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1、e 一7。板 镑 嘏，州 国 外激光靶 材料 及制 备工艺 简介 国外 激光 靶材料 及制 备工艺简介 崔保顺(西南接 物理 与化学 研究所)1 引 言 在惯性约束聚变(I C F)实验研究中，靶 的 制备和 驱动器、物理 诊 断一样，是 一 个不 可缺 少的研究课题。靶的研制工作的技术指标要求高，难度 大。它涉及多种学科领域，需要多种微工艺 的 密切配 合，必须建立一系列精度很高的仪 器 设 备，因此 美、俄、日、英 等国都 投入 相当 的 人 力、物 力从 事这项工作。激光聚 变靶分 为激 光 直接驱 动靶 和 间 接 驱动靶。其尺 寸和构型因实验 目的不同而 异。有关直接驱动靶 的制 备
2、工 艺，国外 已有 大量文献报导。但关于 间接驱动靶的拘 型及 其制备方法，目前 尚未 见文献报导。本文简单地叙述了国外球形激光聚变 靶 的构 型，几种靶 材和靶零 件的 制备及靶 参 数 的测 量方法。其 中某些技术 可作为制备间 接 驱动靶 的参 考，而 某些类 型 的球形 靶，还 可作 为间接 驱动靶腔体 内的靶丸。2 球 形 靶 的构型 和 制 备“。球 形靶通 常可分 为 简单 的爆 推靶、中 等 密度靶、科学上 得失 相当的靶 以及高增益 靶。其中后两者属复杂 的多层多壳靶。本文 将 以文 献中常见的多层靶构 型为例，介绍几 种靶材和制备技术。文 中所涉及 的制 备方法 也 同样适
3、 用于拘 型较 简单 的爆推 靶和 双壳 靶。66 1L 3 2 1 燃料及玻璃壳 在惯性约束聚变靶 中，燃料 可以是气 体、液 体 或 固体，可作 为 燃 料 的有 氘 氚、氘 氘、氢化珊、氘氚化锂 等。其 中较常用的 为氘 氚。一 中空玻璃 微球 目前充 氘氚气 体 的方 法 主要有两种：一种是渗透法 即在3 0 0 氘 氚 高压 恒温容器 中，将氘 氚渗透 到微球 内。另一种 是 注入法，它是 用 8 0 p s的激光 脉 冲 在靶壳 上钻 一个 2 d m的 徽孔，充入 氘氚 气 体或 诊断气体 后再 将徽孔堵 住。充气 系统中的 高压 氘氚气 体可 用 镧镍 合金化学床或钒化学床增压
4、，也可采用压缩 机 增压。实验 室生产专 供制靶 用 高质 量玻 璃微 球的方法有：液滴法和干凝胶法。液滴法是 将含玻 璃成份 水溶液 通过 微滴产 生器 形成 均匀的液滴，然后使液滴下落通过四个温区 的立式 炉，经过 一系列 的物理 化学 过程，形 成 中空玻璃 徽球 水 溶液 中玻璃 成份 的 含 量、液滴产 生器喷孔的大小以及振动频率 等 因素决定产生液滴的大小和生成玻璃微球 的 质量。立式炉 内各 区温度的分布、空气 流 的 流速、及微滴 的大 小决 定 微球的 直 径、壁 厚和 同心度。干凝胶法是首先将 含有玻璃 的 水 溶液烘干经 粉碎和 过筛后再投入炉 内，当 表 面熔化 时，密
5、封在 水合物 中的水份和发 泡 维普资讯 http:/ 国 外科技 资料 9 9 3年第 2期 剂分 解膨 胀，形成 中空玻 璃徽球。液滴法生 产 的玻 璃 馓 球 直 径 一 般 在 5 O 1 O m 之 间，干 凝胶 法 生 产的 馓球 一般 直 径为 5 0 7 0 0 m。目前俄 国 L e g e v e研究所采用类似 于干 凝 胶 的 方 法 可 生 产 直 径 为 0 12 0 ram，纵横 比(半 径 壁 厚)7 0 5 0 0较大 的 玻璃微球。为防止玻璃徽球风化，已生产的 徽球 需用 O I N的氟化铵 和 0 5 N的硝酸混 合液 及其它的有机溶剂洗涤，最后保存在盛 满
6、无 水乙醇的塑料瓶 中。出于某些特殊的诊断 目的，要求在靶中 除了氘氚燃 料气体外，还 要充少量的氲、氟、氖、氙等诊断气体。除氖外，上述气体都不能 用扩 散法充入玻璃球 内，如果在用液滴法生 产玻 璃徽球的炉 中充入要求的 诊断气体，则 形成 的玻璃壳内将含有这 种气 体。近年来 国外文 献大 量报 导 了塑料 微球 的制备工作。由于塑 料馓球其原子序数较玻 璃 低，以它作氘 氚燃 料容 器可大大减少超热 电子 的辐 射 预 热，使 燃 料 获得 较 高 的 压缩 比。同时，塑 料馓球 对爆聚产生 的软 x射线 较 易透过，有助 于燃 料核心的诊断和燃料瞬 时密度的测定。塑料馓球 的制 备方
7、法有：双 喷 咀液 滴法、喷 雾干燥 法以及 馓 封装 法 等。其中馓封装法较为 简便，已被广泛采用。该 法 制备塑料微球 时，首先要制备两种不同的 液相，一相是含少量表面活性剂(如 十二烷 基苯磺 酸钠)的水 相 w，另一相是 含有 聚 合 物不混溶于水的有机相(为聚苯 乙烯溶解在 二氯 甲烷中)O。在迅 速搅拌的条件下，将 w 倒 入 O中，形成 w o，然 后再将 w o乳液 加入 另一含大量表 面活性 剂的水中，井进一 步搅拌，则在 第二水相中形成悬浮在 水中封 装水的聚 合物薄层的分散 物(W O)W，加热 该水溶 液 使聚 合物 层 中有机溶剂 挥发 聚 合 物壳硬 化，过滤 回收
8、封 装水 的聚 合物球，在 低温下干燥 扩散 出球 内的水。该法 可生产 直 径 1 0 0 3 0 0 m壁 厚 1 一l 0 m 的塑料球 徽球 质 量和它 的几 何参数 与聚 合物 溶 液的 浓度、表面活性剂的类型与浓度、W O比、搅拌速度 及温度 有关。馓封装 法与其它方法 相 比，具有 耗资 少、设备简单、可大量生产的 优点。如 将该法适 当扩展，还 可用来制备多 壳层靶。但通常聚 合物对 氢同位素的渗透率 较高，因而 充氢后球 内气 体的 保存 半寿命较 短。2 2 高 Z高密度内推进层材料“”多层 靶中的高原 子序数、高 密度 层不仅 可作氘氚燃 料容器，还是 传递 内爆 能量的
9、推 进层及 防止超 热 电子对燃料预热的屏敝层 多层靶 的最内层 是镍 合金或玻璃徽球，其外 表面涂一 层金或沉积一层钨。也有 用铅玻 璃 作 高原 子 序数、高密度 中心 球的，这种 球 可 以用稍加 改进 的液 滴炉生产，具有 很好 的同 心度、壁厚均匀性和表面 光洁度。含约 5 O P b O t 的玻 璃球，氘 氚具有很 高的 渗透 率，可 用渗透法 充气。2 3 高 Z低密度外推进材 料“在科 学上得失相当的靶与高增益靶 中，高原子序 数低密度 材料作为外推进层。这种 材料的 密度接 近聚乙烯 而原子序数相 当高，如 T a C H O是在 聚 乙烯 中掺 以高 Z材 料钽，高 Z材
10、料 用作辐射屏 敝以防止燃 料预热。2 4 低 Z低密度缓冲层“为 了克服流体力学的不稳定性，同时使 内爆期 间壳碰撞时形成的冲击波减弱，在 外 推进层和 内推进层之问设置 一缓冲层。这一 层 用低 原子序数、低 密度均 匀 徽孔、均 匀蜂 窝 的材 料，其密度一 般为 0 0 5 g c m。微孔 泡 洙塑料(如葡 聚糖和 聚 四 甲基 1 一戊烯)或气体(如氮)可作为缓冲层材料。用气 体作 缓 冲层 材料主 要问胚 是必 须支撑 内推进 层 材 料，这将会 引起密 度的 不均匀 性，而 泡沫 容 易支撑 内推进层材料和定 圆心。6 7 维普资讯 http:/ 国 外激 光靶材 料及 制备工
11、 艺 简介 制备缓 冲层 泡 沫的 方法有：倒 相 法、高 内相 乳液法以及气凝胶 法等。其中用较 简便 的倒相 法制得 的泡 沫即 可满足 制靶工 作对 缓 冲层的要求。2 5 低 Z低密 度烧蚀层材料 烧蚀 层是激光聚变靶最 外层材料，涂敷 烧 蚀层 的 目的是为 了提 高对激 光能量 的吸 收 所 以烧蚀层 的也 称为吸收层。在科学上 得失相当的靶中，用 B e作烧 蚀层，这是 因为 B e的原子 序 数低(z=d)，密 度 合适(p=1 8 5 s c m )，在 常温 下是一种稳 定的 固体。目 前，已将 B e沉积在 半球 心轴上，然后加工成 半壳并溶去心轴，再装配成球形壳。在某些
12、 靶的设计中，要求在玻璃微球的外表面涂以 氟塑料或碳氢化 合物作 烧蚀层。最 常用的方 法是等离子体聚合分子束悬浮法，该法 在涂敷过程 中微球可作 无触点的随机运动，因此 沉积 的涂层均 匀，同心 度好，表 面光 洁 度也好。其缺点 是涂 敷过程，悬 浮的徽球难 以控 制。1 9 9 0年 日本 已用 Ar F激 态原子激 光 引发 的化学 蒸汽 沉积在 粘淀 气体(乙炔)漂浮的玻璃 徽球 上沉积碳氢化 合物烧蚀 层，它具有涂层 质量 好、易操 作和能涂敷较大微 球的优 点。2 6 低温 靶”目前报 导的低温靶有两种，一种是在充 氘 氚玻璃球 壳 内均匀 冷冻成 一层氘氚冰。另 一种是 液体氘
13、氚湿润 的泡 沫球形壳，液体氘 氚 既是燃料 又是烧蚀层。前者是首先将高压 氘 氚燃料气 体充 入空心球 壳内，在 冷冻小 室 内 5 K的 低 温 下，使 氘 氚 气 体 冷 冻 成 氘 氚 冰。该 小室充以低压 氨作为热交换气体。在 开始冷冻时由于重力和表面张 力的作用形 成 不均 匀 的氘 氚冰层，为使 冰层 均匀，荐 以 一个光脉 冲或热 脉冲聚焦在微球上，使氘氚 冰 层迅 速气化，再迅速 冷 冻，则在 球 壳的 内 表面形成一 层均 匀的 DT冰。但这种类 型 68 的低温 靶在 由气体 氘氚迅速 冷 冻成 固体 氘 氚冰时。必须 经过 液态，而重 力下垂时 间 与 经历 三相点传导
14、冷却时间相 比，重 力下垂时 间短，因而影响 氘氚 冰层的均 匀性。而用 液 体 氘氚饱 和的开 口 1小孔、小蜂窝 泡沫塑 料 壳，没 有污染 燃料 的高原 子 序数 元素，可抵 消由于液体重力下垂造成燃料层的不均匀 性，因此许 多国家都 开展了泡沫空心壳 的研 究。日本大 阪大学 已用双 喷嘴液滴产生器和 冷 冻一千 燥技术生产聚荦 乙烯 泡沫球壳，并 用这 种靶壳开展了装载液体燃料 壳 内燃 料 分布及其含量的研究。美 国 L L NL也对 液体 氘氚湿润的泡沫开展 了大量的 研究工作。他 们以很大的精 力研制均匀 徽孔、均 匀蜂 窝低 原子序数、低密 度泡沫材料。这种 泡沫 的密 度必
15、须是 0 0 5 g e m，微孔尺寸要小于 l m，蜂 窝尺 寸 要 小 于 m，而 且 必 须满 足 耐辐 射、密度 均 匀、加工性 能 好、液态 氘 氚 湿 润 率高以及最低含量的高原子序数污染物等 要求。在 已研制出的 聚乙烯(P E)、聚苯乙烯(P S)、醋 酸 纤维、二氧化 硅、以 及 间荦 二 酚 甲醛五种泡 沫中，以高 内相乳 胶液法制 得的聚苯 乙烯泡 沫可 基本 满足上述 要求。2 7 金属及塑料靶壳。”在多层及塑料靶的制备工艺中，往往需 要 制 备靶 壳，就其材 料而 言 除 玻璃 靶壳 外 主要有 金属 靶壳 和塑 料靶 壳。其形状可分为 球形 靶壳和 柱形 靶壳 等。
16、常 见的制备工艺主 要包括：加工所需形状(柱形 或半球形)和 尺寸的心轴。在心轴上均匀涂敷一定厚度 的所需金属或塑料涂层。加工已涂层心轴 的外表面至所需的形状和尺寸。溶掉心 轴，则成 自立半球壳或拄形壳。心轴的材料 通 常选 用无氧高导铜。为保证 靶壳具有精确 的尺寸和表面光洁度，心轴和涂层的加工要 求很高，美国 L L NL最先进 的加工 方法是 用 单点金刚石车床 加工，该车床具有 0 0 2 1J m 维普资讯 http:/ 国外 科技 资料 1 9 9 3年第 2期 和 2 5 m 两 种 金 刚 石刀 具，对 壁 厚 2 0 m 的靶壳，可 加工两 个 凸凹相 匹配 的金属或塑 料半
17、球壳 有关 心轴涂(镀)层 的方 法很 多，如物理 蒸 汽 沉积、溅 射、电镀、等 离子 体 聚合、热解 法等，采用的方法需视涂敷的材料、心轴材 料和形状 因素而定 为保证 涂(镀)层均匀，心轴最好 在涂 敷过程 中作随机运 动 随机运 动的方式有：静 电悬 浮、分子 束悬 浮、反弹盘 以及 电镀涂层用的多种使心轴随机运动的 镀槽 但较常用的是分 子束悬浮装置和 电镀 镀槽 由于 液滴 法生产 的玻 璃 微球具 有 较高 的球形度和表 面光 洁度，因此可用玻璃球作 母体 复制 半球 壳，以硅 胶 和 光刻 胶复 制 半 球，经涂 层、掩模和光刻、腐 蚀等途径制出可 匹配的金属半球壳 随着微 电
18、子工业 的发展，半导体工艺 已 应 用于 制 备微小 的激光 聚变 靶 全半 壳。此 外，半球壳 亦可 用球形 壳 加工制 造，如俄 国 b s e v e研究 所，采用 脉 冲式 紫外 氮激 光 器 将聚苯乙烯球切割成两个 半球 壳。2 8 靶 装配 0 在制 备工 艺中所 制得 的靶零 件经 鉴 定 合格后，最 后一环是装配。装配 工艺 视靶的 构型而定 对于简单的充 氘氚玻璃球壳爆 推靶，一 种方法是把它装配到玻璃纤 维杆 上“装 配 站”需要 的主要仪 器设 备是显微镜、真 空泵、微操作器和微真空夹盘。玻 璃球壳和玻璃纤 维 之间用胶粘接。采用 的胶 以固化时 间适 中 为 宜。对于较
19、复杂的靶(如多层多壳靶 或某些 构 型 复杂 的异形靶)，则需用 自动或半 自动 装 配台装配，以保证装 配的 同心度或其它要 求 的指标达 到设计精度 装配时，为 保证壳 层 之 间的 同心 度要求 或异形 靶腔 体 内的某 些零 件 处 于 规 定的 位置，要 求 使用 支 撑 材 料 支撑 材料 的选择，要依 据实验 目的而定。常 用 的 支 撑 材 料 有 玻 璃 纤 维(直 径 2 3 岬)，塑料薄膜(厚 o 3 0 5 m)以及泡沫 塑料 等 某些球 形多 层多壳 靶和 构 型复杂 的 异 形靶，是 由两个半球 对接 或 由多 个靶零件组 装再用胶 粘接 面成 图 l是一 种双壳激
20、 光靶 装 配示 意 图在 交接处难 免 产生一 定 的缝 隙，一种解决途径是用单点金 刚石 车床 在对 接刃处加 工成 凸凹匹配 的两 个部份。另一种 是将 巳装 配的靶再 涂一 层金属，以填补 对接 处所造成 的缝 隙 J D r-jt 4*翻 I 双 壳激 光靶 装配 示意圈 2 9靶 参 数 和 靶 球 内 气 体 含 量 测 量 为了对内爆实 验提供高质量的靶丸，必 须对每个靶丸每层表面作定量测量，需测量 的几 何参 数主 要 有：直 径、壁 厚、壁 厚 均 匀 性、同心度和表面光洁度等。采用 的仪器主 要是：测量显微镜、干涉显微镜、扫描电子显 微 镜以及 X 射线 辐射照相装置。近
21、年来，靶 69 维普资讯 http:/ 国外激 光靶 材料 及制备工 艺 简介 测量技术发 展很快，为测得整个靶球表 面的 形 貌，美 国 L L NL已研 制 出微 机 控 制 的 d 旋转装 置 用它可定量检查 一个 靶球 的表面 光洁度。为进一步提高分 辨率和测量速度，他们又相继推出自动 x射线图象分析和拣 选系统(A X I A S)、自动球面绘 图系统(A S M)以及 自动拣选干涉仪。采用上述 系统，不仅 可 以对透 明靶的 几何参 数作 全面 系统的 快 速分析，而且可 以对非透 明靶 的各个参数作 快速、精确测量。在打 靶 前必须 测量每 个 靶球 内的燃 料 气 体含量。测量
22、 靶球 内氘氖气体含量的方法 有：低能 x射线谱仪法、弹性散射法、D(Y，n)H光核反应、电离室 以及 全泡法等。随 着 世界科学技术的发展，锂漂移硅谱仪已广泛 应用于靶球 内含 氚量的非破坏性相对测量。该法灵敏度高，并且由于某些稀有气体在氚 的 B 一粒子激 发下产生特 征 x射线，还 可用 来测量 靶球 内的某些诊断气体(如氲)。靶球 内燃料气体的氘 氚 比和杂质气体的含量也 是打靶实验所关切 的一个重 要参数。上述参 数需在靶球 充气 前、后(破 坏性)用气体质谱 进行分析。70 参考文献 UCRL一 5 00 21 7 7 (1 9 78)PP5 5 t 0 5一 i 6 UCRL 一
23、 50 0 21 7 8 (19 7 9)P P4 2 t 0 d 一 6 U L一 5 0 9 2 1 7 9 (1 9 8 0)PP4 8 t 0 d一 1 7 Ual L一 5 0 0 2 1 8 1 (1 9 8 2)PPd一 1 2 t 0 d i 3 UCRL一 5 00 21 8 0 (1 981)P P4 5 0 t 0 d 一 6 0 U L一 5 0 0 2 1 8 6 (1 9 8 7)PP4 1 t 0 4 3 U L一 5 0 0 2 1 7 9 (1 9 8 0)PP4 20 t o 4 32 C 8 3 J A Rj n d e ua 一 5 1 7 8 7(1 9 7 5)9 u d K b 0 a n d Hi r o s h i Ts u b a k i h a t J Va c s c i Te c ho0 1 A 4(3)Ma y J u n 1 9 8 6 p l 1 d 3 1 0 3 P C S o u e m e t UC RL一 5 1 6 0 9 (1 9 7 4)1 1 u(取 L一 5 0 0 2 1 7 9(1 9 8 0)P P4 3 6 t 0 d一 45 维普资讯 http:/