Marcus D. Knudson (1998–Present105)

Several events occurred in the late 1990s, as I was finishing up graduate studies in Shock Physics at the Institute for Shock Physics at Washington State University, which ultimately guided my choice to start my career at Sandia. First, Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) published a paper in Science on the land- mark experiments that had recently been performed on deuterium at the Nova laser facility. Second, somewhat prompted by the success of the dynamic compression work at Nova, Don Cook, who at that time was the Director of the Pulsed Power Sciences Center at Sandia, convinced Jim Asay to evaluate the potential of perform- ing meaningful dynamic compression experiments at the Sandia Z accelerator. Third, the Department of Energy established the Science-Based Stockpile Stewardship Program, necessitating national investment in such scientific fields as dynamic compression, which put me in the enviable position of being able to choose a career at any of the three national security laboratories. All three were attractive for their own reasons. Los Alamos National Laboratory (LANL) was probably con- sidered the strongest “pure” shock physics effort, with its long history of a solid, gas gun-based experimental program on metals and energetic materials. LLNL was probably considered the “sexy” shock physics effort, with the emerging laser-driven shock program. Sandia was probably the most unorthodox of the three, having recently all but closed down their gas gun facility and being in the throes of trying to establish a high energy density shock physics program at the Z facility. I ulti- mately chose to join Sandia, to work with an incredible mentor in Jim Asay, and to have the unique opportunity to enter on the ground floor of what turned out to be an incredibly successful and rewarding endeavor. Needless to say, I have never regret- ted that decision.

When I first arrived at Sandia, in November 1998, the shock physics program at the Sandia Z accelerator was truly in its infancy. The team consisted of Jim Asay, Clint Hall, myself, and a few technicians. We had at our disposal a single continuous wave (CW) laser and three channels of VISAR for diagnostics. Experiments were being done in a “ride-along” mode; we had to beg and convince other experimentalists in the inertial confinement fusion (ICF) program to allow us to hang secondary hohlraums off the side of the return current cans in their wire-array experiments. In hindsight, this type of effort was doomed from the start. We know now the futility of trying to use the about 5-ns x-ray radiation burst from imploding z pinches to drive meaningful dynamic compression experiments. But back then we had to learn the hard way.

The Z accelerator was designed to perform pulse compression. Energy is stored in 36 Marx bank capacitors at the perimeter of the about 110-ft-diameter by 20-ft-tall tank of transmission oil and water. This energy is released and transmitted to the cen- ter of the accelerator via transmission lines with laser-triggered gas switches and self- breaking water switches, each designed to compress the discharge successively to a

¹⁰⁵As of this writing, Marcus Knudson continues shock wave research on Z.

roughly 100-ns, 10–20 MA current pulse. The wire array is itself a final stage of pulse compression, which uses the current pulse to vaporize a cylindrical array of wires and implode them on axis, producing a roughly 5-ns burst of intense x-ray radiation. This x-ray radiation could then be used to drive large amplitude shock waves ablatively into materials of interest, in much the same way as intense laser radiation. Given the hohl- raum temperatures that had been achieved at that time, we had expected to be able to attain approximately 5-Mbar pressures through x-ray ablation.

However, the z-pinch load on the Z accelerator proved to be at least one too many stages of pulse compression. We had felt that the resulting x-ray burst was insuffi- cient as a source for dynamic compression. Rather, we desired a source capable of producing steady shock waves for durations of several tens of ns. We therefore spent nearly a year investigating the use of low-density, carbon-based foams (such as TPX^reg;106) as a way of “conditioning” the radiation that reached a sample, such that the resulting radiation and foam tamper would support a significantly longer, steady shock. These efforts, while somewhat promising, ultimately proved to be inefficient and were unsuccessful. We were unable to produce any results that warranted publication.

Meanwhile, there was an interest from Rick Spielman, a pulsed power scientist who was very influential in the design of the Z accelerator, to use our VISAR capa- bilities to try to measure current density near the experimental load. The idea being that at small enough radii, the current density becomes large enough that apprecia- ble conductor motion occurs during the discharge of the pulse that would be detectable using VISAR techniques. Jim Asay and Clint Hall were successful in demonstrating this type of load current measurement. As the temporal profile of the magnetic pressure mimicked that of the current pulse, the resulting electrode velocity exhibited a beautifully smooth acceleration indicative of a smooth ramp compression wave. Jim Asay was quick to identify the significance of this, and the use of pulsed power to perform a magnetically-driven isentropic (or quasi-isentropic) compression experiment—more commonly known as “ICE”—was born.

Early on it was recognized that Sandia would need to partner with one of the two weapon physics labs to accelerate the growth of this new dynamic compression capability. A relationship was struck with Art Toor, Bob Cauble, and David Reisman of LLNL. Irsquo;ll assume that more detail of this partnership can be found in the recol- lections of Jim Asay and Cli

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Marcus D. Knudson

（1998-目前^[1]）

20世纪90年代后期发生了几件事，当时我正在华盛顿州立大学冲击物理研究所完成冲击物理专业的研究生课程，最终指导我选择在桑迪亚国家实验室开始我的职业生涯。首先，劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）发表了一篇关于最近在Nova激光装置上对氘进行的陆标实验的科学论文。其次，在Nova动态压缩工作取得成功的推动下，当时担任桑迪亚脉冲功率科学中心主任的Don Cook说服Jim Asay评估在以下情况下使用桑迪亚国家实验室Z加速器进行有意义动态压缩实验的可能性。第三，能源部建立了基于科学的库存管理计划，需要在动态压缩等科学领域进行国家投资，这使我处于能够在三个国家安全实验室中任何一个实验室选择职业，这是令人羡慕的，这三个国家安全实验室都因其自身原因而具有吸引力。大家可能认为洛斯阿拉莫斯国家实验室（LANL）是最强大的“纯粹”冲击物理学工作，其悠久的历史是基于关于金属和高能材料的固态、气体炮实验项目；大家可能认为LLNL是“性感”的冲击物理工作，新兴的激光驱动冲击计划；桑迪亚国家实验室可能是三者中最不正统的，最近只有关闭了他们的气体炮装置，并且正试图在Z装置上建立高能量密度冲击物理项目。我最终选择加入桑迪亚国家实验室，与Jim Asay这样一位令人难以置信的导师合作，并有机会进入底层，这是一次非常成功和有益的尝试。不用说，我从来没有后悔这个决定。

1998年11月，当我第一次到达桑迪亚国家实验室时，桑迪亚国家实验室Z加速器上的冲击物理学项目真正处于起步阶段，该团队由Jim Asay、Clint Hall、我和一些技术人员组成，我们可以使用单个连续波（CW）激光器和三个VISAR通道进行诊断，实验都是以顺带模式完成的；我们必须在惯性约束聚变（ICF）项目乞求并说服其他实验主义人士，让我们在其线阵实验中将二级空腔悬挂在返回电流罐的一侧。事后看来，这种努力从一开始就注定要失败，我们目前知道尝试使用大约5纳秒X射线辐射爆炸来驱动有意义的动态压缩实验是徒劳的，但那时我们必须学习艰难的方法。

Z加速器设计用于执行脉冲压缩，能量储存在36 Marx电容器组中，位于直径约110英尺、高20英尺的传动油和水箱的周边，这种能量通过带有激光触发气体开关和自断水开关的传输线传输到加速器中心，并从加速器中心释放，每个开关设计用于将放电连续压缩到大约100纳秒10-20兆安的电流脉冲，线阵本身是脉冲压缩的最后一级，其使用电流脉冲来蒸发圆柱形线阵列，并将其内插在轴上，产生大约5纳秒的强烈X射线辐射。然后该X射线辐射可以用于将大振幅冲击波烧蚀成感兴趣的材料，其方式与强激光辐射非常相似。考虑到当时已经达到的温度，我们原本预计能够通过X射线烧蚀获得大约5兆巴的压力。

然而，Z加速器上的z箍缩负载证明至少是一个许多级的脉冲压缩。我们已经感觉到由此产生的X射线爆发作为动态压缩的来源是不充分的。相反，我们需要能够产生持续数十纳秒的稳定冲击波源。因此，我们花了将近一年的时间，研究使用低密度碳基泡沫（如TPX^reg;[2]），作为调节到达样品的辐射的一种方法，这样产生的辐射和泡沫干预将显著支持更长、更稳定的冲击，这些努力尽管有些充满希望，但最终证明效率低下且不成功，我们无法提供任何保证发布的结果。

同时，Rick Spielman作为对Z加速器设计非常有影响力的一位脉冲功率科学家，有兴趣使用我们的VISAR功能，来测量实验负载附近的电流密度。该想法是在足够小的半径处，电流密度变得足够大，在使用VISAR技术可检测的脉冲放电期间，使得发生可感知的导体运动。Jim Asay和Clint Hall成功地验证了这种类型的负载电流测量，由于磁压的时间分布模拟了电流脉冲的时间分布，所得到的电极速度表明指示平滑斜坡压缩波精美平滑的加速度。Jim Asay迅速确定了这一点的重要性，并且使用脉冲功率来进行磁驱动等熵（或准等熵）压缩实验，通常称为“ICE”，这ICE诞生了。

早期人们认识到桑迪亚国家实验室需要与两个武器物理实验室中的一个合作，以加速开发这种新的动态压缩能力，与LLNL的Art Toor、Bob Cauble和David Reisman发生了关系，我认为在Jim Asay和Clint Hall的回忆中可以找到更多关于这种伙伴关系的详细介绍。我只想总结一下，通过这种合作关系，在开发模块化同轴短路负载取得了重大进展，以在Z加速器上进行斜坡压缩实验。

下一个重大突破发生在1999年美国华盛顿州西雅图等离子体物理学会的美国物理学会会议期间，Jim Asay、Clint Hall和我在西雅图威斯汀酒店的大堂酒吧，讨论了这些类型的实验传递给电极的脉冲量级。包络计算的背面表明，脉冲足以发射相对较薄的阳极板，厚度约为1毫米，速度大大超过10公里/秒。那天晚上，我运行了一些简单的流体动力学代码模拟，结果非常令人鼓舞。从那次会议回来后，我们立即开始计划在Z上进行专门的实验，来测试这个新概念。鉴于为Z实验设计和制造硬件大约需要3到4个月，要到2000年春天才会进行第一次实验。

与此同时，我们在2000年Garwin评论中介绍了在Z上磁性加速飞板的想法，这是桑迪亚国家实验室的脉冲功率项目的一个年度外部综述，我介绍了我们2天审查的第一天计划，我永远不会忘记David Reisman的回应，他正在参加会议，第二天介绍ICE平台的进展情况，他对我们提出的想法很感兴趣，我们介绍了这样的想法，那天晚上他在酒店房间里进行了几次MACH 2计算，包括完全磁流体动力学。他得出的结论是，这是一个好主意，但不幸的是它永远不会奏效。MACH 2计算表明，无论初始电极有多厚，磁场扩散都非常严重，以至于磁场在达到最终速度之前会烧穿磁板，因此磁板会在冲击之前蒸发。

几周后，我们进行了计划的实验。鉴于我们当时只有几个VISAR通道，我们必须依赖于冲击突破测量，这些是有效的反射率测量，其中在冲击波到达自由表面时发生突然损失反射率，以在楔形目标中获得若干通过时间测量结果，以推断冲击速度。我仍然记得在第一个飞板实验实验的晚上坐在家里分析数据，因为我绘制了突破时间与距离的关系，所以我的双手真的很颤抖。请注意，尽管进行了MACH 2模拟，数据表明在冲击时该板的很大一部分仍处于全密度，这意味着模拟中的扩散速率太高，这标志着Z上磁加速飞板平台的诞生。

同时，Mike Desjarlais开始探索使用相对较新的量子分子动力学（QMD）计算能力，来研究温致密物质和等离子体状态的状态方程和传输特性。在每个时间步长，QMD使用量子力学来求解特定离子配置的电子密度，然后使用经典力学来计算离子的力和位移，足够长的模拟时间重复该过程，以实现稳态。Mike Desjarlais率先使用Kubo-Greenwood公式和QMD来计算凝聚态物质系统的电导率，从铝开始。利用这些技术，他发现广泛使用的Lee-More-Desjarlais电导率模型预测电导率，刚好高于熔化温度下约低为20％。在模拟飞板过程中，这样导致与实验相比过快的扩散速率。相反，他的修正电导率模型与QMD电导率相符合，发现实验与模拟之间非常吻合。

Ray Lemke已经开始使用ALEGRA的磁流体动力学（MHD）能力从模拟角度解决这个问题，通过分析实验结果，他独立地确定了可用电导率模型的不足，他与Mike Desjarlais合作改进了ALEGRA的电导率模型，并开始利用ALEGRA开发真正具有预测性、自洽性、二维（2-D）模拟能力，到今天ALEGRA是实验设计和分析的主力。对该模拟能力是不可缺的是加速器整个真空部分的电路模型，该电路的元件使用2-D ALEGRA模拟，该电路可由戴维宁等效电压驱动，以表示绝缘体堆叠处的电压。这种模型使人们能够准确地预测任意短路负载的性能，同时适当地考虑负载变形的影响以及电感对输送到负载的电流的增加，该电路模型另一个是不可缺的组成部分是包含Z电流损耗和最终短路，该短路发生在短路负载的上游。

这种设计能力用于开发标准同轴飞板载荷，过去几年广泛使用此类载荷，矩形几何结构具有偏移阴极设计，导致两个阳极飞板达到不同的终端速度，从而使得能够一个Z实验在两种不同的压力状态下获得Hugoniot数据。此外，大约30毫米高的飞板允许在每个面板上安装多个目标（通常最多五个目标）。通过改变阴极厚度和机器充电电压，可以实现约7-32公里/秒的飞板速度。后来，使用带状线配置（如下所述），我们能够以46公里/秒的速度发射铝制飞板，速度超过100,000英里/小时。

已证明飞板技术是非常富有成效的，已经解决了几个具有科学意义的问题，其中最值得注意的可能是液体氘的高压响应，这是使用飞板技术发表的第一组实验数据，更重要的是，这些结果解决了围绕氘高压响应的争议。另一个值得注意的结果是发现铍以比以前想象高得多的压力保留在hcp（六方密堆积）相中。实际上，基于纵向弹性声速的相对大小，铍直接从hcp相熔化或经历hcp-bcc（体心立方）相变，其压力刚好低于Hugoniot上的熔化压力。Z的飞板数据还提供了沿着金刚石Hugoniot存在金刚石-bc8-液体三相点的证据，使用Z广泛研究了石英，并且确定石英的Hugoniot响应比以前认为的更硬，鉴于石英已经成为多兆巴Hugoniot实验中广泛使用的标准，这是非常重要的。最近，飞板技术用于证明行星模型中水常用的两种不同状态方程压缩性太大。最后，飞板技术已用于获得几种低温流体（包括氙、氪、乙烷和氪和乙烷混合物）的Hugoniot数据。

由Ray Lemke开发的Z真空部分电路模型还广泛用于ICE负载的设计，通过主要由Jean-Paul Davis领导的工作，开发了一种非常强大的ICE实验设计方法，该方法依赖于实验、理论和模拟之间的强大协同作用。

简言之，与DAKOTA优化程序耦合的一维（1-D）ALEGRA MHD模拟，用于确定阳极-阴极排列、电极厚度、样品厚度和时间相关的磁场，这些是在感兴趣的样本的后面产生所需速度波形的所需要的，然后使用2-D ALEGRA MHD模拟的结果，2-D ALEGRA MHD模拟提供电感以及与电流密度与磁场相关比例因子的变化，以将磁场波形转换为期望的负载电流脉冲，并且在考虑电流损耗之后，达到所需的机器电流脉冲。然后使用称为Bertha的加速器传输线模型，识别需要产生所需电流的机器配置（水开关设置、充电电压和激光触发气体开关定时），该方法反复地用于设计Z上的斜坡压缩实验。

斜坡压缩实验的另一个重要进步是带状线几何形状的发展。在2006年时间框架，升级Z的前一年，我们探索通过磁力压缩可以实现的峰值应力。为此，我们系统地减小了矩形阴极柱的尺寸以及负载处阳极和阴极之间的间隙，得到的负载尺寸是9times;毫米阴极（阳极盒：17 x 4毫米），留下1mm间隙。很快就确定，由于阳极箱内阴极杆不可实现的对准要求，这种负载的效用将受到影响，可以大致认为同轴负载几何结构是并联的两个电感器，未对准导致电感差异，这进一步引起两个面板之间的功率分配不均匀，不均匀的功率分布引起较高的初始电流密度，并因此导致较小的阳极-阴极间隙侧的磁压，其表现为速度波形之间具有明显的时间偏移。

我们关闭Z装置大约一年，升级Z装置，以评估对准要求，以便在多兆巴应力下实现高精度ICE射击。早在很明显，在Z等装置上几乎不可能达到所需的对准保真度。Jean-Paul Davis的仔细分析表明，阳极和阴极之间的间隙需要均匀到大致内部沿整个负载约5微米/30毫米长度，以确保磁压均匀。那时我们开始考虑替代方案，受桑迪亚国家实验室小型脉冲发生器Veloce负载几何形状的影响，我们开始采用带状线设计，原则上可以将其视为同轴负载，其中移除了三块阳极板，剩下的是双面板布置，其中阴极面板通过阳极板中的开口露出，并且与阳极面板相对，在阳极和阴极面板的顶部之其间具有单个间具有短路间隔物，这种布置允许样品直接彼此相对安装，一个在阳极上，一个在阴极上，阳极-阴极间隙，这样确保了两个样品都经历相同的磁场历史。

带状线几何形状降低了对准要求；然而，这样也引起了一些技术上的复杂性，需要一些时间来解决。与完全包含封闭阳极结构内磁场的同轴几何形状不同，带状线几何形状允许磁场包围面板和样品周围的区域。因此，我们必须采用易于处理的方法来保护样品和光纤电缆，用于VISAR诊断。我们通过用金属完全覆盖面板背面来保护样品，有效地构建法拉第笼以消除磁场。事实证明，光纤问题更加困难，需要经过数十次发射的多次迭代才能得到一个坚固的探头组件，我们称之为音叉设计。此外，我们学到了很难的方法，即使光纤被自行车制动电缆包住，阴极探头电缆必须从上阳极板抬高几英尺，否则在电流脉冲期间光纤会在几百纳秒内失去传输功能。

与无约束磁场相关的第二个复杂因素是电流密度梯度，因此压力梯度沿带状线板的长度。Dave Seidel等人帮助我们对负载地质的EMPHASIS进行了计算，以识别并且消除这个问题，梯度的主要来源是从磁绝缘传输线径向馈电到负载处垂直馈电的过渡。由于磁场在该区域中不受约束，因此在阴极板的侧面和背面上产生显著的电流流动，电流密度沿着带状线的长度变得更低。通过采用在短路附近加宽的锥形面板的方式，减轻了带状线几何形状的这一方面，通过EMPHASIS计算确定了精确的锥度。通过实验已经给出锥形，以减少带状线设计中的梯度。

同轴和带状线几何结构均已用于获得各种材料有价值的斜坡压缩和材料强度数据。也许最值得注意的斜坡压缩数据是针对钽得到的。在Z重新投入使用的同一年，我们的任务是达到1级里程碑，对钽进行斜坡压缩实验，达到4兆巴。在相对较短的时间内，我们能够在Z上重新建立短路实验，使用带状线几何开始实验，解决与带状线相关的诊断问题，并将Bertha模型建立到足够高的保真度。产生无冲击压缩钽至4兆巴。另一项值得注意的研究包括相当全面地研究L

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