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。     

新型无油、小体积微球高压充氘氚系统的研制

根据国内激光惯性约束聚变研究对氘氚微球靶的更高要求，新研制了一套能制备15．0MPa氘氚玻璃微球靶系统，结构见图1。     

二氧化硅气凝胶靶丸研制

2003年，低密度二氧化硅气凝胶微球制备技术以及相关的溶胶-凝胶过程的研究取得了一些进展。在黑腔辐射场均匀性以及非对称性研究中，需要实心二氧化硅气凝胶微球作为黑腔内靶丸，必须满足很高的球形度和较低的密度以及小粒径的要求。一般地，为统一起见，可以用非球形参数OOR(out-of-round)表征微球的球形度，OOR越小，表示微球球形度越高。作为ICF靶丸，一般必须满足OOR小于5％。因此，实心二氧化硅气凝胶微球的制备技术附加了有别于普通二氧化硅块状气凝胶的特殊性。     

金锥-聚合物球壳靶制备初步研究

 报道了研制快点火物理实验用带金锥固体球壳靶时，采用多次乳化技术制备聚合物空心微球，精密车床加工和电镀技术制备金锥，精密加工实现聚合物微球表面打孔的工艺。窄分布聚苯乙烯制备的空心微球直径与壁厚分布较窄。电镀液的配方、pH值、镀前处理、尖端效应等对镀层的表面质量和镀层与芯轴之间的结合力有重要的影响。采用精密车床加工可以在聚合物微球表面获得直径约120 μm的孔，初步实现金锥与聚合物微球的连接。     

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。     

反射式鱼雷声靶的初步研究──材料和结构

单应答器式的传统的鱼雷声靶不能满足具有对抗和识别能力的新一代鱼雷试验要求。反射式鱼雷声靶能模拟目标的尺度特征，并能对复杂的鱼雷探测声信号作出合理的响应，能满足“智能”鱼雷试验的初步要求。用玻璃微球橡胶作为靶体的反射式声靶可在湖上试验场作为固定式悬挂声靶。或拖曳靶。本文介绍玻璃微珠橡胶靶体的声学性能及靶体结构设想。     

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。     

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。     

脉冲敲击技术对PI微球表面粗糙度的影响

作为点火靶重要候选靶丸之一, 聚酰亚胺 (PI) 空心微球采用降解芯轴技术结合双单体气相沉积聚合法 (VDP) 制备. 在PI涂层过程中微球碰撞对表面质量影响较大, 为了减小碰撞提高表面质量, 选用筛网盘做样品盘, 激励方式由压电振动模式改为脉冲敲击模式进行对比. 实验数据表明微球运动过程中碰撞是引起表面质量变差的原因, 通过理论分析确认了筛网盘通过减少接触点可以减少微球与微球间、微球与样品盘间的碰撞, 并且将压电振动改为脉冲敲击模式可以减小微球碰撞次数. 脉冲敲击模式与压电振动模式相比, 其可控性、微球弹跳幅度、消除静电等方面均优于压电振动. 对于微球壁厚均匀性而言, 压电振动略好于脉冲敲击, 但相差较小. 单个微球的壁厚最大偏差前者为0.68 μm, 优于后者的0.73 μm; 单个微球壁厚平均值在同一批次内的最大起伏, 前者为0.26 μm, 优于后者0.57 μm. 白光干涉仪数据显示脉冲敲击起到了提高微球表面质量的作用, 其表面粗糙度Rq值由52–93 nm 减小到28–44 nm. 关键词： 脉冲敲击技术 聚酰亚胺靶丸 表面粗糙度 壁厚均匀性