Michael P. Desjarlais (1986–Present57)

Editorsrsquo; comments: Mike Desjarlais led the theoretical development of ab initio quantum molecular dynamics (QMD) theories to describe the experimental Hugoniot and ramp loading data obtained at ultrahigh shock pressures on the Z accelerator. Desjarlais made a major contribution to the experimental program by using these theories to show that the conductivity of aluminum at high pressures and temperatures was considerably higher than predicted by existing theories. This groundbreaking discovery showed that near-ambient temperature, magnetically- driven flyer plates are obtained with the current-generating capability of Z and have established the credibility of ultrahigh shock wave measurements on Z. In a note to Jim Asay, Desjarlais provided the following annotated discussion of five papers involving the progress of applying QMD analysis to experimental high-pressure equation of state studies.

Five key papers summarize the development of ab initio theories for describing high-pressure equation of state data obtained on the Z accelerator:

1. M.P. Desjarlais, J.D. Kress, and L.A. Collins, “Electrical conductivity for warm, dense aluminum plasmas and liquids,” Physical Review E 66, 025401 (2002).

The Physical Review E paper established the power of using QMD simulations to create accurate conductivity models for materials away from ambient. The first application in shock wave research was to the aluminum conductivity, needed for modeling the flyer plates. This advance was essential to doing predictive design simulations and, as an immediate consequence, rapidly advanced the pace of data accumulation by permitting much more accurate pre-shot design.

1. M.P. Desjarlais, “Density-functional calculations of the liquid deuterium Hugoniot, reshock, and reverberation timing,” Physical Review B 68, 064204 (2003).

The deuterium Physical Review B paper was the first application in our shock physics research to equation of state properties. While others had performed QMD simulations previous to my work, they had failed to establish agreement with the gas gun Hugoniot data that were widely accepted as accurate. In this paper, I dem- onstrated that the convergence of both energy and stress was essential to getting good Hugoniot results and that prior work had not met the stricter requirements for converging the stress. I also included zero point corrections for the reference state,

⁵⁷ Editorsrsquo; note: Upon joining Sandia, Mike was initially involved in the ion beam program. When that ended in 1996, he began development of better conductivity models in support of the z-pinch program, which led to the development of ab initio tools and better conductivity models. As of this writing, he is continuing ab initio studies of high-pressure equation of state properties. Mike became a Distinguished Member of Technical Staff in 1996 and was promoted to Senior Scientist in 2011.

another contribution that earlier work had neglected. This research gave good agree- ment with both the gas gun data and the data from Z and did not agree with the high compression ratio results from the Nova laser at Lawrence Livermore National Laboratory.

1. M.D. Knudson, M.P. Desjarlais, and D.H. Dolan, “Shock-wave exploration of the high-pressure phases of carbon,” Science 322, pp. 1822–1825 (2008).

The diamond Science paper demonstrated just how powerful the QMD work could be in helping to interpret data, provided the data quality was high, as it is in Marcus Knudsonrsquo;s Z work. The subtle changes in U_s-u_p as the Hugoniot traverses the diamond-liquid-bc8 coexistence region were predicted by the QMD calcula- tions, observed in the data, and gave convincing evidence for the diamond-liquid- bc8 triple point and the first experimental evidence for bc8 in carbon. The QMD work also allowed us to construct that now famous plot (thanks to Prof. Yogi Gupta of Washington State University) of the 3-D Hugoniot coexistence landscape.

1. M.D. Knudson and M.P. Desjarlais, “Shock compression of quartz to 1.6 TPa: Redefining a pressure standard,” Physical Review Letters 103, 225501 (2009).

The quartz Physical Review Letters paper shows once again the very good agree- ment between the experiments and the QMD calculations. The QMD work provided the explanation for the nonlinear U_s-u_p relation through the observation of an extended dissociation regime and the corresponding consequences for the specific heat. This, in turn, helped motivate the Hugoniot fit.

1. M.D. Knudson, M.P. Desjarlais, R.W. Lemke, and T.R. Mattsson, “Probing the interiors of the ice giants: Shock compression of water to 700 GPa and 3.8 g/cc,” Physical Review Letters 108, 091102 (2012).

The water Physical Review Letters paper made extensive use of our ability to calculate accurate release isentropes with the QMD, which is essential to getting accurate impedance matching results for low impedance materials. Note that the equation of state data from Z compares well with predictions of the University of Rostock (Germany) group that has, through collaboration with Sandia, adopted our QMD methods.

George E. Duvall58

A Tribute by the Editors

Several universities were instrumental in making major contributions to the shock wave program at Sandia National Laboratories, but without a doubt the shock phys- ics program at Washington State University (WSU) under Prof. George E. Duvallrsquo;s leadership is unsurpassed. Prof. Duvall trained and mentored a large number of graduate students in shock wave research, and many we

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Michael P. Desjarlais

（1986-目前^[1]）

编者注：Mike Desjarlais领导了从头计算分子动力学（QMD）的理论开发，以描述在Z加速器上超高冲击压力下获得的实验Hugoniot和斜坡加载数据。Desjarla对实验项目做出了重大贡献，通过使用这些理论表明，在高压和高温下铝的电导率远高于现有理论所预测的结果。这一突破性的发现表明，使用Z的产生电流能力，得到了接近环境温度的磁驱动飞板，并确立了Z上超高冲击波测量的可信度。在对于Jim Asay的一个注释中，Desjarlais提供了以下注释，讨论了五篇论文，涉及将QMD分析应用于实验高压状态方程研究的进展。

五篇关键论文总结了从头计算理论的发展，用于描述在Z加速器上获得的高压状态方程数据：

1. M. P. Desjarlais，J. D. Kress和L. A. Collins，温致密铝等离子体和液体的导电性，物理学评论E 66，025401（2002）

该物理学评论E论文建立了使用QMD模拟的能力，为远离环境的材料建立精确电导率模型。冲击波研究的第一个应用是对建模飞板所需的铝电导率，这一进展对于进行预测性设计模拟是至关重要的，作为直接后果，通过允许更准确的预拍设计，快速推进数据积累的步伐。

2. M. P. Desjarlais，液体氘Hugoniot、再冲击和混响时间的密度函数计算，物理学评论B 68，064204（2003）

该氘物理学评论B论文是我们在冲击物理研究中首次使用状态方程特性。虽然其他人在我的工作之前进行了QMD模拟，但他们未能与广泛接受为准确气体炮Hugoniot数据相吻合。在本文中，我证明能量和压力的收敛对于获得良好的Hugoniot结果是必不可少的，并且先前的工作没有达到收敛压力的更严格要求。我还包括参考状态的零点校正，这是早期工作忽略的另一个贡献。该研究表面气体炮数据和Z的数据与劳伦斯利弗莫尔国家实验室Nova激光器的高压缩比结果不吻合。

3. M. D. Knudson，M. P. Desjarlais和D. H. Dolan，碳高压相的冲击冲击波探测，科学，第322卷，页面：1822-1825（2008）

金刚石科学论文证明了QMD工作在帮助解释数据方面有多么强大，只要数据质量很高，就像Marcus Knudson的Z工作一样。随着Hugoniot跨过金刚石-液体-bc8共存区域，可以通过QMD计算预测U_s-u_p的细微变化，数据中观察到QMD，对于金刚石-液体-bc8的三相点和碳中bc8的首次实验给出了令人信服的证据。QMD工作还使我们能够构建关于3-D共存场景的Hugoniot目前着名图（感谢华盛顿州立大学的Yogi Gupta教授）。

4. M. D. Knudson和M. P. Desjarlais，冲击压缩石英到1.6TPa：重新定义压力标准，物理学评论快报，第103卷，225501（2009）

该石英物理学评论快报论文再次表明实验和QMD计算结果之间具有非常好的一致性，QMD工作通过观察扩展解离机制及其相应的比热结果，为非线性U_s-u_p关系提供了解释。反过来，这有助于促进Hugoniot拟合。

5. M. D. Knudson，M. P. Desjarlais，R. W. Lemke和T. R. Mattsson，探索冰巨物体的内部：冲击压缩水到700GPa和3.8克/立方厘米，物理学评论快报，第108卷，091102（2012）

该水物理学评论快报论文充分利用我们QMD计算准确释放等熵的能力，这对于低阻抗材料得到精确的阻抗匹配结果是至关重要的。请注意Z的状态方程数据与罗斯托克大学（德国）小组的预测结果相当，后者通过与桑迪亚国家实验室合作采用了我们的QMD方法。

George E. Duvall^[2]

编者的颂词

几所大学在为桑迪亚国家实验室的冲击波项目做出重大贡献方面发挥了重要作用，但毫无疑问，华盛顿州立大学（WSU）的冲击物理项目在George E. Duvall教授的领导下是无与伦比的，Duvall教授在冲击波研究中培养和指导了大量研究生，并且许多研究生继续在这一领域度过了辉煌的职业生涯。Duvall教授是一位先驱，许多人认为他是美国冲击压缩科学之父。

Duvall教授最初来自路易斯安那州，进入俄勒冈州立大学（OSU）攻读物理专业，但由于第二次世界大战1941年中断了他的研究，他在加利福尼亚大学花了4年时间研究水下声学，以支持战争。1945年，他回到俄勒冈州立大学完成物理学学士学位，然后加入麻省理工学院物理系，并于1948年获得博士学位。毕业后，他应聘到华盛顿里奇兰的通用电气公司，解决核反应堆问题。1953年，他加入了位于加利福尼亚州帕洛阿尔托的斯坦福研究所（SRI）的保尔特实验室，并于1962年成为实验室主任。他的领导确立了实验室在冲击和爆轰波传播理论知识方面的卓越表现。

在保尔特实验室任职期间，他结识了WSU物理系主任William Band教授。因此开始了他们之间持久的专业和个人友谊，结果Duvall教授于1964年成为WSU物理系的一名教师，他与Band教授在大学合作开展冲击波问题的理论研究，不久之后扩展到包括实验研究，这主要由于招聘了SRI的G. Richard（Dick）Fowles，这是冲击波研究的快速壮大时期。当时，桑迪亚国家实验室的Don Lundergan、Lynn Barker、Bob Graham等人开发的实验设施以及相应的诊断工具在该领域取得突破性进展。Duvall和Fowles教授与Don Lundergan进行了接触，Don Lundergan开发了桑迪亚国家实验室第一个的100毫米口径气体炮发射器，用于实验性冲击波研究。他们在WSU推动了类似装置的项目。到1968年，该装置命名为冲击动力学实验室，并通过各种仪器功能全面运作，该装置是许多研究生进行实验性冲击波研究的主要工具，其中包括一位编者和本书中回忆的几个贡献者。该装置仍在运行，具有相当大的扩展能力。

作为WSU物理系的一位教授，Duvall将他的智力集中在各种科学问题上，其中包括有关物质的状态方程、冲击波转换期间的热力学过程、与冲击诱导相变相关的物理机制和动力学效应、以及冲击压缩下的动态屈服。他对大量冲击波现象的深刻理解吸引了大量学生，结果在他大学24年任期内指导了超过25篇博士论文，他对冲击波物理学有着热情和激情，他具有简单而优雅的理论方法，这有助于培养学生对学科的科学认识。他向学生灌输了对这个主题的热情和奉献精神，正如他们后来的职业生涯所表现出来的那样。

由于他对冲击压缩科学的开创性贡献，Duvall教授在1989年获得了压缩科学奖，以表彰他对冲击波物理学的杰出贡献及其在冲击物理学界的教育和组织领导力。该奖项于1987年由凝聚态物质冲击压缩专题组的朋友们于1987年首次建立，每两年颁发一次。2007年该奖项更名为George E. Duvall冲击压缩科学奖，以他的名义命名。他以前的六位学生获得了该著名奖项，其中三位加入桑迪亚国家实验室，并为冲击波项目做出了贡献。

许多大学参与将桑迪亚国家实验室的冲击波研究提升到世界一流水平，但WSU的Duvall教授一直是桑迪亚国家实验室在该领域卓越的主要领导者和主要力量之一，他的十几名研究生参加了桑迪亚冲击波项目这些研究人员在各个专业领域中脱颖而出，包括：

1. 开发和应用流体动力学代码中的多相状态方程，以确定相变的动力学效应；

2. 为各种军事和科学应用开发广义碎裂理论；

3. 开发描述高压冲击波结构的通用关系；

4. 开发新方法，以确定兆巴压力水平下冲击材料的流动强度；

5. 开发前所未有的时间分辨光学记录干涉仪，能够研究冲击波结构并扩展到异质材料响应的研究；

6. 开发到兆巴压力的磁力产生斜波，这已成为冲击波领域数十年的目标；

7. 将磁力驱动飞板扩展到速度达几十公里/秒，这能够首次精确比较Hugoniot数据与从头计算状态方程理论。

这些成就对高压科学界产生了深远的影响。此外，Duvall教授的几名学生在桑迪亚国家实验室担当中级或高级管理职位，其中一名学生成为一家大型研究机构的总裁。

Duvall教授于2003年1月3日在华盛顿州温哥华逝世，享年83岁，留下了令人印象深刻的成就遗产。人们将长期铭记他的开创性研究，他对冲击波问题的专注方法有望通过他以前学生的研究得到扩展和发展。

其他一些大学教授也对桑迪亚国家实验室的冲击波研究产生了重大影响。尽管由于篇幅限制而不可能包括所有这些教授，但我们在这里特别提到一位教授，Y. M.（Yogi）Gupta教授通过扩大WSU的冲击压缩科学计划，并与DOE国家实验室（特别LANL、LLNL和SNL）建立更紧密的联系，继续了Duvall教授的领导，在支持桑迪亚国家实验室的整体冲击波计划和开发用于冲击波研究的Z脉冲功率加速器方面，他发挥了主导作用。在个人回忆以及通过参考书目中列出的联合出版物中，标出了为桑迪亚国家实验室冲击波项目做出贡献的其他教授，这些广泛的合作使桑迪亚国家实验室的冲击波研究成为今天的前期项目。

Michael D. Furnish

（1987-目前^[3]）

首先，这里是关于我如何进入冲击物理领域的内容。1982年，在康奈尔大学金刚石腔体中挤压橄榄石（实际上是整理课程）期间，我意识到自己在洛杉矶阿拉莫斯的家中过圣诞假期。我一直听说压力测量的冲击波标准，并认为更好地了解这方面知识是个好主意，因此我电话冲击波物理小组（M-6）的Bob McQueen，他说来吧到Ancho Canyon，他早上9点陪我进去，我天真地以为我们会谈一个小时左右。那天下午四点钟，我走出去，我的肚子仍然饿着，我的思想一片空白，John Shaner、Rob Hixson等人都挤在那里。

这使得我申请1984年夏天在洛斯阿拉莫斯国家实验室（LANL）工作，与华盛顿大学地球物理项目的新生Mike Brown合作，夏天之后与桑迪亚国家实验室Dennis Grady合作。我最后在Ancho Canyon两级炮上放了一套单晶橄榄石镜头，另一套单晶橄榄石镜头放在桑迪亚国家实验室STAR火药炮上，这些出现在我的论文以及地球物理研究杂志第四次美国物理学会（APS）凝聚态物质中冲击波专题会议的凝聚态物质冲击波论文集中。对于后者，我记得1985年在一个陌生的城市（斯波坎）我参加第一次APS会议，有人告诉我，我的父母并没有很好地教育孩子。Bob McQueen、Los Alamos冲击物理学先驱也是养犬教练。

从1985年末到1987年中期，我在大学里挤压金刚石腔体挤压各种材料，并与Mike Brown及其合作者作为博士后一起分析冲击数据。

1987年中期，我加入了桑迪亚国家实验室的Jim Asay小组，在STAR上使用火药炮两级炮，在Dennis Grady的带领下一段时间研究Mini Jade Two^[4]。那时，热机械和物理部门是实验冲击物理学小组，与Paul Yarrington的计算应用小组和Sam Thompson的计算机建模小组是兄弟部门。Sam的小组刚刚启动CTH项目，并涉足并行处理。这是一个非常好的设置，就像三脚架一样，在Lee Davison的总体领导下（反过来，在Walt Herrmann主任领导下）。而且在某些方面，它类似于在脉冲功率科学中心^[5]的动态材料特性部门最近建立Tom Mehlhorn和Mark Herrmann的小组一样。

在接下来的9年里，我对地质材料的研究发展了很多。使用STAR的气体炮，我们研究了各种灌浆、凝灰岩、石灰岩、花岗岩和类似材料。我向国防核机构（DNA）提供了相当多的支持，与现场指挥防御核机构和支持武器效应和地面冲击研究的许多承包商工厂合作，即RDALogicon公司、科学应用国际公司、系统公司、科学公司和软件公司等等。然后，我们的任务是对天然雪和地下测试中使用的雪模拟物进行气体炮研究。当你在很深度一片雪上方的空中放置设备时会发生什么？Jim Asay称这是“雪地工作”，我是主要研究人员。有一天我在部门办公室找到了一堆箱子，最上方的箱子有泡沫（模拟雪），第二个箱子有绝缘物体，第三个箱子具有类似低密度的东西。因此我轻轻地抓住了桌子上的箱子，第四个箱子有一块厚厚的钽。我没有提到我还与Dan Steinberg和Lalit Chhabildas一起对bcc（体心立方）金属进行冲击研究，看看其在加载和释放情况下的强度。我最近回到了这个主题（以及钢铁和bcc金属），更加意识到不稳定波的性质和速率依赖性。

我记得大约在1990年，我们会见了PBFA II（粒子束聚变加速器II）科学家，讨论使用桑迪亚国家实验室加速器进行动态材料研究的可能性。我们无法想出一种方法，来使用非常高的能量密度，达到我们想实现的目的，因此我们回到了我们正在做的事情。然而，种植了种子，近年来PBFA II（之后1997年重新命名并重新配置为Z）已经成为到极高压力动态材料研究的重要装置。

1993

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