激光驱动靶丸超高速发射研究

班晓娜，杨为明，张品亮，张 琛，王 钊,*，田宝贤， 王哲斌，高智星，李 静，胡凤明

(1.中国原子能科学研究院 核物理研究所，北京 102413； 2.中国工程物理研究院 激光聚变研究中心，四川 绵阳 621900； 3.北京卫星环境工程研究所，北京 100094)

随着人类航天活动的日益频繁，航天器数目越来越多，空间碎片环境问题日益突出[1]。空间碎片按其尺寸的差异通常分为3类：大碎片(尺寸在10 cm以上)；危险碎片(尺寸在1～10 cm之间)；微小碎片(尺寸在l cm以下)，其中，微小碎片数量占空间碎片总数的99.67%。在近地轨道，微小碎片与航天器的相对撞击速度高达15 km/s，平均撞击速度接近10 km/s[2]，一旦发生撞击，会使航天器表面结构和部件失效，对其安全运行造成重大威胁。为此，国内外对各种防护结构进行了大量的高速撞击试验，以总结不同防护结构的损伤行为和防护效应。为更准确模拟空间碎片超高速撞击特性及累计损伤效应，撞击防护材料的靶的飞行速度是关键，因此，开展超高速发射技术研究对航天器空间碎片防护结构研究具有重要意义[3-4]。

超高速发射技术是将物体加速到几至十几km/s甚至更高的实验技术。具备超高速发射实验能力是开展超高速碰撞现象和机理研究的前提条件之一[5]。目前，研究空间碎片撞击效应的传统驱动方式主要包括轻气炮驱动[6-7]、爆轰驱动[8-9]以及电磁驱动[10]等，其中，轻气炮是超高速撞击地面模拟研究常用的技术，较为常用的是二级轻气炮，可将靶加速到6～8 km/s，但该装置占用空间较大、操作繁琐、加速成本高[11-12]；爆轰驱动加速技术，直接利用爆炸能量驱动弹丸，一般只能使弹丸速度达到3～5 km/s[13]；电磁驱动加速技术主要针对绝缘飞片材料，可将飞片加速到6～18 km/s[13]。但这些驱动方式加载飞片或弹丸的速度均难超过10 km/s，且存在设备操作复杂、成本高、实验破坏性较大和样品回收困难等不足，因此很难精确模拟空间碎片的撞击效应。而激光驱动的发射技术与传统加速驱动方式相比，设备更紧凑，可获得更高的加载速度，且对其他元件无附带损害，因此可有效降低实验成本。此外，激光驱动方式的特点是加载过程时间更短，可同时开展速度和撞击测量[14]。因此，激光驱动高速发射技术模拟空间碎片的撞击效应研究备受国内外关注。

激光驱动高速发射技术是利用激光聚焦辐照靶目标烧蚀形成高温等离子体，并在靶内产生冲击波加速靶目标到高速状态，宏观上类似于火箭效应，等离子体喷射形成反推力加速靶目标。目前，基于强激光驱动的目标靶主要集中在对飞片靶的研究。如日本大阪大学Kadon等通过KrF激光器和Glass激光器研究了激光的波长和脉宽对飞片速度的影响，并在研究中发现通过KrF激光器驱动的飞片速度达16 km/s，远高于在Glass激光器中得到的10 km/s。其主要原因是由于波长短、脉宽长的激光光束与飞片靶的能量耦合效率高[15]。日本国立先进工业科学技术研究院Okada等利用能量为1 031 J的激光器驱动钽(Ta)飞片靶至23.6 km/s[16]。美国海军实验室利用NIKE激光器驱动CH薄膜靶，获得超过1 000 km/s的速度[17]。我国的科研人员在激光驱动飞片研究方面也做了很多工作，如中国工程物理研究院流体物理研究所利用YAG激光器驱动含约束层的5 μm厚的Al飞片至6.6 km/s[18]，北京卫星环境工程研究所利用波长1 064 nm、能量835 mJ、脉宽10 ns的激光将厚度5 μm的Al飞片加速到10.4 km/s[19]。2012年，中国原子能科学研究院通过百焦耳量级的KrF激光器驱动50 μm的Al飞片至10 km/s[20]。2016年，中国工程物理研究院激光聚变研究中心在神光Ⅲ原型装置上采用3种不同方式加速飞片实验研究，即整形斜波脉冲加速Al飞片至8 km/s、等离子体射流碰撞加速Al飞片至6～11 km/s和短脉冲激光烧蚀加速复合PI-Cu飞片至50 km/s[14]。虽然国内外在激光驱动飞片研究方面取得许多重要进展，但是外太空中的碎片实际上是具有一定的体积和形状的[21]。因此，在防护材料研究方面不仅对速度有要求(一般需要大于10 km/s以上)，还对被驱动靶的形状有要求，如靶的形状为球体等。但目前国内外利用强激光在这方面的研究较少。2010年，日本大阪大学利用波长1 054 nm的大能量激光GEKKO Ⅻ-HIPE开展了驱动直径为100～300 μm的铝制弹丸的研究，但被加速弹丸的速度依然较小[22]。2014年，中国原子能科学研究院从激光烧蚀球丸的理论模型出发，推导出小球靶丸的速度表达式，证明小球的加载速度随激光能量的增加而增大，但随激光波长的增加而减小[23]。综合来看，激光驱动高速发射技术主要集中在飞片加速领域，而加速球丸撞击防护材料更能接近真实地模拟空间碎片和航天器撞击过程。因此，如何将弹丸加速到更高的速度是目前研究的热点和难点。

本工作基于流体程序开展激光驱动弹丸的数值模拟，并在中国工程物理研究院激光聚变研究中心神光Ⅲ原型装置上首次开展351 nm波长的大能量激光驱动球丸的超高速实验，利用加速的高速铝球进行与防护材料作用的超高速撞击测试实验，并通过回收的被撞击材料的撞击形态研究撞击效果及材料防护效果。

1 模拟研究

利用辐射流体程序HYADES在不同能量不同焦斑激光加载下，对靶的飞行速度进行理论模拟预估。在模拟中，设置的参数与神光Ⅲ原型激光装置参数一致，即激光脉冲为方波，波长为351 nm，脉宽20 ns。同时，设置靶的初始厚度为200 μm。

图1为靶烧蚀压和自由面速度随时间演化的结果。从图1可看出，当激光功率密度为2×1013W/cm2时，冲击波经过12.5 ns后传播至靶自由面，瞬间将靶加速至18 km/s；当激光功率密度为9×1013W/cm2时，冲击波经过7.2 ns后传播至靶自由面，将靶加速至45 km/s，并在34 ns左右出现二次加速现象。这是由于长脉冲(20 ns)激光驱动下，冲击加载的时间远大于单次冲击在靶内部的传输时间(7.2 ns)，冲击波在自由面处反射稀疏波，对靶内压力进行卸载。当稀疏波传回至靶前表面时，激光脉冲尚未结束，并在靶内驱动二次(34 ns)冲击波加载，从而发生二次加速现象。类似的实验现象在早期平面飞片靶研究中已被观测到，甚至会出现3次及以上的多次加速[24]。

此外，还模拟了不同厚度靶在不同激光功率密度下的加载速度，分别如图2所示。从图2可看出，靶自由面开始运动的时间随激光功率密度的增大而减小，自由面速度则随功率密度的增大而增大，且靶厚度越小，靶自由面的速度越大。值得注意的是，当靶厚度为300 μm时，在激光功率密度为9×1013W/cm2时，并未出现二次加速现象，由此可见，为避免二次加速，在实验过程中，应综合考虑靶的厚度以及激光参数。

图1 靶烧蚀压和靶自由面速度随时间的演化图Fig.1 Evolution diagram of target ablation pressure and free surface velocity with time

图2 不同厚度靶在不同激光功率密度下的模拟结果Fig.2 Simulation results of different thickness targets and different laser power densities

2 实验研究

2.1 实验方法

图3 实验原理示意图Fig.3 Layout of laser driven pellet

本实验采用直接驱动方式，利用神光Ⅲ原型装置上4路激光照射靶丸上端，在入射面形成高温高压等离子体，等离子体膨胀从而向下加速靶丸，高速运动的靶丸最终撞击防护板。图3为实验原理示意图，靶丸通过连接细丝与靶支撑结构相连接，连接细丝直径20 μm。采用X光条纹相机(XSC)和X光分幅相机(XFC)作为诊断设备。原型激光装置的下4路中的两束光作为两组背光源，照射背光材料Cu片，利用Cu的Kα射线作为探测光。其中，XSC记录的背光为一段具有时空分布的亮带，其空间方向由右向左，时间方向由上而下，当靶丸运动经过XSC时，会对探测光产生遮挡，亮带因遮挡由右侧向左逐渐变为不透明阴影。XFC可抓拍16幅背光信号不同时刻的横断剖面图像，可诊断靶丸飞行的二维图像。靶丸飞行速度可由XSC的烧蚀面/后自由面运动图像获得。

具体实验参数为：球形靶丸直径为200 μm，驱动光波长为351 nm，4路激光能量为553 J，脉冲宽度为20 ns(方波)，光斑直径为200 μm，激光功率密度为8.8×1013W/cm2。背光能量为703 J，脉冲宽度为8 ns(方波)， 激光能量密度为4.5×1013W/cm2，相对主脉冲延时20 ns。

2.2 实验结果

图4a为激光驱动靶丸实验获得的XSC图像，靶丸从右向左运动，对背光亮带遮挡并形成明显的运动轨迹。本次实验XSC获取的图像中纵轴每个像素为5.5 ps，横轴每个像素为2.52 μm。

对XSC图像进行分析处理，首先对图4a进行图像去噪处理，采用消除本底寻边的方法确定X背光亮带右侧边缘位置数据(图4b图像中的散点)，再进行多项式拟合，并对其微分获得目标速度，如图4b所示。从图可看出，当时间大于6 ns时，XSC图像寻边轨迹点很分散，可能是等离子体预膨胀导致的，这对轨迹拟合及微分速度的计算会造成较大误差，因此对2～6 ns区间内靶丸运动速度求平均，得到靶丸速度为44 km/s。最后，被加速的靶丸以速度44 km/s撞击到Ti/Al/Mg 3层金属防护结构上，形成弹坑，撞击的形貌如图5所示。

3 讨论

对比模拟结果，由于背光相对主脉冲延时20 ns，图4中2～6 ns速度区间对应的是图2a模拟结果中22～26 ns的区间。从模拟结果来看，当功率密度为8.8×1013W/cm2时，小球速度约46 km/s，略大于实验结果，这主要是因为该模拟计算是在一维条件下进行的，由于多维效应的影响，会使模拟的速度偏大，由此可定性说明实验与模拟基本吻合。

图4 X条纹相机图像(a)以及弹丸位移和速度随时间的变化曲线(b)Fig.4 XSC image (a) and position and velocity of pellet vs time (b)

图5 撞击形貌Fig.5 Impact morphology

4 结论

本文基于神光Ⅲ原型装置，在波长351 nm、脉冲宽度20 ns、功率密度8.8×1013W/cm2的条件下，直接驱动直径为200 μm的铝靶丸，获得的靶丸速度为44 km/s，与模拟结果(46 km/s)基本吻合。同时，完成了靶丸与Ti/Al/Mg防护材料撞击测试，评估了该材料的防护效果。研究结果表明，激光驱动球丸发射技术在开展空间碎片撞击效应实验和航天器防护应用研究方面具有十分重要的意义。