (DPS), an optical multichannel analyzer (OMA), and a streak camera. The time-resolved transience radiance spectrum will be measured to analyze the temperatures of helium plasma under multi-shock compression and ionization. So this project can provide the reference data for the partially ionized plasma model, enhance the understanding for the warm dense plasma properties and physical mechanism, and serve the designs of the shock-compression equipment and fusion experiments.

天体演化、热核聚变及新能源开发等领域均涉及高温高压等离子体状态方程和辐射输运性质，其高压物性参数对于聚变实验起着至关重要的作用。针对天体主要成分的氦在50–100GPa压力范围缺乏高精度的气炮实验数据，本项目拟采用多次反射冲击压缩技术以实现稠密非理想氦等离子体产生，通过多通道辐射高温计(PMT)、多普勒探针系统(DPS)、光学多通道分析仪(OMA)和条纹相机联合测试技术对其多次压缩状态进行诊断，预计获取1–100 GPa、1–3eV较宽压力温度范围氦的状态方程数据；探索时间分辨瞬态辐射光谱测量，初步实现氦等离子体的多次冲击温度诊断；为建立部分电离等离子体模型提供参考数据，深化高温稠密等离子体产生机理、特性及规律认识，为冲击压缩装置和聚变实验设计服务。

天体结构演化和约束聚变等过程均涉及到物质在极端条件下的热力学状态，在上述动力学过程所涉及的众多参数中，高温高压温稠密物质的物态方程起着至关重要作用。针对目前缺乏高精确高压段的实验数据，我们重点优化设计并改进了实验压缩靶装置，联合多种诊断技术首次实现温稠密氦多次冲击最高至10次压缩状态方程诊断，获取最高压力~150 GPa、密度~1.1 g/cm3实验状态参量，从而实现了从冲击绝热到准等熵的热力学加载过程，其实验结果验证了流体自洽变分模型在较宽密度范围适用性和可靠性，弥补了气炮实验与激光数据之间的空缺。针对单发实验多次压缩辐射光强幅度动态范围变化大的问题，通过对条纹相机触发时序、扫描时间、曝光光强等进行长时间探索和总结，有效解决了条纹相机触发时序及灰度预估问题，实验获得了完整的、信噪比好的多次压缩光谱辐射信号，从而为等离子体温度诊断提供重要信息。相关实验技术的发展为聚变能源材料如氢、氘以及氘氦混合等高压物性研究提供重要技术支撑。