冲击高压下钆镓石榴石单晶的光学吸收特性：相变过程的影响

发布时间：2020-03-22 11:18

【摘要】：在材料动态物性实验研究中,需要在样品后加贴透明窗口作为压砧,并维持一段时间的高温高压状态,以便能进行界面粒子速度和光辐射亮度等物理量的时间分别测量,从而获得被测样品物性变化引起的波结构演化信息。在这类实验中,窗口材料也将因受到冲击波压缩作用而发生弹塑性转变和冲击结构相变甚至冲击熔化,包括折射率和光学吸收率等光学性质都会发生变化。因此,窗口材料本身的动态性质研究在冲击波物理研究领域是一项十分基础的工作,有着极其重要的现实意义,因为它直接关系到实验信号的正确解读。钆镓石榴石(GGG)单晶初始密度为7.1 g/cm3,被认为是一种潜在的高阻抗窗口材料,吸引了许多科研人员的研究兴趣,开展了比较系统的研究。迄今为止,GGG的冲击弹-塑性转变及其弹性先驱波波幅随冲击应力的变化、Hugoniot状态方程、冲击相变、单波区的光学折射率、冲击发光冲击温升和冲击熔化以及高压电阻率变化都有相关实验工作和部分理论工作的报道。GGG的冲击相变起始压力为76GPa左右,在200 GPa附近发生冲击熔化。而静高压实验报道则认为,GGG在88 GPa附近发生了从立方石榴石相到钙钛矿立方相的结构相变。然而,GGG单晶在冲击高压下的光学透过率(冲击透明性)以及相变动力学过程对其有何影响尚未见文献报道。本文首先采用平板撞击法进行一维应变冲击加载,结合Doppler频移激光干涉位移测速系统(DPS系统)对样品的界面和自由面速度随时间变化的历史进行了测量,测量波长为1550 nm,压力范围覆盖6-201 GPa。由此分析得到GGG样品([111]晶向)在包含双波和三波结构区的折射率随冲击压力的变化关系。结果表明,在发生冲击相变的压力之前,GGG折射率变化不大;而高压相的折射率随压力变化的速率则明显增加;在相变压力处连续,并未发生突变。本文第二部分工作采用二级轻气炮动高压加载设备和多通道辐射高温计系统,结合高温靶设计产生的原位光源,对GGG样品的冲击发光和透射谱进行了同时测量,测量波长范围为400-800 nm,实验压力范围覆盖47-211 GPa。获得了GGG消光(吸收)系数α随波长和压力变化的定量关系。结果表明,不同波长的α系数整体随着冲击压力的增加而增加,出现透明-不透明转变,并在75 GPa处达到峰值;之后在75-100 GPa压力范围,α系数随压力的增加而下降,发生不透明-透明转变;然后在更高压力下再次出现快速增加。α系数下降的起始压力与相变压力一致,说明GGG冲击透明性恢复很可能与其相变动力学过程产生的微结构变化相关。非弹性冲击波压缩会导致晶体内部出现包括剪切带在内的各种缺陷分布,使其光学透明性发生变化;而发生冲击相变时,子相则首先在这类缺陷位置处成核和增长,并对缺陷形成消耗,最终导致缺陷浓度的减小。而GGG折射率在相变压力附近变化不明显,说明子相和母相的折射率是匹配的,因而新相的出现本身不会导致GGG透明性的变化。因此,新相生成导致的缺陷浓度降低是GGG冲击透明性恢复的根本原因。本文工作创新点包括:1.建立和发展了冲击发光和消光同时测量技术;2.测得了包括弹一塑性转变双波结构区和相变三波结构区的GGG单晶折射率n随冲击压力变化的定量关系,发现n在相变压力处是连续的;3.测得了GGG单晶消光(吸收)系数随波长和冲击压力变化的定量关系,发现GGG在相变压力附近出现透明性恢复,并给出了合理解释。
【图文】：

图１．２三种透明单晶窗口的动态扫描图像，（ａ）ＬｉＦ邋（ｂ）Ａｌ２0３邋（ｅ）ＬｉＴａ0３（取自文献［３４］）逡逑

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【学位授予单位】：中国工程物理研究院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O734

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本文编号：2594962