爆磁准等熵加载是一种研究氢金属化的重要手段。理论研究表明，氢在低温高压下会相变为金属氢。为实现低温升的高压加载，通常采用金刚石对顶砧（diamond anvil cell，DAC）静高压加载^[1-6]和准等熵加载方法^[7-10]。基于样品光学反射率的金属化判据是当前公认的可行的实验方法，广泛应用于DAC、Z装置磁驱动加载飞片、NIF（National Ignition Facility）激光驱动飞片的氢金属化研究中。然而，DAC静高压实验和飞片冲击实验均属于平面加载实验，实验布局较为简单，而爆磁加载通常为柱面结构，目前尚未见关于柱面内爆加载下反射率测量的实验报道。

与利用DAC和磁驱动飞片开展金属氢实验研究的技术路线不同，磁驱动柱面内爆准等熵加载技术利用柱面内爆磁通量压缩产生千特斯拉量级的磁场^[10-14]，具备在较大尺寸空间对氢等低密度材料实现不低于400 GPa准等熵加载的能力，建立柱面爆磁加载氢的反射率测量实验技术对氢金属化等高压性质研究具有重要意义。然而，受加载构型的限制，柱面内爆加载下样品反射率的测量遇到障碍。由于样品位于柱面加载区域的中心，要开展反射率测量，光信息必须从加载中心引至柱面加载区域之外。这将带来两个问题：一是光在样品中的传输路径较长，柱面内爆加载下样品对光的折射影响探测光的传播和收集；二是沿柱体样品轴向，从加载中心到柱体末端，样品的压力范围很宽，达到金属化状态之前H₂对光有强烈的吸收作用，变成不透明状态^{[3, 5-6]}，解释为高压下直接带隙的逐渐变窄，光路径上存在不透明区域，从而无法对中心区域进行观测。为此，无法采用从柱面套筒端窗入射和接收探测光的方式进行测量，必须避免加载压力对光路径的影响。

为避免加载压力的影响，考虑将高密度金属管道和管道终端的抗高压透明窗口组合，形成真空导光探针，开辟探测光的无障碍传输通道。导光探针保持通光能力的关键要素之一是极高压力下金属真空管道空腔能否保持足够大的空间使得光传输通道不被阻断。进一步考虑在真空管道的中轴线上布置一根细光纤和光纤探头，以保持光的稳定传输，并避免杂光干扰，因此关键要素之一便成为极高压力下金属管道能否保护光纤和光纤探头不受破坏。基于此，本研究从数值模拟计算和实验两方面对金属真空管道在准等熵加载下的压缩和通光特性进行分析和测试。

1.   数值模拟计算

以中国工程物理研究院流体物理研究所研制的单级爆磁装置CJ-100的典型加载历史为例^[14]，计算不同材料、不同外径、不同内径条件下真空管道在柱面斜波加载下的压缩特性，加载模型如图1所示。计算参数如下：驱动样品管材料为铜，样品管外径为10 mm，内径为6 mm，样品为液氢；探针管道材料为钽或钨，探针的初始外径（d_outer）为3 mm，初始内径（d_inner）为2 mm（或者初始外径为2 mm，初始内径为1.2 mm），探针管道空腔内为真空。等效计算CJ-100加载样品管的典型压力历史如图1(b)所示。采用流体动力计算程序LS-DYNA开展一维流体计算模拟，采用 Grüneisen状态方程和ELASTIC_PLASTIC_HYDRO强度模型计算金属材料（铜、钨和钽）的应力偏量和压力^[15]，对氢的状态方程^[16]采用线性多项式描述，不考虑强度模型。计算得到不同时刻、不同探针管道的样品压力以及探针管道压缩特性，结果如图2所示。

图  1  斜波加载真空管道示意图和典型压力-时间历史

Figure  1.  Schematic diagram of the ramp wave loading vacuum tube and typical loading pressure-time history

下载: 全尺寸图片 幻灯片

从图2可以看出，当氢样品的加载压力达到500 GPa时：对于初始外径为3 mm、初始内径为2 mm的钨探针，探针内径减小到1.16 mm；对于初始外径为3 mm、初始内径为2 mm的钽探针，探针内径减小到1.18 mm；对于初始外径为2 mm、初始内径为1.2 mm的钽探针，探针内径减小到0.99 mm。

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图  2  斜波加载下真空管道压缩特性模拟计算结果

Figure  2.  Simulation results of vacuum tube compression behaviors under ramp wave load

下载: 全尺寸图片 幻灯片

考虑到光学测量的传光介质为芯径不大于200 μm的光纤（包括光纤探头），由计算结果可知，当氢样品的压力达到500 GPa时，3种探针的空腔都足够容纳光纤等传光介质，表明在较高的斜波加载压力下探针仍然可以保持传光能力。

2.   实　验

利用单级爆磁加载装置CJ-100开展真空导光管道空腔压缩和通光特性诊断实验，实验装置如图3所示。炸药柱面内爆驱动金属套筒，将其内部初始磁通量压缩至轴线附近的小体积内，形成超强磁场，对中轴线上的样品管施加超高磁压力。考虑到本实验是为了检验导光管道空腔的压缩特性，不涉及氢样品反射率测量，因此样品管内的加载样品采用纯净水，以便于开展实验。加载装置参数设置如下：能库充电10 kV，初始磁场强度7 T，套筒内的真空度约100 Pa。样品管安装于套筒内，样品管材料为无氧铜，初始外径为10 mm，初始内径为6 mm，长度为5 cm。

图  3  基于CJ-100装置的真空导光管道空腔压缩和通光特性诊断实验布局

Figure  3.  Experiment layout of cavity compression and light transmission of the vacuum light-guide tube performed on the CJ-100 facility

下载: 全尺寸图片 幻灯片

真空导光管道空腔压缩特性测试实验样品靶结构如图4所示。导光探针钽管安装于无氧铜样品管内，钽管材料的纯度为99.98%，初始外径为3 mm，初始内径为2 mm，长度为39 mm。微型折转光纤探头通过悬臂支撑结构安装于钽管空腔中轴线上，保持光纤探头和光纤在钽管空腔内处于悬空状态。光纤探头直径为0.2 mm，探头端面经过处理，可将光子多普勒测速仪（photonic Doppler velocimeter，PDV）内置光纤激光器发出的波长为1550 nm的单频激光准直，然后将光束折转75°并投射到钽管内壁上，接收从内壁反射的激光，再通过单模光纤将反射光引导至PDV测速系统。钽管前端用铝塞密封（若用于反射率测量，则将铝塞替换成金刚石窗口等透明材料），后端通过排气槽与爆磁装置套筒内空间连通，钽管的真空度与套筒一致。

图  4  实验样品靶结构示意图

Figure  4.  Schematic diagram of the test target in the experiment

下载: 全尺寸图片 幻灯片

钽管内壁在柱面内爆径向压力作用下向钽管径向移动，PDV测得的是钽管内壁速度沿光纤探头观察方向的速度分量v_a，如图5所示，经过修正以后，得到钽管内壁速度v。

图  5  钽管内壁速度修正

Figure  5.  Correction of the inside shell velocity of the Ta tube

下载: 全尺寸图片 幻灯片

钽管内壁测速结果如图6所示。从速度谱图中可以看到，速度信号消失时对应的速度约为5.1 km/s。56.85 μs之前钽管内壁速度匀滑上升，表明钽管内壁处于准等熵加载状态。56.85 μs时，钽管内壁速度突然快速上升，可能是由于单级加载装置中用于压缩磁场的金属套筒容易与样品管发生碰撞，从而引入冲击加载，随后该冲击传播到钽管内壁。56.85 μs以后，钽管内壁速度谱出现一定程度的展宽，推测钽管内壁出现非均匀圆周加载或微物质喷射现象。

图  6  钽管内壁速度谱

Figure  6.  Velocity spectrum of the inside shell of the Ta tube

下载: 全尺寸图片 幻灯片

根据装置模型参数和内爆速度实验结果，采用一维磁流体动力学程序MC11D^[17]建立相应模型并开展计算，得到钽管内壁的理论速度曲线和理论水中压力曲线，实验测量和理论计算的内爆速度曲线见图7，其中r为计算理论压力时设置的4个初始坐标点距钽管空腔中轴线的距离。56.85 μs以前，计算速度曲线与实验测量速度曲线吻合较好，可以认为此时水中压力理论计算值近似代表实验中实际水中压力。56.85 μs时，水中压力的平均计算值为485 GPa，达到该压力之前，速度谱图上的速度信号清晰可见，表明真空钽管在水中被准等熵加载到约485 GPa时一直保持光信号传播。实际上，56.85 μs之后，测速信号仍然存在约50 ns，表明钽管仍能继续传播光信号，但由于实验后期装置对样品的非均匀压缩或冲击加载，导致样品的热力学状态发生变化，不利于数据处理，因此后续数据不予采用。

图  7  实验与模拟计算得到的速度曲线及理论水中压力曲线

Figure  7.  Comparison among the measured velocity profile, the theoretical velocity profile and the theoretical underwater pressure profile

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图8给出了钽管内壁位移测量结果。可见，56.85 μs时（水中压力计算值达到485 GPa），钽管内壁位移为0.36 mm，即钽管空腔内径约为1.28 mm，表明钽管空腔仍有很大空间可以继续被压缩。如果继续保持准等熵加载状态，则光信号应该可以一直保持到钽管内壁碰撞光纤或光纤探头。实际上，光信号完全消失时，钽管内壁位移为0.57 mm，此时钽管空腔内径约为0.86 mm，此后虽然钽管空腔还可以容纳光纤和光纤探头，但探头表面可能已被冲击加载钽管内壁产生的喷射物质破坏或者空腔内光传播路径被喷射物质阻断，导致真空导光管道失去通光能力。

图  8  钽管内壁位移-时间曲线

Figure  8.  Displacement-time profile of the inside shell of the Ta tube

下载: 全尺寸图片 幻灯片

3.   结　论

在典型的爆磁准等熵加载条件下，通过合理设计真空管道材料和尺寸，可以在较高的柱面加载压力下保持真空管道的通光能力。数值模拟结果表明：当柱面斜波加载氢样品的压力达到500 GPa时，钽、钨真空管道空腔仍有足够的空间保持传光能力。爆磁加载真空导光管道空腔压缩实验结果表明：以水为加载样品时，外径3 mm、内径2 mm的钽真空管道空腔在水中被准等熵加载到约485 GPa之前一直处于连续的准等熵压缩状态，直到空腔内径被压缩至约1.28 mm，光传输通道（包括钽管空腔、空腔中的光纤和光纤探头）一直保持光信号畅通；钽管空腔内径压缩至约1.28 mm之后，虽然样品受到复杂加载导致数据处理困难，但是钽管内壁速度的光测信号仍然保持了约50 ns，到光测信号完全消失时钽管空腔内径约为0.86 mm。抗高压真空管道为柱面爆磁准等熵加载下氢金属化的光学表征提供了可能。此外，将利用微型折转光纤探头测量的探针管道内壁速度曲线与数值模拟得到的速度曲线及压力曲线进行对比，为校验加载压力提供了一种参考方法。