《高压声速测量的新方法及其分析》.pdf

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1、第1期高能量密度物理NO．12015年3月HIGHENERGYDENSITYPHYSICSMaT．，2015高压声速测量的新方法及其分析于锦泉(中国工程物理研究院流体物理研究所冲击波物理与爆轰物理实验室，四川绵阳621999)摘要：在目前常用的高压声速测量方法的基础上，提出了一种新的高压声速测量方法：通过测量不同厚度样品的界面速度剖面，由样品厚度与界面速度剖面平台的宽度线性拟合所得斜率计算高压声速。不确定度分析表明，新方法不会增加结果的不确定度。由于无需考虑追赶稀疏波到达样品的前界面历程，因此新方法不需要已知飞片

2、材料的状态方程和高压声速，拓展了飞片材料的选择范围，并且可用于使用靶板的实验，测量特殊材料(气体、液体、高危害材料等)的高压声速。关键词：高压声速；追赶稀疏波；状态方程1引言高压声速测量在高压物理、地球物理等领域十分重要。通过高压声速可以获得材料的弹性模量、体积模量、剪切模量口。和Griineisen参数等，这些参数在材料的本构关系和状态方程研究中具有重要意义。测量沿着冲击绝热线的声速变化是确定冲击压缩引发的固一固相变或固一液相变的重要手段[5。，高压声速测量的精度对于判定材料结构相变和冲击熔化的发生以及相边界的

3、确定十分关键。此外，将各种候选矿物集合高温超高压声速测量结果与地震学探测的密度和声速(或体积模量)剖面相结合，还可以推测地球内部的物质组成¨。高压声速测量主要有加窗VISAR法_】H和光分析法_】两种方法。光分析法通过光强的变化情况计算声速，而加窗VISAR法则通过界面粒子速度的变化情况计算声速。加窗VISAR法测量精度比较高，因而成为目前高压声速测量采用的主要方法。然而，加窗VISAR法需要已知飞片材料的Hugoniot和高压声速数据，极大地限制了飞片材料的选择范围。此外，由于加窗VISAR法的计算公式和稀疏波

4、到达样品前界面的过程密切相关，通常只适用于飞片直接撞击样品的情况，因此在测量气体、液体、高危害材料等(需要使用容器将样品密封)的高压声速时，所得结果较差。考虑到某些实验中，必须使用Hugoniot和高压声速数据未知的飞片材料，或者样品不能直接裸露于空气中，提出一种新的高压声速测量方法(通过测量不同厚度样品的界面速度剖面，由样品厚度与界面速度剖面平台的宽度线性拟合所得斜率计算高压声速)，以期在不增大计算结果不确定度的条件下，克服光分析法和加窗VISAR法的局限性。2常见的高压声速测量方法2．1光分析法如图1所示，光

5、分析法使用飞片直接撞击样品，样品后界面的透明窗口通常为CHBr。或*作者简介i于锦泉(1980一)，男，硕士，副研究员，主要从事冲击波物理的研究。Email：tt_zn@126．corn38高能量密度物理2O15年3月CHC1。。冲击波到达“样品／窗口”界面时，窗口材料变得不透明，并产生强光；当右行简单稀疏波追赶上冲击波后，冲击波强度下降，光强迅速下降，如图2所示。若稀疏波追赶上冲击波的位置仍在窗IZl材料中，则光强信号变化会存在平台，平台宽度为△￡。由图1中波系作用可知，平台宽度和样品厚度z之间呈线性关系。利用

6、图3所示方法，测量不同厚度样品的△f，拟合得出稀疏波追赶上冲击波时样品的厚度．z。。由此可将样品中的拉格朗日声速c：表示为c一互Ust1㈩～(c+Usd)．TO“sdf式中：z为飞片厚度，c为飞片中的拉格朗日声速，“。为飞片中的冲击波速度，‰为样品中的冲击波速度。由飞片的Hugoniot关系给出，‰通常由其它样品Hugoniot测量实验得到，c则由拉格朗日声速实验关系或者通过Hugoniot关系和Griineisen方程进行估算。Dt／(gs)1波系作月j不恿图2光强信号随时间的变化”2．2加窗VISAR法加窗V

7、ISAR法和光分析法的差异在于样品后界面窗口材料特性的不同。当采用加窗VISAR法测量高压声速时，窗口材料在受到冲击时仍保持透明，因此可以通过VISAR测量“样a品／窗口”界面粒子速度的历史剖面。如图4所司示，飞片碰撞样品后，飞片和样品中分别产生左行冲击波和右行冲击波；在时刻，样品中的冲击波到达“样品／窗口”界面，界面粒子速度突然增大；然后基本保持不变，一直持续到稀疏波到达“样品／窗口”界面之前；在f时刻，稀疏波波前到x,／(mm)达“样品／窗口”界面，界面粒子速度开始下降。该图3稀疏波追赶上冲击波时样品厚度的确

8、定过程中，稀疏波与冲击波到达“靶板／窗口”界面的时间差At满足za(+寿)(毒一1)(2)根据(2)式，样品中的拉格朗日声速c可表示为第1期于锦泉等：高压声速测量的新方法及其分析39I一，————————————————————：!————————————一一△一f+{1+Xt(3)＼Usdca"／加窗VISAR法只需一块样品即可测得样薹品中的声速，相对于光分析法，其实验