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。     

高钾空心玻璃微球的制备

 以无机化合物为初始原料，选择合理的玻璃溶液配方和成球条件，用液滴法制备出直径200 μm，壁厚2 μm，K₂O摩尔分数大于10 %的空心玻璃微球（HGM）。利用扫描电镜X射线能量色谱仪对玻璃球壳的组分进行了分析。结果表明，所制备的高钾空心玻璃微球各项技术指标能基本满足神光-Ⅱ物理实验的要求，微球球壳成份实测结果与理论计算结果吻合。     

ICF靶用空心玻璃微球耐压性能测试

 利用自行研制的空心微球耐外压装置和充气装置，测试了目前激光惯性约束聚变实验打靶使用的空心玻璃微球耐内压能力和耐外压能力。空心玻璃微球采用液滴法制备，直径为180～250 mm、壁厚为0.8~4.0 mm。理论计算表明，当微球纵横比超过90时，耐外压能力与球壳材料的杨氏模量有关，由此测量得到的空心玻璃微球杨氏模量为55~75 GPa。玻璃微球的耐内压能力主要与球壳材料的抗拉强度有关，实验测量得到的玻璃微球抗拉强度为90~140 MPa。     

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。     

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。     

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。     

掺钛空心玻璃微球制备技术

为实现惯性约束聚变靶用空心玻璃微球的均匀掺杂,采用溶胶-凝胶技术结合炉内成球法,以钛酸四丁酯为掺杂剂,对钛掺杂玻璃溶胶-钛掺杂玻璃凝胶-钛掺杂干凝胶粒子-钛掺杂空心玻璃微球（Ti-HGM）这一掺钛空心玻璃微球的制备方法进行了探索。实验结果表明:掺钛效应使空心玻璃微球壁厚均匀性、同心度有所降低,但对壁厚、直径控制基本无影响;Ti与Si原子分数比为2.23%的Ti-HGM掺杂基本均匀,近70%微球的保气半寿命在一个月以上。     

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。     

低强度空心玻璃微球充氘氚气体工艺研究

 采用分步法对低强度空心玻璃微球充氘氚气体。为了充气,建立一套高压系统,在15MPa下漏率为3.7×10^-4 PaL/s。用铀床和LaNi₅床组合起来,作为充气的高压气源。室温和250℃时,玻璃微球的最大承受压力为1.0MPa,内外压之比约0.51。在250℃时,对微球进行充气,充进微球内的氘氚气体量为0.51～0.54Mpa,满足了物理实验的要求。     

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。     

载气环境对液态空心玻璃微球运动状态的影响

 研究了载气组份、温度、压力以及微球直径和壁厚对液态空心玻璃微球在炉内运动状态的影响。结果表明：在用干凝胶法制备空心玻璃微球工艺的常用载气组份、温度和压力范围内,载气的组份、温度和压力对相同直径和壁厚的液态玻璃微球在炉内运动速度的影响小于8.3%,但载气组份和压力对液态玻璃微球运动雷诺数和韦伯数的影响很显著。玻璃微球的直径和壁厚是液态玻璃微球运动速度、雷诺数和韦伯数的重要影响因素。提高载气中的氦气含量或降低载气压力可以降低载气对液态玻璃微球的非球形化作用,提高载气温度可以降低其球形化的阻力。     

空心玻璃微球与载气之间传热过程的影响因素

 为实现玻璃微球与载气之间传热过程的定量控制,建立了玻璃微球与载气之间的热传递模型,研究了载气组份、温度、压力以及微球直径和壁厚对玻璃微球与载气之间传热过程的影响。结果表明：在干凝胶法制备空心玻璃微球工艺中常用载气组份、温度和压力范围内,载气温度和压力对玻璃微球与载气之间传热阻力的影响都可以忽略,但载气中的氦气含量对微球与载气之间传热阻力的影响很显著。随着微球壁厚的增大,玻璃微球与载气之间传热阻力显著增加。因此,改变载气中的氦气含量可以作为控制微球与载气之间传热过程的有效方法,并且随着微球壁厚的增大,提高载气中的氦气含量对增强载气与微球之间传热性能的作用逐渐增强。     

化学气相沉积-氧化烧结法制备惯性约束聚变靶用空心玻璃微球

为实现惯性约束聚变靶用空心玻璃微球直径、壁厚的可控,采用等离子体辉光放电聚合技术,以四甲基硅烷为掺杂气源,对化学气相沉积-氧化烧结法制备空心玻璃微球(HGM)这一制备方法进行了探索。实验结果表明:制备直径为400~600μm、壁厚为5~15μm的HGM,原子分数为5%是一个较合适的掺硅量,成功将微球直径和壁厚的收缩量控制在38%左右;玻璃化后样品中C含量明显降低,主要以C—Si键合形式存在,而Si含量相对增加,主要以Si—O键合形式存在;预充1.23×106 Pa氘气的微球,96h后球内剩余气压依然高达72.95%。     

工作压强对空心玻璃微球表面形貌和性能的影响

采用化学气相沉积-氧化烧结法,在不同工作压强条件下,制备了惯性约束聚变靶用空心玻璃微球(HGM)。利用扫描电子显微镜、原子力显微镜、VMR显微镜系统和能谱仪对HGM的表面形貌、球形度、壁厚均匀性以及成分进行了表征。分析了工作压强对HGM表面形貌、球形度、壁厚均匀性和成分的影响以及相互关系。研究表明:HGM的表面形貌随工作压强的增大而变得平滑致密,表面均方根粗糙度逐渐减小。随工作压强增大,HGM的球形度没有发生明显变化,而壁厚均匀性得到不断提高,微球中C元素浓度逐渐降低,Si元素浓度不断升高,O元素浓度基本保持不变。     

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。     

惯性约束聚变靶用空心玻璃微球的渗透性能

为实现对干凝胶法空心玻璃微球(HGM)渗透性能的有效调控,研究了初始玻璃配方、载气成分、精炼温度、精炼区长度、HGM壁厚对HGM渗透性能的影响。结果表明:当精炼温度低于1400 ℃时,初始玻璃配方对HGM渗透性能有显著影响。但是,随着精炼温度的升高和精炼区长度的延长,液态玻璃中碱金属氧化物的挥发比例逐渐增大,由不同初始玻璃配方制备的HGM对氘气的渗透性能逐渐趋近于相同。随着载气中氦气体积分数的降低或HGM壁厚的增大,室温下HGM对氘气的渗透系数逐渐减小。     

厚壁空心微球的球形度和壁厚均匀性的表征研究

为建立高效简洁的厚壁空心微球球形度和壁厚均匀性的表征和测量方法,以内径850μm、壁厚25μm的厚壁聚苯乙烯(PS)微球为测量对象,分析球形度和壁厚均匀性的表征方法,探讨测量过程中采样方式对表征微球球形度和壁厚均匀性的影响。研究表明:对于批量微球球形度和壁厚均匀性的表征,当抽样数目不小于30时,测量结果之间的差异很小;而对于单一微球的球形度和壁厚均匀性的表征,至少3个不同投影面的测量结果的平均值才趋于稳定。不同投影面导致球形度或壁厚均匀性较差的批次样品的测量结果有一定差异,多次投影测量可提高测量结果的可靠性。     

分步加压法测量薄壁空心玻璃微球的耐压能力

 根据空心玻璃微球（HGM）耐内、外压能力与玻璃强度及形状因子的关系,用压力负荷分步增加的方法分别实验测量了直径为350μm～550μm、壁厚＜1.1μm的3种配方HGM的耐内、外压能力及HGM玻璃的杨氏模量和拉伸强度,并由强度测定值给出了不同直径与壁厚HGM的耐内、外压能力的计算式,分析了测量误差,提出了改进方案。