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。     

CHBr薄膜制备的初步研究

碳氢（cH）及其掺杂材料常被用作ICF实验靶丸烧蚀层材料。制备CH薄膜及其掺杂材料的方法有很多，诸如：离子束辅助沉积、离子溅射沉积、低压等离子体化学气相沉积（LPPCVD）等。近年来，详细研究了LPPCVD法制备CH薄膜的制备方法与工艺，形成了比较成熟的技术路线与工艺路线，并为“神光”实验提供了一系列实验靶丸。     

碳气凝胶/聚苯乙烯双介质柱状靶的研制

 介绍了碳气凝胶/聚苯乙烯（CRF/CH）双介质柱状靶的制备方法。使用溶胶-凝胶法和微模具原位成型法制备了直径为820 μm的间苯二酚-甲醛（RF）气凝胶微柱,在氮气保护下进行高温碳化后得到直径为730 μm、密度为250 mg·cm^-3的CRF微柱;采用浸渍提拉法在CRF微柱柱面镀制一层厚度为26 μm 的CH薄膜, 形成CRF/CH双介质结构;采用机械微切割技术制备了长度为1 mm, 内径为730 μm,壁厚为26 μm的CRF/CH双介质柱状靶。实验研究了RF,CRF气凝胶微柱的制备工艺、微观形貌及CRF微柱轴向和径向的密度均匀性,探讨了影响CH薄膜厚度的主要因素,并对CH薄膜的表面形貌和两种材料之间的界面进行了表征。     

ICF靶所用掺杂聚合物及泡沫的研制

针对ICF靶所用掺杂聚合物及其泡沫的研制，制备出铜掺杂聚-4-甲基-1-戊烯(PMP)泡沫和掺溴聚合物材料。在掺杂聚合物泡沫过程中采用了超声波振荡的方式，提高了纳米铜粉在PMP泡沫骨架中的分布均匀性。掺杂纳米铜粉CH泡沫已用于今年“神光”Ⅱ试验中，并取得了较好的物理实验结果。利用溴(Br2)和PMP在光照条件下发生的自由基取代反应，制备了部分溴代聚4-甲基-1-戊烯样品。通过控制加入溴的量来控制最终产物中溴的掺杂量。利用红外光谱与元素分析确证样品中溴原子的存在。样品在150℃以前比较稳定，但在150℃以后就会失去溴化氢(HBr)。这对制造靶材料要求的泡沫材料提出了较高的要求。本课题还进行了低密度泡沫铜制备技术和无氰化学镀铁工艺研究。制备得到体积密度约3％的泡沫铜以及化学镀铁样品。     

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。     

掺溴聚苯乙烯平面调制箔靶的制备及测量

 平面调制靶是ICF分解实验中的重要用靶。介绍了在过去工作的基础上掺溴聚苯乙烯平面调制箔靶的制备工艺,研究旋转涂覆和流延工艺对靶的表面起伏图形转移的影响,采用SEM观察薄膜表面起伏图形的形貌,对掺杂溴的含量进行测量和控制,以台阶仪测量靶的表面粗糙度。     

制备大直径无气泡聚苯乙烯空心微球

 高品质聚苯乙烯（PS）空心微球是惯性约束聚变（ICF）实验用多层塑料微球靶的重要芯轴,常由乳液技术制备。针对由乳液技术制备的PS微球壳壁内容易形成气泡而且大直径微球制备困难的问题,实验研究了对壳壁内存在的气泡以及消除方法和制备大直径PS微球的制备技术。     

ICF分解实验用双介质调制靶的研制

为了研究惯性约束聚变(ICF)实验用靶丸不同密度界面的流体力学不稳定性增长,设计并制备了聚苯乙烯(CH)/碳气凝胶(CRF),CRF/硅气凝胶(SiO2)和CH/Al三种双介质调制靶。采用溶胶-凝胶工艺制备了密度分别为250和800mg/cm3的CRF气凝胶薄片;采用激光微加工工艺分别在两种不同密度的CRF薄片和工业用纯Al箔上引入调制图形;采用旋涂工艺在Al箔和CRF薄片(250mg/cm3)的调制表面制备一层CH薄膜,得到CH/Al和CH/CRF双介质调制靶,采用溶胶-凝胶工艺在CRF薄片(800mg/cm3)表面制备一层低密度SiO2气凝胶,得到CRF/SiO2双介质调制靶。采用电子天平、扫描电子显微镜、工具显微镜和台阶仪对所制备的CH/CRF,CRF/SiO2和CH/Al三种双介质调制靶进行靶参数测量。结果表明:三种双介质调制靶层与层之间结合紧密,界面清晰,调制图形为正弦,靶参数测量准确。     

惯性约束聚变点火靶候选靶丸特点及制备研究进展

获得能量增益实现点火是目前激光惯性约束聚变领域研究的主要方向和标志性成果. 在点火靶的设计中有多种可能的候选靶丸,包括碳氢掺杂锗、铍掺杂铜、聚酰亚胺、 碳化硼和金刚石靶丸,其中碳氢和铍靶丸是最主要的候选靶丸.文中主要总结了几种候选靶丸的优缺点及目前研制现状.在国外,碳氢靶丸是目前点火靶的首选靶丸. 与铍靶丸相比,不存在明显的微结构缺陷,制备较容易;靶丸光学透明, 适宜于燃料分层和表征;靶丸在制备上更容易达到点火靶要求. 美国的碳氢点火靶靶丸基本达到了设计要求,这些要求包括几何尺寸、壳层密度、 壳层缺陷、表面光洁度、掺杂水平和杂质含量等.我国的点火靶靶丸研究还处在起步阶段.     

薄膜物理与制备

薄膜物理与制备技术研究对于惯性约束聚变(ICF)实验具有重要意义，2003年开展的研究工作主要包括几个方面的内容：低压等离子体化学气相沉积(LPPCVD)法微球CH涂层及掺杂(溴等)技术研究；脉冲激光沉积(PLD)法Fe／Al合金薄膜研制；磁控溅射法Au／Gd，Ti／A1，Ti／Cr支撑薄膜研制；碳氢氮(CxNyH1-x-y)薄膜制备技术研究。相应主要结果如下：(1)利用低压等离子体化学气相沉积(LPPCVD)装置深入考察了以反式-2-丁烯如下：     

ICF靶支撑定位机器人系统研究

 在对惯性约束核聚变(ICF)靶支撑定位功能分析的基础上，设计并制造了一套用于靶精密定位机器人系统，主要包括靶库机构、换靶机构、送靶机构和6自由度精密并联机器人机构，论述了各部分的工作原理和组成。系统在末端采用并联机器人来实现对靶的精密定位，测试了靶场环境下系统的运动指标。测试结果显示：系统可在真空条件下实现对靶的精确定位、换靶、送靶工作，靶定位精度达到μm级，定位时间随精度的提高而延长。     

激光惯性约束聚变靶制备技术研究进展

在实验室实现聚变反应释放的能量大于点燃聚变反应所需能量的阈值是当今世界ICF研究的主要目标,实现这一目标仍需要深入研究一系列的关键物理问题。在ICF研究中,制靶能力的发展与提升至关重要,靶的质量是实验成功的核心要素之一。本文介绍了国际ICF靶制备工作近年来在新型烧蚀层材料靶丸、新型靶丸支撑技术、优化黑腔材料与构型以及减小燃料填充管直径等方面取得的一系列进展,并结合ICF物理需求,简要阐述了ICF靶的发展趋势。     

空腔Cu靶的化学镀制备方法及其特性

 在预处理芯轴（基体）表面金属的催化作用下，通过镀液可控制的还原反应在芯轴表面不断产生金属Cu的化学沉积，然后刻蚀掉芯轴，经Cu层表面钝化处理而得到空腔Cu靶。对Cu靶的表面形貌、孔隙率、厚度及其均匀性、Cu靶纯度、耐氧化性能等进行了测试与分析，实验结果表明，所测各项数据达到Cu靶ICF应用的性能指标。化学镀方法为制备其它金属或合金空腔靶提供了新的途径。     

无抖动ICF冷冻靶干涉图像的获取

提出一种克服由于冷冻靶制冷系统和真空系统工作时引起的振动所带来的干涉图像抖动的方法。通过两个完全相同的CCD同步捕获冷冻靶干涉图像和空间位置图像,以位置图像来标定冷冻靶的振动情况,从而获得冷冻靶在不同状态下的干涉图像。在标定冷冻靶位置的过程中,提出了频率估计、投影标定、特征匹配和全匹配这4种算法,并给出了对应的数字图像处理算法流程。     

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。     

微波等离子体技术在ICF制靶中的应用

 为了提高ICF精密制靶的质量，提出用微波等离子体（MP）技术，包括等离子体薄膜制备、等离子体反应性离子束刻蚀、聚焦离子束刻蚀、掺杂纳米金属粉末制备和掺杂纳米金属粉末的表面包覆改性等技术，去加以改进和解决。此方法与其它成膜技术相结合，在ICF精密制靶中得到广泛应用。     

用红外激光脉冲触发半绝缘GaAs光电导开关的实验研究

报道了用光子能量低于GaAs禁带宽度的红外激光脉冲，触发电极间隙为3mm和8mm的半绝缘GaAs光电导开关的实验结果。使用单脉冲能量为1.9mJ的1 064nm Nd:YAG激光触发开关， 在偏置电压分别为3kV和5kV条件下，光电导开关分别工作于线性和非线性模式。用900nm半导体激光器和1 530nm掺铒光纤激光器分别进行触发实验，得到了重复频率分别为5kHz和20MHz的电脉冲波形。结果表明，半绝缘GaAs光电导开关可以吸收大于本征吸收限波长红外激光脉冲。     

深振幅Al调制靶的化学腐蚀制备工艺研究

 介绍了用于惯性约束聚变分解实验的铝调制靶的制备。以半导体光刻工艺结合化学腐蚀工艺在铝箔表面引入周期为50 μm的条槽图形，研究腐蚀条件对腐蚀速率的影响;采用光学显微镜、扫描电镜和台阶仪对图形形貌和样品表面成分进行测量和分析，获得厚度在32 μm左右、腐蚀深度达到20 μm的铝调制靶。     

二元混合燃料在靶丸内壁形成均匀液体层的数学模型

 提出了一个数学模型，描述了二元混合燃料H-D和D-T在ICF低温靶丸内壁形成均匀液体层时，远端场的温度梯度和工作温度间的关系。在靶竖直方向施加一个温度梯度后，模型显示将在气液界面产生一个垂直向上的张力梯度，它将液体从靶丸底部拉到上部，适当的张力梯度抵消了重力对液层的作用，在靶丸的内壁形成了均匀的液体层。通过运用ANSYS软件对靶丸的导热情况进行了有限元分析，模型计算结果与Kim的实验数据吻合得较好，温度梯度的变化趋势也是相似的。     

ICF驱动器靶场环境温度分布特性实验

 对ICF驱动器靶场环境温度的分布特性进行了实验设计,利用PC-2WS多通道温度监测记录仪和PTWD-2A精密温度传感器进行了3个垂直截面的温度测量实验,应用MATLAB软件进行了数据处理,得出了靶场温度分布特性。实验结果表明：设计的暖通空调系统能够保持整个靶场环境温度的稳定,但由于内热源的影响在中间层靶室、编组站附近和工作人员活动频繁区域且由于下层安装设备集中处产生了较大局部环境温度梯度,因此,对这些区域需要加强温控措施。