空心微球气体总量抽样测量误差分析

 间接驱动内爆靶丸由外层CH涂层，内层玻璃球壳和内部充入的气体组成。当玻璃球外涂CH后，球内的气体只能抽检而没有无损测量方法。在大量实验和数据基础上，研究了液滴法制备空心玻璃微球气体渗透系数的差异和分布，利用数理统计方法对实验数据进行了分析和处理，计算了空心玻璃微球对氘气渗透系数的误差，微球预充气挑选方案产生的误差及分布。最后根据现在的抽样测量方案计算了误判的概率。     

靶丸燃料容器制备技术

2003年，多层空心塑料微球的研制取得了实质性进展。具有聚苯乙烯-聚乙烯醇-CH烧蚀层结构的3层塑料微球首次用于“神光”Ⅲ物理实验，取得了较为满意的结果：获得了靶丸燃料区空间分辨的Ar线谱——得到Heα等线谱发射区的尺寸；利用针孔(分幅相机)、环孔诊断获得了靶丸芯部发光区图像。     

耐高低温黏结剂材料的制备

在ICF研究中，根据物理实验目的不同，需在靶丸充入高原子序数（刁的诊断气体，由于高Z气体扩散系数很低，通过扩散的方法难以制备满足物理实验要求的充气压力，因此这两种靶球一般采取打孔充气的方法充入高Z气体。充气结束后，需要封口以维持球腔内的气体压力。考虑到靶球的充气、保存、使用环境，需要一种能够在常温快速固化、耐有机溶剂、耐高低温的密封黏结剂。本年度采用酸酯化法合成了可紫外光（UV）固化的环氧丙烯酸酯树脂（ERA-1）、改性丙烯酸酯树脂的合成（PA）、环氧丙烯酸酯／二氧化硅（SiO2）杂化树脂（ERA—H2）及改性丙烯酸酯／SiO2杂化树脂（FIA—H），并研究了催化剂对环氧丙烯酸酯合成的影响。以这4种树脂为基础，制备了不同无机含量的UV固化杂化黏结剂，研究了黏结剂在不同温度、组分时的高低温性能。     

激光惯性约束聚变靶技术研究

本文简要叙述了近年来中物院物理与化学研究所开展激光惯性约束聚变靶技术研究的进展情况，围绕热核聚变靶丸的研制，介绍了空心玻璃微球、塑料微球的制备结果和充氘氚燃料气体的技术。     

充气温度对PS-PVA-CH塑料微球性能的影响

 主要研究了PS-PVA-CH空心塑料微球充气时，充气平衡温度对微球强度、球形度和表面形貌的影响。对PS，PVA和CH材料的热重分析结果表明，PS和PVA具有较高的分解温度，而PS-PVA双层球和PS-PVA-CH塑料微球升温后的耐外压实验表明，温度升高后双层球耐外压强度降低很快，不能满足充Ar气需要；而3层球在100~120℃仍有很高强度，在该温度下，可以实现充Ar气。微球表面形貌分析结果显示，高温充气后，3层球表面粗糙度升高。     

Ar在玻璃微球中的辐照增强扩散效应研究

 为满足惯性约束聚变实验诊断的需求，需要在空心玻璃微球内充入DT燃料气体的同时充入一定量的Ar诊断气体，由于Ar原子尺寸较大，一般热扩散技术难以实现对玻璃微球充Ar。为解决充Ar问题，研究了不同反应堆中子注量对玻璃微球的改性作用。测试结果表明：当中子注量达到1×10¹⁸ cm^-2时，在500 ℃和室温情况下都可以向玻璃微球内充入Ar。辐照增强扩散后的扩散系数高于3.6×10^-13 cm²/s。     

激光聚变空心玻璃微球靶丸充氖工艺

 叙述了空心玻璃微球用渗透法进行高温充氖诊断气体工艺研究。分析了影响球内气体压力的一些因素；获得了向不同类型的玻璃微球中充氖诊断气体的最佳充气条件。利用该法在空心玻璃微球中充入了0.02～3MPa的氖诊断气体。     

低温冷冻靶微管燃料充注流动冷凝特性

低温冷冻靶是惯性约束核聚变装置的关键部件之一。冷冻靶靶丸位于黑腔内部,需要利用微管完成燃料充注。针对燃料在微管内发生气液相变后流入靶丸这一关键过程,研究了微通道流体与常规流体流动传热的差异。基于微通道特性对流体流动传热方程进行修正,同时建立了气液相变模型,对微充气管内燃料充注过程进行了数值计算分析。得到重力和表面张力的影响,在微通道中,重力作用可以忽略,表面张力起重要作用。得到了微尺度效应包括速度滑移和温度跳跃对流动传热过程的影响。对多种充气管结构进行比较分析,为选型提供指导。通过选择不同进口条件和出口条件,对充注量控制和充注条件选择提供了指导方案,实际充注时需要同时提高进口温度和压力,保证连续可控充注。     

ICF靶材料和靶制备技术研究进展

 主要介绍了中国工程物理研究院ICF靶材料科学与靶制备技术在材料研究、靶丸制备技术、薄膜制备技术、精密微工艺及靶参数测量等方面的主要研究进展。在靶材料研究方面,近年相继研制成功全氘代聚苯乙烯（D-PS）有机材料、微靶掺杂和激光吸收与X射线转换金属纳米或团簇材料;探索了新型有机气凝胶储氢材料,开展了金属小团簇理论研究和纳米金属复合材料的研究工作。在靶制备技术与工艺方面,完成了PS单层、双层和三层塑料空心微球的研制工作;利用低温等离子体聚合涂层技术,建立了微球表面沉积纯CH薄膜以及金属掺杂CH薄膜的工艺和技术;在玻璃微球充氩技术研究中,开展了原子力扫描显微镜对玻璃球壳钻孔工艺研究以及粒子辐照改性充气技术研究,等等。     

ICF靶丸中液氢层厚度的确定

 利用靶丸内部的质量守恒，提出了计算惯性约束聚变靶丸内液氢层厚度的函数关系式，从而得到了求解惯性约束聚变靶丸内液氢层厚度的一般模型，并在此基础上对影响液氢层厚度的各类因素如温度、充气密度等进行了讨论。该模型的分析方法同样适用于惯性约束聚变中的燃料气体氘、氚或者氘氚混合物。     

“神光”-Ⅱ内爆动力学研究进展

在2004年的“神光”-Ⅱ内爆实验中，设计了球壳内界面涂S、且氘燃料区中掺Ar的辐射驱动内爆靶球（图1），实验排布如图2所示：针孔阵列一晶体谱仪（PA--CS）置于正西水平方向；正东水平方向放置时间分辨的晶体谱仪（扫描晶体谱仪S—CS），测量靶球内爆中心和S线谱发射的时间过程；正南水平方向放置一台针孔阵列—X射线分幅相机（XFC），监测靶丸内爆压缩发光图像；闪烁体探测器在靶室外东南方向监测内爆中子产额：软X光能谱仪在水平东偏北方向监测腔内辐射温度。由数千个针孔组成的针孔阵列和平面晶体组成的二维单色成像系统的测量原理如图3所示。     

薄壁玻璃微球壳的热扩散充气

 导出了热扩散一步充气法和分步充气法充气时,薄壁玻璃微球壳的内压变化,及其在空气中的气体渗漏速率和保气半寿命的表达式,提出了确定分步充气过程操作参数的约束条件。D₂气体通过薄壁玻璃微球壳的扩散速率与分步法充D₂气体时其内压的实验测量值与计算值相符合。     

高压氘氚靶球的制备与拉曼光谱研究

氢同位素的定量分析与监测在能源与环境领域都有着重要的意义。激光拉曼光谱由于其可以无损分析氢同位素分子,已经成为一种重要的方法,在国际热核聚变实验反应堆(ITER)和美国萨凡纳河工厂得到了广泛应用。利用高压充气装置得到了惯性约束聚变(ICF)高压靶丸,并对靶丸内气体进行原位拉曼光谱测量,通过对高压下氘氚混合气体的拉曼光谱进行分析得到了靶丸内气体的成分比例,验证了靶丸充气工艺参数。实验表明,在CCD的积分时间延长到1 min时,氘(DD),氘氚(DT)和氚(TT)的测量精度可以达到1%,同时对不同时刻靶丸内气体组分的拉曼光谱进行测量,实验结果表明在氘氚渗透和氚衰变两者共同作用下,靶丸内总气体压力随时间不断下降,但是气体组成基本不发生变化。     

塑料多层靶丸X射线照相技术

 从理论上分析了高增益ICF实验燃料容器的塑料多层微球材料对X射线吸收机理，给出了适当的X射线照相条件，即工作电压取10kV，照像时间为1.5h,获得了壳层反差较为理想的靶丸X光图像。照相实验所得底片具有很高的横向分辨率，经显微镜放大，微球图像界面清晰可辨，用CCD将图像输入计算机，使用一般图像软件即可较为精确读出壳层厚度像素，为塑料靶丸制备工艺提供了方便有效的跟踪测量手段。     

激光间接驱动内爆靶丸的X光诊断

 报道了神光Ⅱ激光聚变实验中内爆燃料靶丸区电子温度、电子密度以及燃料面密度的X光诊断结果。在电子温度诊断中，采用X射线光谱学方法，根据聚变靶丸燃料区的Ar示踪元素的Ly-β线与He-β线的强度比推断出靶丸燃料区电子温度为(950±100) eV；在电子密度诊断中，利用靶丸燃料区Ar元素的He-β线Stark展宽确定聚变靶丸芯部的电子密度为(0.9±0.2)×10²⁴ cm^-3；在燃料区面密度诊断中，利用X光单能照相技术获得了内爆靶丸的燃料面密度为（3.2±0.5） mg/cm²。     

激光惯性约束聚变靶靶丸制备与表征

激光惯性约束聚变的核心思想是利用球形内爆技术对聚变燃料进行增压,使热核燃料达到高温、高密度的等离子体状态,进而实现聚变点火。基于对称压缩、流体界面不稳定性和实验诊断的考虑,ICF实验对作为热核燃料容器的空心微球的品质在球形度、壁厚均匀性、表面粗糙度以及掺杂水平等方面提出了严格的要求。为满足这些要求,陆续发展了乳液微封装技术、降解芯轴技术、低压等离子体聚合/掺杂技术、干凝胶玻璃微球制备技术等用于多层塑料微球和空心玻璃微球的研制。另一方面,针对ICF靶丸量小、质轻以及表面要求高的特点,发展了相应的非破坏性靶丸参数表征技术,如X光照相技术、4π形貌表征技术、微球掺杂水平测量技术以及微球内燃料负载水平快速测试技术。基于这些制备与表征技术,初步实现了多层塑料微球、玻璃微球、聚-!-甲基苯乙烯芯轴微球、梯度掺杂CH微球的研制,满足了"神光Ⅱ"、"神光Ⅲ原型"及"神光Ⅲ主机"上开展的一系列内爆物理实验的要求,同时为未来点火物理实验用靶丸的研制提供了技术支撑。     

玻璃微球壁厚和预充气工艺对气体渗透性能的影响

 以空心玻璃微球为研究对象，利用高压充气系统充气，测量了不同条件下玻璃微球对氘气在室温条件下的气体渗透系数。研究结果表明：微球的壁厚对气体渗透系数影响较大，2 mm以上厚壁球的气体渗透系数约5.0×10^-22 mol·m^-1·s^-1·Pa^-1，而壁厚小于1 mm时，渗透系数约1.56×10^-20 mol·m^-1·s^-1·Pa^-1，两者相差30倍。预充气挑选工艺对微球的气体渗透系数也产生一定影响，对于薄壁空心玻璃微球一次充放气气体渗透系数增加约50％，两次充放气则增大一倍左右。对上述影响因素进行了初步的探讨，气体渗透系数改变的主要原因是玻璃微球表面的结构裂纹、空位和缺陷。     

无源柱腔充气靶制备技术

 分析了柱腔充气靶动态充气、准动态充气和静态充气3种充气方式的特点,完成了无源充气靶的设计和制备,测量了无源充气靶的保气半寿命,讨论了靶的储存和运输。研究表明:充Kr的玻璃柱腔充气靶保气半寿命不低于341 h,以打靶时间为3 h计算,靶内气体泄漏率不超过2%;采用高压保气罐对成品进行储存和运输,无源柱腔充气靶可实现异地打靶。     

靶参数测量技术

利用微焦点X射线荧光谱仪进行了充氩靶丸X射线荧光激发测量实验。由于设备具有X射线聚焦功能，对样品局部辐照强度大，激发效率高，因此测量灵敏度及检测极限也大大提高，尽管由于塑料微球保气性能差，球内只有微量的氩气，仍然获得了氩气明显存在的证据，在测量得到的谱图中扣除本底后氩Ka射线峰非常明显。     

ICF空心微球靶传热的有限元分析

 为分析冷冻靶丸外部温度场，应用ANSYS软件对ICF空心微球靶的热传递进行了有限元分析。建立了单元传热的几何物理模型，靶丸微球呈空间均匀分布，计算区域由三个同心球壳组成，分别为液体层、靶丸壳层以及氦气层，氦气层厚度为球壳层厚度的7倍。模型左右两边界设为绝热边界条件，采用智能自动划分网格,设定参数为3，单元类型为三角形。模拟表明，在靶丸工作温度为24 K的情况下，为保持靶丸气泡受力平衡，自洽得到靶丸内部温度梯度为14.02 K/cm，以此求解出所施加的外部温度场为7.758 K/cm。将计算值与现有的实验结果进行了比较，模拟结果与国外实验值(8.2 K/cm)吻合得较好。