中国科学院大科学装置2009年运行年会上评选出的开放研究成果之六：

神光II装置提供高通量激光输出条件下的状态方程 

惯性约束聚变的研究具有重要战略意义，神光高功率激光实验装置是由上海光学精密机械研究所负责运行的专门进行惯性约束核聚变激光驱动研究的大科学装置。神光I于1985年投入运行，改进升级后2001年建成神光Ⅱ装置，具备了高水平运行的综合技术能力。神光Ⅱ的多功能高能激光系统(简称第9路) 2008年通过验收，它能提供国内同类装置中最大激光通量，标志着我国大型强激光和激光核聚变研究跨上一个新台阶，跻身于世界前五强，对提高综合国力具有重要意义。 

2008年度，该装置采用优化改进后的透镜列阵束匀滑技术和独创的单元体精密粘贴制靶工艺，利用Al-Cu阻抗匹配靶和Cu-Al阻抗反匹配靶在高通量激光输出条件的物理实验中取得重大突破，共打靶72发，成功62发，成功率达86%，提供了可用的材料高压状态方程数据。

材料高压下的状态方程（EOS）研究是现代许多物理领域都非常感兴趣的课题，特别在惯性约束聚变（ICF）、天体物理、星际物理、地球物理、高温稠密等离子体物理、高能密度物理以及材料科学中都具有重要的科学应用价值。目前，随着激光装置输出能力的不断提高，激光均匀照明技术和脉冲整形技术的不断发展，利用高通量激光驱动的冲击波进行材料高压高精度状态方程的实验研究已成为获得材料TPa（千万大气压）以上高压状态方程数据的重要途径。

神光Ⅱ装置从建成开始就进行了大量的状态方程实验，成为检验和考核装置功能和水平的重要标志性实验之一。随着神光Ⅱ第九路的出光，在这一高通量激光装置上也进行了几轮状态方程实验，取得了多项高水平的实验成果。 

透镜列阵束匀滑技术的应用与高质量平面冲击波的获得 

为了得到高精度的状态方程实验测量数据，驱动冲击波必须是平面、稳定和干净(即没有明显预热)的。驱动激光光束必须进行改造才能获得高质量的平面冲击波。根据透镜列阵束匀滑原理和第九路激光条件，针对神光Ⅱ第九路倍频激光输出的透镜列阵均匀照明系统进行了优化设计。条纹相机时空分辨记录的平面靶背面冲击发光信号前沿时刻起伏的标准偏差dRMS可以反映冲击波的平面性，dRMS越小平面性越好，间接说明靶面辐照激光强度空间分布越均匀。第九路激光通过透镜列阵束匀滑后，辐照在靶面上的激光强度比较均匀，能满足精密状态方程实验对冲击波平面性的要求。

多台阶靶技术的应用与冲击波稳定性研究 

状态方程实验要求冲击波在靶中传播必须是稳定的（或者说是匀速的）。理论上讲，当激光波形为方波或梯形波时，对激光状态方程实验最有利，第九路装置输出的激光波形为近梯形波，平顶部分有一定的起伏。经采用多台阶靶技术对神光Ⅱ第九路装置输出激光驱动冲击波的稳定性进行了研究。结果表明，冲击波在铝材料中传播45mm后，仍然非常稳定；在铝基底厚度约30mm情况下，冲击波在金台阶中传播距离~10.5mm时，比较稳定，而当传播距离~15.0 mm时，冲击波速度开始衰减，实验结果与理论数值模拟结果比较吻合，为靶物理参数的精密设计提供了重要的实验依据。

金、铂、聚乙烯等材料的冲击绝热线实验测量

在ICF研究领域中，高Z（质子数）材料金（Au）是一种关键而重要的材料，它被用来制作黑腔（hohlraum），同时，在状态方程研究领域，它也可能被用作高阻抗标准材料，金材料的状态方程非常重要。 

在神光Ⅱ第九路装置上分别以铝（Al）和铜（Cu）作标准材料，金为待测材料，进行了铝—金和铜—金阻抗匹配靶实验，测量了金的冲击绝热线数据。实验获得的数据分散性较小，一致性较好，而且数据精度较高，与在化爆及气炮实验中获得的其它实验数据及两种理论模型均符合得很好。 
铂（Pt）是一种用途广泛的贵金属材料，此前利用化爆或气炮加载对其研究的最高压强约0.6 TPa。在神光Ⅱ第九路装置上，采用阻抗匹配法，以铝作标准材料，测量了铂金材料的冲击绝热数据。实验获得了其冲击波压强在0.58-1.47TPa范围的冲击绝热数据，其中最低压强与已有数据的最高压强衔接，最高压强首次突破一千万大气压，冲击波速度测量相对扩展不确定度~2%（置信因子K=2）。实验获得的数据比国外的数据拟合线的外推要偏硬一点，比国内实验数据拟合线的外推要软一点，大多介于国内与国外实验数据之间，实验数据的一致性较好，数据精度较高。

在激光惯性约束聚变（ICF）研究中，燃料靶丸的压缩过程直接决定于靶丸壳层材料的状态方程（EOS）。目前靶丸壳层材料主要是聚苯乙烯、聚酰亚胺、聚乙烯醚、聚乙烯等低Z透明材料，获得这些材料准确可靠的状态方程数据对于准确预言和分析实验结果至关重要。 

聚乙烯（CH2）材料的冲击绝热线同样采用阻抗匹配法进行，仍以铝作标准材料，聚乙烯台阶后表面镀铝膜（~200nm），铝基底厚度~30mm，铝台阶厚度~15mm，聚乙烯台阶厚度~32mm。实验共获取了3发有效实验数据，聚乙烯材料中的最高压强达0.54TPa，远高于已有实验数据压强（小于0.1TPa），冲击波速度测量精度同样达到2%（K=2）。三发实验数据的一致性非常好，与已有低压实验数据及状态方程模型符合都非常好。

结语

采用透镜列阵束匀滑技术，对神光Ⅱ第九路装置高通量输出激光进行了光束匀滑，获得了大尺度范围平面性良好的冲击波。多台阶靶实验表明，神光Ⅱ第九路倍频激光驱动的冲击波具有相当长的稳定区，非常有利于状态方程实验。在此基础上，采用阻抗匹配法，分别测量了金、铂、聚乙烯等材料的冲击绝热线数据，金、铂、聚乙烯中的最高压强分别达2.7TPa、1.4TPa和0.54TPa，而1.4TPa和0.54TPa分别为铂、聚乙烯材料目前国际的最高压强。实验数据的精度较高，一致性较好，与已有实验数据或理论模型基本吻合。 

神光Ⅱ多功能高能激光系统(第9路)