攻克难点,一所科研人员开辟千万大气压力下声速测量的“蹊径”

      实验室产生极端高压的方法通常是样品很小或者维持时间很短。金刚石对顶砧技术利用金刚石的超高强度可以稳定的实现约300GPa（1GPa=10⁹帕斯卡，约一万大气压）的高压，但是样品仅几个微米大小。动态压缩技术实际上是利用瞬态能量沉积，在能量以应力波的形式向外扩散的过程中实现对物质的高度压缩，能量沉积的形式可以为高速撞击、高功率密度辐照以及高峰值电流等，通过对能量沉积方式的调整可以形成各种形式的应力波，比如定常冲击波、非定常冲击波、光滑上升的斜压缩波等各种形式。动态压缩可以获得10TPa（1TPa=1000GPa）以上的压力，但是时间仅有纳秒（1纳秒=

10^-9秒）量级，压力越高维持时间越短。在如此高的加载压力下，通常认为不可压缩的物质也可以被压缩好几倍。一般固态物质在常态下的体积模量都是10-100GPa量级，这基本等价于施加1-10万大气压，物质的密度会增大10%。随着压力的增大，体积模量大致线性增大，在TPa压力下，物质的密度已经可以达到常压密度的几倍，体积模量也增大了很多，因此压缩起来更为困难。这种在实验室里研究高度压缩物质的学科可称为高密度物理学，这里讲的高密度物理仅仅局限于恒星或行星内部的高密度状态，也就是室温常压下固体密度的几十倍以内，物质内部压力仍然以热压为主。国际上能够开展TPa压力状态实验研究有很多家，但是到目前为止，能够在单发实验中沿冲击绝热线连续直接测量TPa 压力范围冲击压缩介质体波声速的仅有中国工程物理研究院一家。

Omega激光装置实验场景（图片来源于网络）

     超高压声速的测量可以有两种途径，一种是经典的追赶法，另一种是侧向稀疏法。追赶法是冲击波在前面以定常的速度传播，滞后一段时间的稀疏波以更快的定常速度追赶冲击波，追上以后冲击波速度会下降，根据追赶上的时间和追赶的距离，就可以算出声速的大小。在超高压范围内，产生定常传播的冲击波目前几乎不可能，原因有这么几个：高速飞片是产生定常冲击的理想途经，但是将飞片发射到15-30km/s时，飞片本身的热力学状态和表面形貌均可会发生剧烈的变化；激光直接或间接驱动的冲击波稳定性取决于激光光强的稳定性和激光等离子体相互作用两个方面，激光烧蚀的热影响区域状态未知，只有冲击波波后有限区域是流体力学主导的，所以在激光驱动条件下进行追赶法声速测量需要与另一种声速已知的标准材料对比，遗憾的是目前为止这种已知高压声速标准材料并没有出现。侧向稀疏法最早是上个世纪六十年代苏联科学家Al'tshuler, L.V. 提出的，是在与平面冲击波传播相垂直的侧面引入稀疏波，稀疏波与冲击波相交的区域冲击波速度变慢，从而形成弯曲冲击波区域和平面冲击波区域，当冲击波到达样品表面后可以通过扫描相机记录冲击波到达时刻，平面冲击波速度快所以先到，弯曲部分的冲击波速度慢些所以后到。这种方法在当时的诊断条件下，精度很差，七十年代以后就不再被重视。李牧博士最早在上海神光II上开展透明介质的冲击波实验中，发现线成像速度干涉仪（Line VISAR）可以非常清晰的记录冲击波在介质内弯曲点的轨迹，而且这个轨迹可以和样品表面平面冲击波到达时刻相吻合，从而专门设计了透明介质的声速测量系统，并逐步发展成了能够在单发实验中连续测量主冲击绝热线上很大压力范围的体波声速的方法，在神光III原型装置上成功获得了石英单晶的超高压声速结果。实验原理和测量结果如下图所示。冲击波进入透明的样品以后，在坐标原点引入侧向稀疏波，随着时间的推移，冲击波前进的距离（Usdt）、波后物质的平移距离（Updt）以及声波传播距离（Cbdt）之间满足简单的三角关系，只要测量得到红色的轨迹，即可给出声速。该方法并不要求冲击波定常传播，高压实验中最为常见的衰减冲击波也是适用的，而且衰减冲击波还可以在一次实验中沿主冲击绝热线从上而下，扫过冲击线上的很大压力范围，这样也就可以得到宽广范围的声速结果。

       前面提到，在高压状态方程研究中，通常会使用“标准材料”，石英单晶就是近年来被推上“标准材料”宝座的，但是它在超高压下的Grüneisen系数标定却一直悬而未决，这严重影响了它的合法性。用冲击绝热线上的体声速与Grüneisen系数恰恰满足热力学相容性关系，因此沿冲击绝热线的超高压声速测量还可以直接标定宽区物态方程最核心的Grüneisen系数。石英声速的直接测量结果与前期认知有较大不同，在分子流体区域明显低于以前的推测，声速与比热容一样都可以作为分子键存在的实验证据。相关的分析在此不做展开，感兴趣的读者请参阅原文及附加材料。