温稠密金流体的金属-非金属转变理论模拟与实验研究
发布时间：2022-01-24 08:19
温稠密物质广泛存在于行星内核及惯性约束聚变的内爆路径中,温稠密物质的物性参数对于理解行星内部磁场的产生以及惯性约束聚变的靶设计具有重要的意义。温稠密物质中的金属-非金属转变是极端条件下材料物性研究中的重要科学问题,而直流电导率是判断温稠密物质中金属-非金属转变是否发生的最直接依据。当前对于温稠密物质中的直流电导率往往是通过测量光学反射率结合Drude模型获得,但在金属-非金属过渡区由于传导电子的局域化,Drude模型不再适用,通过Drude模型获得直流电导率的方法失效。金属-非金属转变还可通过光学反射率进行判断,通过光学反射率的变化特征结合电导率的理论计算判断金属-非金属转变的发生。本论文从理论和实验两个方面对温稠密金流体在膨胀过程中的金属-非金属转变过程进行了研究,利用基于第一性原理的分子动力学对温稠密物质物性参数进行了计算,在实验上分别基于黑腔内的硬X射线和基于短脉冲质子束的加热产生了温稠密金流体,利用VISAR分别获得了时间分辨的膨胀速度和反射率,结合一维辐射流体模拟和第一性原理的计算分别计算了膨胀路径上的直流电导率和光学反射率,并与实验结果进行了比较。具体的研究内容包括以下几个...
【文章来源】：中国工程物理研究院北京市
【文章页数】：113 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．?２?ＩＣＦ内爆路径与温稠密物质的关系１５１??温稠密物质的物性参数（如状态方程、热导率）对于惯性约束聚变（ＩＣＦ）内爆过??
ＭｇＳｉ０３?ｓ．??ｍ°??—??Ｏ＾Ａ?ＢＪ／ＵｐＯ?Ｃ＊ａ｝－ｒｙｐＪ??一＼?？？〇?…／??Ｐｏｓｔ＾ｔｘｊｖｓｋＭｔ?ｉｐＰｖ）?／?Ｃｆ．??＼?＾?Ｚ５００＾??＼?Ｂ２ＭｆｆＯ?／??Ｅａｒｔｈ?＼?ｃｏｔｕｏｎ＾／??＼?工??ＬｋｊｏｋＪ?Ｏｕｔｅｒ?Ｃｏｒｅ?＼?ａｑｕｘｉ??Ｓｏｌｉｄ?Ｉｎｎｅｒ?Ｃｏｒｅ???—．??图１．３地球和超级地球的内部结构及组分ｌ２°］??在行星内部压强可达几百ＧＰａ，温度在几千至上万Ｋ，此时的物质处于典型的温稠??密状态。地球的地核主要是由处于高压状态下的铁和镍组成，而地幔的主要成分是硅酸??盐，在温稠密状态下这些材料的状态方程对于理解地球内部的物理模型具有重要的价值??１１９＿２（）］。氢和氦是土星和木星的主要组成元素，为了准确地描述他们的理论模型，需要知??道氢和氦的状态方程、电导率等性质。一个长期存在的问题是目前观测到的土星发光亮??度比已有的理论模型高出５０％，一种可能的解释是氢的金属化为氢、氦相分离提供了额??外的能量来源｜２１１。氢和氦在温稠密区准确的状态方程和电导率是建立新的理论模型来描??述土星发光问题的关键。此外，迄今为止发现的１５０多颗系外行星的组成元素与太阳系??中的木星非常相似，它们的许多结构和性质都由氢和氦在温稠密条件下的物理性质决定??的ＩＭ。例如，氢的状态方程对木星的质量和体积起决定性作用，氢的金属化决定了木星??的磁场的强度，木星内部的分层与氢在温稠密条件下的等离子体相变密切相关。??综上所述，材料在温稠密区的物理性质对于ＩＣＦ、行星科学具有非常重要的科学意??义和研究价值，温稠密物质处于
动态压缩、动静结合的复合加载、等容加热等方式［４］。??１．１．１静态压缩??＇?＂ｍ．??■％．?Ｄｉａｍｏｎｄ?ａｎｖｉｌｓ?￡－?＇：?？??暫?１７＾??Ｍｅｔａｌ?，’??ｇａｓｋｅｔ??ＢｏｃＮｅｒ－ｔｙｐｃ?ｃｅｌｌ??錢―??图１．４典型的金刚石压砧结构及类型［４］??由于金刚石的高硬度、高导热性和透明性，在加压的过程中对样品便于诊断，金??刚石压砧技术是目前应用最广泛的的静态压缩方法，它已经成为在实验室研究材料??在极端压力条件下结构和性能的一种重要手段。金刚石压砧设备最早出现在上世纪??５０年代，经过不断的改进主要有Ｍａｏ－Ｂｅｌｌ型、Ｂｏｅｈｌｅｒ－Ａｌｍａｘ型及Ｏｘｆｏｒｄ型等多种??不同的类型以满足不同的研宄目标［２３］。金刚石砧的工作原理是同时上下挤压金刚石??砧，对夹在中间的金属垫片施加压力，减小砧面面积，可在试样腔中产生高压。该??技术可以在加压过程中基本不增加样品的温度，可以创造出低温高压的极端条件。??而如果采用电阻加热或激光加热的方式与金刚石压砧技术结合可以使实验温度很容??易达到３０００Ｋ以上ｐ４］。２０１７年哈佛大学的研究小组报道通过金刚石压砧技术在低温??下将压力提高到４９５ＧＰａ，他们宣称在实验上观察到固态的金属氢［２５］。??１．１．２动态压缩??动态压缩是利用冲击波或斜波对样品进行压缩以产生高压的条件，与静态压缩相??比，动态压缩不仅可以给样品加压，而且可以使样品的温度升高，最终达到温稠密??状态。目前，实验上动态加载的主要方法有轻气炮加载、激光加载、Ｚ机器加载等，??４??
【参考文献】：
期刊论文
[1]Towards the Same Line of Liquid–Liquid Phase Transition of Dense Hydrogen from Various Theoretical Predictions[J]. 卢彬彬,康冬冬,王丹,高天雨,戴佳钰. Chinese Physics Letters. 2019(10)
[2]Experimental methods for warm dense matter research[J]. Katerina Falk. High Power Laser Science and Engineering. 2018(04)
[3]静-动加载相结合的材料状态方程实验平台的研制[J]. 舒桦,涂昱淳,王寯越,贾果,叶君建,邓文,束海云,杨艳平,杜雪艳,谢志勇,贺芝宇,方智恒,华能,黄秀光,裴文兵,傅思祖. 物理学报. 2018(06)
本文编号：3606225
【文章来源】：中国工程物理研究院北京市
【文章页数】：113 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．?２?ＩＣＦ内爆路径与温稠密物质的关系１５１??温稠密物质的物性参数（如状态方程、热导率）对于惯性约束聚变（ＩＣＦ）内爆过??
ＭｇＳｉ０３?ｓ．??ｍ°??—??Ｏ＾Ａ?ＢＪ／ＵｐＯ?Ｃ＊ａ｝－ｒｙｐＪ??一＼?？？〇?…／??Ｐｏｓｔ＾ｔｘｊｖｓｋＭｔ?ｉｐＰｖ）?／?Ｃｆ．??＼?＾?Ｚ５００＾??＼?Ｂ２ＭｆｆＯ?／??Ｅａｒｔｈ?＼?ｃｏｔｕｏｎ＾／??＼?工??ＬｋｊｏｋＪ?Ｏｕｔｅｒ?Ｃｏｒｅ?＼?ａｑｕｘｉ??Ｓｏｌｉｄ?Ｉｎｎｅｒ?Ｃｏｒｅ???—．??图１．３地球和超级地球的内部结构及组分ｌ２°］??在行星内部压强可达几百ＧＰａ，温度在几千至上万Ｋ，此时的物质处于典型的温稠??密状态。地球的地核主要是由处于高压状态下的铁和镍组成，而地幔的主要成分是硅酸??盐，在温稠密状态下这些材料的状态方程对于理解地球内部的物理模型具有重要的价值??１１９＿２（）］。氢和氦是土星和木星的主要组成元素，为了准确地描述他们的理论模型，需要知??道氢和氦的状态方程、电导率等性质。一个长期存在的问题是目前观测到的土星发光亮??度比已有的理论模型高出５０％，一种可能的解释是氢的金属化为氢、氦相分离提供了额??外的能量来源｜２１１。氢和氦在温稠密区准确的状态方程和电导率是建立新的理论模型来描??述土星发光问题的关键。此外，迄今为止发现的１５０多颗系外行星的组成元素与太阳系??中的木星非常相似，它们的许多结构和性质都由氢和氦在温稠密条件下的物理性质决定??的ＩＭ。例如，氢的状态方程对木星的质量和体积起决定性作用，氢的金属化决定了木星??的磁场的强度，木星内部的分层与氢在温稠密条件下的等离子体相变密切相关。??综上所述，材料在温稠密区的物理性质对于ＩＣＦ、行星科学具有非常重要的科学意??义和研究价值，温稠密物质处于
动态压缩、动静结合的复合加载、等容加热等方式［４］。??１．１．１静态压缩??＇?＂ｍ．??■％．?Ｄｉａｍｏｎｄ?ａｎｖｉｌｓ?￡－?＇：?？??暫?１７＾??Ｍｅｔａｌ?，’??ｇａｓｋｅｔ??ＢｏｃＮｅｒ－ｔｙｐｃ?ｃｅｌｌ??錢―??图１．４典型的金刚石压砧结构及类型［４］??由于金刚石的高硬度、高导热性和透明性，在加压的过程中对样品便于诊断，金??刚石压砧技术是目前应用最广泛的的静态压缩方法，它已经成为在实验室研究材料??在极端压力条件下结构和性能的一种重要手段。金刚石压砧设备最早出现在上世纪??５０年代，经过不断的改进主要有Ｍａｏ－Ｂｅｌｌ型、Ｂｏｅｈｌｅｒ－Ａｌｍａｘ型及Ｏｘｆｏｒｄ型等多种??不同的类型以满足不同的研宄目标［２３］。金刚石砧的工作原理是同时上下挤压金刚石??砧，对夹在中间的金属垫片施加压力，减小砧面面积，可在试样腔中产生高压。该??技术可以在加压过程中基本不增加样品的温度，可以创造出低温高压的极端条件。??而如果采用电阻加热或激光加热的方式与金刚石压砧技术结合可以使实验温度很容??易达到３０００Ｋ以上ｐ４］。２０１７年哈佛大学的研究小组报道通过金刚石压砧技术在低温??下将压力提高到４９５ＧＰａ，他们宣称在实验上观察到固态的金属氢［２５］。??１．１．２动态压缩??动态压缩是利用冲击波或斜波对样品进行压缩以产生高压的条件，与静态压缩相??比，动态压缩不仅可以给样品加压，而且可以使样品的温度升高，最终达到温稠密??状态。目前，实验上动态加载的主要方法有轻气炮加载、激光加载、Ｚ机器加载等，??４??
【参考文献】：
期刊论文
[1]Towards the Same Line of Liquid–Liquid Phase Transition of Dense Hydrogen from Various Theoretical Predictions[J]. 卢彬彬,康冬冬,王丹,高天雨,戴佳钰. Chinese Physics Letters. 2019(10)
[2]Experimental methods for warm dense matter research[J]. Katerina Falk. High Power Laser Science and Engineering. 2018(04)
[3]静-动加载相结合的材料状态方程实验平台的研制[J]. 舒桦,涂昱淳,王寯越,贾果,叶君建,邓文,束海云,杨艳平,杜雪艳,谢志勇,贺芝宇,方智恒,华能,黄秀光,裴文兵,傅思祖. 物理学报. 2018(06)
本文编号：3606225
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