本发明涉及高压状态方程研究中的声速测量领域，具体涉及一种透明介质主冲击绝热线上体声速的连续测量系统及方法，能够实现超高压冲击声速测量。
背景技术
材料在高压下的响应特性对于地球和行星物理，惯性约束聚变以及第一性原理的建模等多个物理研究领域具有重要意义。在材料响应特性的各种表征中，声速反映了小应力扰动在介质中的传播特征，携带了材料的各种模量信息，是材料在一定热力学状态下的一种力学属性，是研究材料状态方程、本构关系、相变(包括固-固相变)以及物质构成等的重要手段。在行星物理和武器物理研究中，压力范围可以达到百万到千万大气压量级，而在如此高的压力下的声速测量一直都是高压物理学研究面临的重要困难。
冲击压缩是获得高压的主要手段，冲击压缩的主要形式是冲击波，冲击波前为未压缩的物质，冲击波后为压缩后的物质，而冲击波的厚度非常薄，可以认为是一个间断跳跃。从常温常压初始状态出发的不同冲击波后状态连接起来就构成了冲击绝热线。冲击绝热线上声速的测量结果可以直接推算状态方程grüneisen系数。
为了测量材料在冲击压缩状态下的声速，需要在冲击波后状态中引入小应力扰动，测量小扰动在该状态下的传播速度。在单轴应变加载条件下，主要有两类扰动：横向小扰动和纵向小扰动，实际测量中主要是卸载扰动。俄罗斯著名的冲击动力学专家al’tshulerl.v.教授是的高压声速测量的先行者，早在1960年就开展了多种金属材料的100gpa冲击压力下声速测量，对横向扰动和纵向扰动均进行了实验研究。其中横向扰动方法是用条纹相机记录边侧稀疏对到达样品后表面的定常冲击波一维平面范围，由于在当时的测试条件下扰动边界的测量精度受限，因此后期研究主要以追赶稀疏纵向扰动方法为主。1982年，mcqueen,hopsonetal等人对追赶稀疏测量纵波声速的方法进行了改进，提出了光分析法，极大地推进了冲击声速的研究。其原理是在样品后引入溴仿等在冲击加载下强烈发光并且发光强度对压力非常敏感的窗口材料，通过记录发光的强度变化确定稀疏波的到达时间，进而给出纵波声速和体声速。上世纪90年代以后，随着具有极高时间分辨能力的干涉测速技术的发展，在进行追赶稀疏时间测量的同时可以获得相应的粒子速度，从而可以给出波剖面下降沿对应的卸载线上的声速。流体物理研究所谭华教授带领的团队在冲击声速测量方面做了大量的工作，在200gpa以内针对典型金属材料，对纵波声速、体波声速及相关的强度、相变等问题进开展了一系列研究，在国际上有较高的影响力。目前来看，对于主冲击绝热线上的声速测量仍然以纵波渡越时间测量为主要手段，这种方法遇到的最大问题就是需要一个定常传播的冲击波，由于现阶段直接能量沉积(如高功率激光、高能粒子束等)产生的冲击波稳定性仍然不可能与飞片撞击相比，无论是正碰还是反向碰撞都需要保证飞片本身的状态和厚度已知，在这些约束条件下现有的飞片驱动技术(气炮驱动飞片8km/s,磁驱动飞片30km/s)很难满足用追赶法进行高压段的冲击声速测量(尤其是低阻抗样品)的精度要求。
因此，现有声速测量存在以下缺陷：
缺点一、超高压稳态传播的冲击波很难实现，因此扰动传播的追赶过程并不能准确反映声速。
稳态传播的冲击波都是用高速飞片撞击产生的，目前的压力上线为数百万大气压。实验要形成更高压力的冲击波，通常是用其他驱动方式，如高峰值功率激光、脉冲功率装置等，这些装置的特点是很难形成的特别稳定的冲击波。所以追赶方法不适用于超高压声速测量。
缺点二、仅测量样品后表面侧向稀疏方法无法精确给出冲击波面弯曲点，也就无法精确给出声速结果
前苏联的工作是测量的是样品自由面的冲击发光信号，仅能分辨信号出现的前后差别，不能完全清晰的给出平面区和非平面区的本质差别，所以弯曲点的识别精度很差，从而声速结果也很差。
技术实现要素：
为克服上述现有声速测量存在的技术问题，本发明提出一种透明介质主冲击绝热线上体声速的连续测量系统及方法，能够在单发实验中连续测量透明介质主冲击绝热线上的体声速，利用强冲击对探测激光的反射特性和成像系统对反射面面型的敏感性，同时记录获得冲击波面的速度历史和侧向稀疏产生的平面冲击波边界的空间轨迹，将波后体声速与冲击波速度关联起来以得到冲击波后体声速；本发明降低了对加载条件的严苛限制，同时充分利用了成像系统的空间信息，实现超高压冲击声速测量。
本发明通过下述技术方案实现：
透明介质主冲击绝热线上体声速的连续测量系统，该系统包括加载机构、基板、待测样品和线成像诊断系统；
所述加载机构用于产生tpa压力下沿主冲击绝热线的非定常冲击波，实现横向平面一维加载；沿非定常冲击波传播方向依次设置有基板、待测样品和线成像诊断系统；所述待测样品为透明薄片，所述透明薄片紧贴在基板上，其侧面为自由面并垂直于基板，且所述侧面位于所述线成像诊断系统视场内；
非定常冲击波到达基板表面的时刻对应冲击波进入样品的时刻，所述线成像诊断系统开始记录冲击波开始进入样品到冲击波离开样品过程的时间、速度和平面冲击波反射边界轨迹数据，数据进行处理后得到冲击波后声速和冲击波速度的关系。
当冲击波压缩后的状态达到或超过样品金属化或电离状态时，波后介质对于探测激光强反射，平面冲击波的反射信号可以返回探测系统，而侧向稀疏会造成靠近垂直边界的冲击波速度变慢，从而表现为冲击波面向后弯曲，弯曲的波面反射信号无法回到探测系统，随着稀疏波逐渐向平面区内部传播，测量得到的高亮度反射区逐渐变小，这个高亮区域边界即为冲击波弯曲点的轨迹(即平面冲击波反射边界轨迹)。
具体的，所述加载机构为高功率激光直接辐照烧蚀层产生冲击波进入基板。
具体的，所述加载机构为高速飞片，飞片撞击基板，在基板中形成冲击波。
具体的，所述加载机构为高功率激光在重金属空腔内诱导产生的x射线辐照烧蚀层，产生冲击波进入基板，所述基板包括隔离层和基层，且隔离层设置在面向加载机构的基层面上，用于消除x射线和电子对基板和样品产生的预热效应。
具体的，所述隔离层由重金属元素制成，所述基层由铝制成。
具体的，基于高压声速与材料高压状态的关系，根据直接测量得到的冲击波速度us和边侧稀疏边界，得到高压声速cb
式中，cb为声速，us为实际测量的冲击波速度，up为声波传播过程中的随体速度，α为冲击波边侧稀疏轨迹的切线与冲击波传播方向的夹角。
进一步，为了降低干涉条纹的影响，所述线成像诊断系统包括干涉测速系统和非干涉回光亮度测量系统。
此外，基于上述连续测量系统，本发明还提出一种透明介质主冲击绝热线上体声速的连续测量方法，该方法包括以下步骤：
1)测量系统安装：按照上述连续测量系统进行测量设备安装布局，安装时，待测样品紧贴在基板上，其侧面为自由面并垂直于基板，保证待测样品的这个垂直侧面位于线成像诊断系统视场内，样品区的视场边界到垂直侧面的距离大于样品厚度的1.5倍；
2)连续测量：加载机构产生横向均匀的平面一维加载冲击波，冲击波通过基板进入待测样品，由线成像系统记录冲击波开始进入待测样品至冲击波离开待测样品过程的冲击波速度、渡越时间、及侧向稀疏产生的平面冲击波边界的空间轨迹；
3)数据处理：通过将波后体声速与冲击波速度关联，基于能够直接测量到的冲击波速度、渡越时间及冲击波边侧稀疏轨迹数据，得到波后体声速。
本发明具有如下的优点和有益效果：
1、本发明提出的透明介质主冲击绝热线上体声速的连续测量系统及方法，该系统及方法能够在透明介质中形成强冲击加载，可在一次实验过程中获得透明介质超高压段主冲击绝热线上体声速的连续变化，克服了现有声速测量一次实验仅能测量冲击绝热线上的一个状态点的缺陷，当然本发明不仅能够实现把实验冲击波经历的状态对应的声速一次测完，也可以只测量某一个状态点；
2、本发明提出的连续测量系统及方法，利用强冲击对探测激光的反射特性和成像系统对反射面面型的敏感性，同时记录获得冲击波面的速度历史和侧向稀疏边界的空间轨迹，将波后体声速与冲击波速度关联起来，能够快速准确测量得到波后体声速，降低了对加载条件的严苛限制，充分利用了成像系统的空间信息，实现超高压冲击声速测量；
3、本发明实现的声速的连续测量与多次冲击实验测量，其相对精度大大提高，对于敏感区响应远胜于多次冲击实验，比如相变点的探测，大大提高了声速测量精度。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明的第一实施例的测量系统结构图。
图2为本发明的第二实施例的测量系统结构图。
图3为本发明的第三实施例的测量系统结构图。
图4为本发明的冲击波边侧稀疏轨迹图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
如图1所示，透明介质主冲击绝热线上体声速的连续测量系统，该系统包括加载机构、基板、待测样品和线成像诊断系统，本实施例中所述线成像诊断系统采用线成像激光速度干涉仪(线成像visar)；
本实施例中，所述加载机构为高功率激光直接辐照烧蚀层产生冲击波进入基板，产生tpa压力下沿主冲击绝热线的非定常冲击波，实现横向平面一维加载；沿非定常冲击波传播方向依次设置有基板、待测样品和线成像诊断系统；所述待测样品为透明薄片，所述透明薄片紧贴在基板上，其侧面为自由面并垂直于基板，且所述侧面位于所述线成像诊断系统的视场内；
非定常冲击波到达基板表面的时刻对应冲击波进入样品的时刻，所述线成像诊断系统开始记录冲击波开始进入样品到冲击波离开样品过程的时间、速度和平面冲击波反射边界轨迹数据，数据进行处理后得到冲击波后声速和冲击波速度的关系。
样品为透明薄片，如图1所示，紧贴在基板上，其侧面为自由面并垂直于基板，安装时要保证样品的这个垂直侧面位于所述线成像诊断系统的视场内。这样当冲击波到达基板表面时可以在线成像诊断系统中给出该时刻的数据，同时这个时刻对应于冲击波进入样品的时刻，也就是边侧稀疏波开始进入的时刻。冲击波进入样品以后，由于波后介质处于稠密等离子体状态，线成像诊断系统发出的探测光在波阵面被反射回诊断系统，引起条纹偏移，给出冲击波速度信息。于此同时，对靠近侧面的冲击波开始弯曲，当弯曲角度过大，使得反射光与光轴的夹角大于成像系统的接收角时，弯曲面的反射信号丢失，在像面呈现为暗区，随着稀疏波逐渐向平面区内部传播，测量得到的高亮度反射区逐渐变小，这个高亮区域边界即为冲击波边侧稀疏轨迹，如图4所示。
图1中的给出了波后的速度矢量图，弱扰动的传播以扰动源为圆心，向周围成圆形传播，传播过程中有随体速度up，以updt的顶端为圆心，以cbdt为半径画圆，圆周与dt时刻的冲击波面的交点即为冲击波面发生弯曲的起始点，起始点到新的弯曲点的连线(即冲击波边侧稀疏轨迹的切线)与冲击波传播方向的夹角为α，满足如下关系：
式中us为实际测量的冲击波速度，根据文献资料给出相应的up。最重要的测量参数就是时间相关的α(t)的测量，实际上更准确的说法是α(us)。实验中直接测量的变量为us(t)和边侧稀疏边界y(t)，通过数据处理得到高压声速cb。
本实施例中，所述线成像诊断系统包括干涉测速系统和非干涉回光亮度测量系统；这样系统记录的结果中就可以看到一个光滑的亮暗边界，不再有条纹的影响。
实施例2
本实施例2与实施例1的区别在于，所述加载机构为高速飞片，飞片撞击基板，在基板中形成冲击波。如图2所示。
实施例3
本实施例3与实施例1的区别在于，所述加载机构1为高功率激光在重金属空腔内诱导产生的x射线辐照烧蚀层，产生冲击波进入基板；另外，由于重金属空腔内辐射温度较高，会对基板和待测样品产生明显的预热效应，为此在基板内引入高z元素作为隔离层，本实施例中采用隔离层-基层这种结构作为基板，且隔离层设置在面向加载机构的基层面上，本实施例中隔离层采用重金属元素制成，基层采用铝制成，其作用包括两部分：其一，可在很大程度上消除x射线和电子对基板和样品产生的预热效应；其二，烧蚀冲击波经过基板进入样品时，波形已经从烧蚀面的准梯形转变成三角波，也就是进入样品后的冲击波几乎看不到平台区，大大提高了测试精度。如图3所示。
实施例4
基于上述实施例所述的连续测量系统，本发明还提出了一种透明介质主冲击绝热线上体声速的连续测量方法，该方法包括以下步骤：
1)测量系统安装：按照上述连续测量系统进行测量设备安装布局，安装时，待测样品紧贴在基板上，其侧面为自由面并垂直于基板，保证待测样品的这个垂直侧面位于线成像诊断系统视场内，样品区的视场边界到垂直侧面的距离大于样品厚度的1.5倍；
2)连续测量：加载机构产生横向均匀的平面一维加载冲击波，冲击波通过基板进入待测样品，由线成像系统记录冲击波开始进入待测样品至冲击波离开待测样品过程的冲击波速度、渡越时间、及侧向稀疏产生的平面冲击波边界的空间轨迹；
3)数据处理：通过将波后体声速与冲击波速度关联，基于能够直接测量到的冲击波速度、渡越时间及冲击波边侧稀疏轨迹数据，得到波后体声速。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。