激光聚变冲击波实验用靶及制备方法.pdf

第卷第期年月核电子学与探测技术 激光聚变冲击波实验用靶及制备方法谢浩 然，谢金森吴智强，李禹昆，刘涛，陈鹏宇，于涛（南华大学核科学技术学院，衡阳；南华大学湖南省数字化反应堆工程技术研究中心，衡阳）摘要：通过对激光聚变冲击波实验用靶的现状及相应制备方法进行调研，充分介绍了激光驱动冲击波实验用靶的物理需求，靶的结构、靶材料特点，靶表面质量及材料密度要求等，对冲击波靶研究制备具有重要的意义。根据冲击波实验的不同目的，将冲击波实验用靶分为以下几类：平面靶、台阶靶、楔形靶，以及阻抗匹配靶等。通过综述不同种类、不同材料冲击波靶的特点及制备方法与现状，以及不同制备方法的优缺点，为不同类型、不同材料实验用靶的选择制备择优了工艺方法，同时也对冲击波靶制备的未来发展趋势进行了展望，为冲击波粑制备提供参考。关键词：激光聚变；冲击波实验；靶制备；阻抗匹配靶中图分类号：文献标志码：文章编 号：（）材料高压状态方程是现代物理领域的重要研究内容之一，在天体物理、材料研究、高温高密度等离子体物理等领域都有非常重要的应用价值。在激光驱动惯性约束聚变中？，冲击波平面性、稳定性、干净性是获得准确度较高的材料状态方程实验数据的重要因素。利用气泡、化爆等方式，虽然可获得精度较高的实验数据，但大气压强最高一般在万大气压以下，托马斯费米理论对于压强在亿大气压（大气压约等于）以上适用，但在中等压强区域（万大气压至亿大气压），状态方程理论模型非常复杂，需要实验来校核理论，借助收稿日期 基金项目：国家自然科学基金（）。作者简介：谢浩然（），男，在读硕士，主要从事反应堆反射层材料研究，：。通讯作者：谢金森（），男，博士，副教授，主要从事主要从事核反应堆物理理论、数值计算方法与实验技术，以及新概念及特殊用途核动力装置设计与分析，：。核爆炸可以获得这一压强区域的状态方程数据，但在全面禁止核爆实验的情况下，要获得这一压强段的高精度状态方程实验数据是当前急需解决的问题之一。近多年来英国、美国、俄罗斯等国，相继开展了激光驱动冲击波理论与实验研究，获得了下的状态方程数据。激光驱动状态方程研究方法可以通过数值模拟，但是，也需要通过物理实验来检验理论模型的准确性，国内外均开展了材料冲击波实验用靶的制备技术研究，了解目前国内外冲击波实验用靶制备需求及现状，对后期开展靶的设计与制备具有重要的意义。鉴于此，本文将综述激光驱动冲击波实验对靶的需求、靶的结构和材料特点，以及靶的制备方法，为开展冲击波实验靶的设计和靶的研制提供参考。激光冲击波实验研究对靶的 需求在激光驱动冲击波物理实验研究中，对靶提出了较高的要求。主要表现在五个方面，首先是靶的结构多样化，有平面靶、台阶靶、楔形靶、弯折靶、冲击 波绝对测量用耙、阻抗匹配靶等；二是靶材料多样化，既有错、铜、铁、铅、铀、铍、铈、钽、钼等金属薄膜，也有有机材料 如薄膜等，还有粉末压制成形的、等 材料，以及液 氘等；三是各种薄膜及台阶厚度一般仅为几微米至几十微米，要求厚度均匀，一致性好于，具有较高的形状精度，表面质量要求很高，均方根粗糙度小于，面上峰谷级差小于，需要给出厚度的精确测量值；四是要求材料纯度高，达到或接近材料的晶体理论密度，需要给出密度的精确 测量值。五是阻抗匹配实验要求标准材料与待测材料之间无间隙，以确保冲击波通过两种材料界面时压力相等和粒子速度相等。激光冲击波 实验靶及其制备方法平面駆及其制备方法受激光能量的限制，冲击波实验用靶一般厚度在几微米至几十微米之间。薄膜通过裁剪成相应形状、尺寸后，即可作为平面靶使用。在平面靶的制备中，一般采用以下工艺方法制备：物理气相沉积（例如：磁控溅射、热蒸发镀膜等）、多辊轧机冷轧、热压成形、单点金刚石车削、离子束加工等。物理气相沉积（）技术原理见图所示，是在真空条件下，采用物理方法，将材料表面原子、分子，通过低压气体或等离子体过程，沉积在不同材料表面，形成薄膜的技术。物理气相沉积的方法包括蒸镀、磁控溅射、离子镀膜，以及分子束外延等但制备的金属薄膜材料密度一般情况下为原材料密度的左右，对冲击波物理实验而言，需要对密度进行精确 测量，以减小冲击波物理实验结果的不确定度中国工程物理研究院应用电子学研究所采用蒸镀方法制备铝薄膜和铜薄膜。多辊轧机冷轧技术是指利用多个乳辊，在室温条件下，工件在旋转的轧辊间，在轧辊的压力作用下使金属发生塑性变形的过程，见图。根据金属属性变形理论，轧制前后材料的密度、纯度等不会发生变化。李朝阳等人采用该技术，成功研制厚度几微米至几十微米的金属铝、铜等薄膜，轧制的厚度较薄的金属钛薄膜，最小厚度畔，薄膜表面粗糙度可达电子東磁聚囊电子束枪图物理气相沉积技术由于冲击波实验对耙的表面质量提出来较高的要求，而物理气相沉积技术材料的密度难以达到材料理论密度，而密度的精确 测量也是一个难题。为了避免材料密度对实验结果不确定度的影响，针对铝、铜等有色金属材料，谢军等人采用单点金刚石车削技术制备冲击波实验用铝薄膜和铜薄膜。该技术是利用超精密金刚石切削的特点，通过瞬间快干胶将铝、铜等材料图轧制原理示意图粘接在真空吸盘表面，通过金刚石端面车削，采用圆弧刃金刚石刀具，块体材料进行减薄加工的方法，通过该技术，获得了最小厚度约的铝、铜金属薄膜。当加工至厚度小于时，由于样品与真空吸盘胶接界面强度等问题，金属样品从真空吸盘剥离，从而导致无法进一步减薄加工。谢军等人采用单点金刚石车削获得了表面粗糙度，最大峰、谷高高压电源（）图铜薄膜表面形貌图对于一些粉末压制成形的材料，如氢化锂（）等，不宜采用轧制等方法制备，这类材料在高压高温条件下可发生变形，因此，可采用真空热压成形技术进行制备。材料在空气中易潮解，与水、二氧化碳 发生化学反应，生成、等，针对这个特点，谢军等人采用真空热压成型技术制备薄膜，在高真空环境下，避免与空气接触，同时对样品进行加热和加压，在高温、髙压作用下，材料变形，获得了厚度约的薄膜。台阶靶与楔形範及其制备方法冲击波稳定性是确保实验数据准确度的重要因素之一，楔形靶（见图）、台阶耙（见图）是冲击波稳定性实验研究的重要耙型？。在台阶靶的制备方面，滕永华等人采用技术，制备出铝薄膜，再通过掩膜方法，在错薄膜表面制备铝台阶，从而实现了 同种材料台阶耙的制备。在楔形靶的制备方面，英国原子武器研究所曾通用超精密车床车削加工成型；付思祖等人采用光学研磨加工方法制备铝楔形靶，但是，研磨加工一般适合硬度大、脆性大的材料，而铝材料的硬度低、塑形大，研磨过程中磨粒可能嵌人材料中，且难以达到较低的表面粗糙度。谢军等人通过单点金刚石车削技术，将样品粘接在已加工的真空吸盘表面，通过端面车削，分别制备出同一材料、多种结构的台阶靶，与楔形靶。相对于物理气 相沉积（如溅射、蒸镀 等）方法而言，采用纯度以上的原材料，可认为材料密度接近理论密度，通过金刚石车削加工后不改变材料的纯度、密度。图为白光干涉仪测试的台阶靶、楔形靶表面形貌图。图典型楔形靶图典型台阶耙度 的铝、铜等金属薄膜样品。图为铜薄膜表面粗糙度测试图，图为原子力显微镜测试的铜薄膜表面形貌图。路超等人针对高 活性材料（如铈等）易氧化的 问题，通过机械研磨至厚度后，在真空环境下，采用聚焦离子束加工方法，通过宽束离子抛光结合白光干涉检测方法获得离子对靶材料的减薄速率，从而精确控制所制备薄膜的厚度。，一 图典型的台阶耙、楔形靶表面形貌对于一些金属材料，由于材料性质，不能采用金刚石刀具加工，如铁、钼等，采用金刚石刀具加工过程中，由于加工切削热的存在，金刚石会转换成石墨，从而丧失切削能力。对于钼材料台阶靶，杜凯等人采用轧制态的金属 钼薄膜，通过真空扩散连接技术，采用磁控派射方法在钼薄膜连接界面镀制的金层，在真空环境下加热、加压实现材料精密连接，图为台阶耙连接界面断面光学显微镜照片，可以看出，连接界面不存在明显的间隙及空洞。图钼台阶连接界面照片然而，真空扩散连接技术制备台阶靶不可避免地引人一层中间层，会对实验结果造成一定的影响，阻抗匹配实验要求靶材料的基底和台阶无缝连接，以确保材料界面两侧的力学平衡条件和界面连续条件，从而提高物理实验结果的置信度，因此制备整体式台阶靶具有重要的意义。中 国工程物理研究院激光聚变研究中心谢军等人采用轧制态髙纯钼薄膜，通过精密电火花统削（）加工技术制备整体式钼台阶祀，同时为了避免加工应力导致台阶变形，且便于靶的夹持，在钼台阶靶周边设计度大于等于边框，电火花统削不加工边框，为了避免电极损耗带来的加工误差，在边框上设置加工零点，通过设置的零点位置，在线测量电极损耗，从而进行补偿，保证了零件的加工精度，图为整体式钼台阶靶结构。阻抗匹配駆及其制备方法阻抗匹配法是通过测量标准材料中的粒子速度或冲击波速度，根据标准材料与待测材料界面两侧的力学平衡条件和界面连续条件，确定待测材料样品中的冲击压缩状态，因而要求薄膜之间紧密连接，界面无缝隙。阻抗匹配靶由标准材料台阶及待测材料薄膜组成，其结构如图所示。对于阻抗匹配靶，国 内外相关科研人员均曾采用物理气相沉积方法制备，美国通用原子公司（）曾采用单点金刚石超精密车削技术与減射方法相结合制备阻抗匹配靶中国工程物理研究院滕永华等人采用蒸镀方法制备铝基底，再结合掩膜方法，分别镀制铝台阶和铜膜，实现阻抗匹配靶制备胃图阻抗匹配靶结构图谢军等人采用轧制态的铝、铜薄膜，通过真空扩散连接技术，实现了铝铜阻抗匹配靶的制备，杨蒙生等人采用轧制态的铝、铁薄膜，通过真空扩散连接技术，实现了铁铝阻抗匹配靶的制备，轧制技术制备的金属薄膜表面质量较好，表面粗糙度小于；扩散连接铝铜薄膜界面结合良好，为连续连接，扩散界面控制在以内，图为铝铜阻抗匹配靶测试图。采用扩散连接技术，其缺点在于，由于在高温高压下实现薄膜连接，往往会在金属间形成化合物，或者为了降低连接条件，会在金属间通过磁控濺射等方法认为引人扩散中间层，这些中间层会对物理实验结果造成不良影响。叶君健等人采用乳制态、薄膜，采用煤油等液体材料，实现阻抗匹配靶的装配成形。采用煤油等液体连接金属薄膜，随着实验用靶放置时间变长，液体挥发后可能造成金属薄膜间脱层，同时要求薄膜平整，去应力，否则，难以实现薄膜之间紧密贴合。路超等人采用 聚焦粒子束技术制备铈铝 阻抗匹配靶，在的真空环境中，通过聚焦离子束辅助的铂沉积方法，将铈薄膜与 铝台阶基底固定在一起，实现了铝铈阻抗匹配靶的制备液氘的状态方程研究是激光聚变研究的重要内容之一，国外最早在年就利用激光对液氘的状态方程数据展开了实验研究。年，贾果等人利用阻抗匹配法，在国内首次开展液氘材料的状态方程实验研究。实验用靶选择标准材料为铝，待测材料为液氘，由激光人射窗口、信号诊断窗口、液氘层、铝层等组成。激光入射窗口采用标准材料铝制备成铝台阶，信号诊断窗材料为石英，其前后表面镀探针光波段增透膜，在铝台阶和实验诊断窗口之间形成空腔，充满液氘后形成错液氘阻抗匹配靶，见图。为了避免低温情况下窗口表面“结霜”，在靶制备过程中禁用低温导热脂，对靶室、机械结构进行清洁处理和提高靶室真空度；同时对石英窗口镀制增透膜，要求探针激光被窗口膜层返回的强度远远小于被膜返回的强度。直径 叫输气孔此窗口前后表面镀 增透膜直径深 液気戾激光石英进出气赞铝图液氘阻耙结构示意图结语冲击波耙结构微小，尺寸精度和形状精度高，而且要求材料密度达到材料理论密度。典型的冲击波实验用靶有平面靶、台阶靶、阻抗匹配等。从目前的制备方法看，物理气相沉积技术可制备多种材料的冲击波靶，但其密度难以达到材料的 晶体理论密度，且表面质量相对金刚石车削而言较差。单点金刚石车削技术可制备、等有色金属平面靶、台阶靶，采用纯度较髙的材料为原料，可认为加工后的靶材料密度达到理论密度，但其缺点在于，只适合、等有色金属材料的加工，且最薄厚度只能达到；多辊轧机冷轧技术可制备最小厚度小于金属薄膜制备，但薄膜表面质量难以达到金刚石车削加工的表面质量。阻抗匹配靶一般采用真空扩散连接技术实现异种金属材料的连接，但往往会引人中间层或形成金属间化合物，如何实现异种金属之间无中间层的连接是确保冲击波实验不确定度的重要的思路之一，也是未来冲击波靶制备的努力方向。参考文献：，：，：，（）：，（）：，：，（）：，（）：，（）：谢军，黄燕华，杜凯，等用金刚石车削技术制备实验用铝薄膜和 铜薄膜强激光与粒子束，（）：江少恩，李文洪，丁永坤，等激光驱动冲击波的实验测量高压物理学报，（）：谢军，童维超，黄燕华，等冲击波实验用 铝楔形靶加工技 术强激 光与粒子束，（）：，傅思祖，黄秀光，吴江，等斜人射激光驱动的冲击波在样品中传播特性的实验研究物理学报，（）：黄秀光，顾援激光驱动高压状态方程实验中的绝对测量方法高压物理学报，（）：叶君健，周斌，何巨华，等阻抗匹配靶制备及粑参数测量原子能科学 技术，（）：曹德峰，邢丕峰，韦建军，等钼 薄膜制备技术研究稀有金属材料与工程，（）：，（）：贾果，黄秀光，谢志勇，等液気状态方程实验数据测量物理学报，（），（）：叶君健，何钜华，付思祖，等等熵稀疏靶的制备及粑参数精 密测量原 子能科学技 术，（）：，：滕永 华，何锦涛，雷建华平面激光靶的制备中 国核物理协会第四届全国核靶会议论文集核靶技术年卷绵阳：中国工程物理研究院核物理与化学研究所，：李朝阳，谢军，吴卫东，等多辊乳机冷乳技术在靶材料制备中的应用强激光与粒子束，（）：路超，任大鹏，张德志，等状态方程实验用铈微靶的聚 焦离子束制备电加工与磨具，（）：谢军，邢丕峰，易泰民，等真空热压技术制备实验用薄膜稀有金属材料与工程，（）：舒桦，傅思祖，马民勋，等激光驱动冲击 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