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。

适用于ICF靶夹持的多用微夹持器

针对惯性约束聚变靶零件的特点和靶装配应用环境,研制了一种多用微夹持器。该微夹持器以压电陶瓷驱动柔性钳体,集成张合量和夹持力控制功能,可更换各种形状夹口和调整夹口初始开口距离,以适应多种靶零件的夹持。利用有限元分析方法对钳体柔性机构进行了优化设计。通过检测钳体张合时不同部位柔性铰链的应变量,实现了张合量和夹持力的独立控制,并对张合量和夹持力进行了精确标定。实验结果表明:微夹持器张合量达到1 320μm,其控制分辨力为5μm;夹持力为365.0 mN,其控制分辨力1.3 mN。

ICF靶低密度聚合物多孔材料研究进展

概述了国内外ICF靶低密度多孔材料(泡沫、气凝胶)的发展现状,着重介绍了间苯二酚甲醛(RF)气凝胶、水溶性聚合物泡沫、聚苯乙烯泡沫、聚-4-甲基-1-戊烯(PMP)泡沫、聚丙烯酸酯泡沫等的制备技术及有关泡沫材料的掺杂技术,对我国过去十余年在低密度聚合物多孔材料研制方面取得的研究进展进行了较为系统的总结,并对“十五”期间应尽快开展的有关研究工作进行了简要介绍。

X射线法ICF靶丸几何参数批处理及壁厚分布计算

分析了靶丸微焦X射线成像的基本原理,采用改进Hough变换对靶丸X射线数字图像进行自动圆参数检测,结合最小二乘圆拟合算法获得了精确的多层靶丸几何参数,给出了靶丸图像批处理的整个分析流程,并开发了一套完整的靶丸X射线图像批处理计算软件。在此基础上讨论了靶丸壁厚分布的批处理计算问题,给出了多层靶丸壁厚分布状态及单层靶丸全表面壁厚分布情况的计算示例。

高分子材料在ICF靶中的应用及其制备技术

概述了高分子材料在惯性约束聚变(ICF)靶中,作为氖-氚(D-T)燃料容器、泡沫材料、空心固体靶丸、膜层材料、靶装配胶等方面的应用,并简要介绍了有关材料的特性及其制备方法。

X射线法测量ICF靶丸参数中表面轮廓法的应用

在 ICF靶参数测量中 ,用接触 X射线显微辐射照相法记录微球 X射线图像 ,采用精密表面轮廓仪处理微球 X射线图像 ,直接测量了单层微球壁厚。与光干涉法比较 ,两种方法测量结果相差小于 0 .3 μm。

ICF靶用泡沫铜的制备与表征

以次磷酸钠为还原剂的化学镀进行导电化处理，研究了ICF靶用泡沫铜的电沉积工艺。采用扫描电子显微境和X射线衍射仪对制备过程中各阶段泡沫铜的微观结构进行了表征。结果表明：经化学镀后可获得晶粒尺寸小、分布均匀的铜沉积层。电沉积后铜沉积层主要由0．55μm的小颗粒组成，并且出现突出大颗粒的形貌特征。在氢气氛围下，经700℃热处理后，铜颗粒进一步长大，沉积层结晶致密。制备的泡沫铜呈3维网络状结构，分布均匀密度为0．19g／cm^3，孔径分布为400-600μm，孔隙率达97．9％。

X射线法测量的ICF靶丸参数的图像分析

在ICF靶丸参数测量中,采用接触X射线显微辐射照相法获得靶核的X射线吸收底片图像,将该底片放置于显微镜下并用CCD获得了数字化图像。基于该数字化图像信息,编写了一套完整的计算机算法来计算靶参数。采用辐向平均法标定出靶中心,采用图像强度函数对半径的二阶微分来确定出靶层分界位置,计算精度约为0.2pixels。

背光阴影成像技术表征ICF靶丸内表面粗糙度

发展了背光阴影成像技术,用于诊断透明ICF冷冻靶冰层内表面质量。分析了单层球壳阴影图像中形成亮环的物理机制。用光学追迹软件Tracepro模拟产生了透明单层球壳的阴影图像,用于研究亮环位置与球壳厚度及折射率的关系。建立了背光阴影成像实验装置,获得了透明单层球壳具有明显亮环的实验阴影图像。编制了阴影图像处理软件,获得了靶丸内表面1维功率谱曲线,并据此计算出靶丸内表面均方根粗糙度。理论分析、软件模拟及实验研究均表明,背光阴影成像技术是透明冷冻靶冰层内表面质量的有效诊断方法。

基于有限元分析的ICF靶半自动装配系统的微夹钳设计

根据惯性约束聚变(ICF)靶零件的特点,确定用于ICF靶半自动装配系统微夹钳的技术指标,并完成其结构设计。该微夹钳采用柔性铰链机构和压电陶瓷驱动,可根据需要更换不同形状和开口距离的夹口,以适应夹持不同靶零件。以压电陶瓷的2种极限参数为载荷,分析了微夹钳的张合量、应力分布、应变量,并采用非线性接触分析对夹持力和夹持效果进行了模拟。通过多次有限元分析和优化设计,确定了微夹钳的最佳尺寸结构。从各项分析结果表明:该微夹钳各项性能参数满足ICF靶装配的要求。

一种ICF靶用智能靶涂层的结构和性能表征

合成了一种材料N,N′-二苯并咪唑-苝二酰亚胺（PV），经多次真空升华提纯，产率为68%，纯度达95%以上。利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）、紫外/可见吸收光谱（UV/Vis）、元素分析、热失重分析（TG）对该产物的结构和性能进行了表征。结果表明：苝四甲酸二酐（PTCDA）与邻苯二胺反应，易转化成二苯并咪唑苝类衍生物。该PV材料在450～750nm范围内有两个强的吸收峰，其初始热分解温度约为510℃，热稳定性较好。

ICF靶丸表面形貌分析

用AFM轮廓仪测量了ICF靶丸3个相互正交方向上的表面高度数据。分析了测量数据的误差来源,给出了消除表面异常扰动和偏心距两类误差的方法和原始数据预处理步骤,采用最小二乘法评定了靶丸球度。给出了靶丸表面形貌一维功率谱估计计算方法和表面粗糙度的计算方法。

退火工艺对ICF靶用冷轧镍膜的影响

为了满足惯性约束聚变(ICF)和状态方程(EOS)实验以及靶装配工艺的需要,在薄膜轧制过程中间以及轧制工艺完成以后需要对镍膜进行热处理来改善其组织结构和力学性能。对多辊轧机冷轧的方法制备的厚11μm镍膜中间退火工艺进行了研究,根据确定的合适的退火工艺退火后继续轧制得到成品镍膜厚7μm,表面粗糙度小于50 nm,基本满足目前状态方程实验对箔膜的要求。金相显微照片表明镍膜晶粒经500℃保温1 h退火由轧制前的条带状变为等轴晶;镍膜硬度经500℃退火后由4 GPa降低到了2.3 GPa左右;XRD衍射测试表明镍膜经500℃以上温度退火后,高角度的衍射峰开始出现,织构得到一定程度的改善。由此可以确定镍膜合适的中间退火温度为520℃保温1 h。

ICF靶丸装配误差检测

针对激光惯性约束聚变装置中靶丸装配误差检测困难、要求精度高的特点,研制了一套用于微靶装配参数检测的测量系统。提出了一种基于激光与CCD的复合式测量方法,建立了二者数据融合的数学模型,通过标定空间位置关系有效地把二者的测量数据融合到同一个坐标系中,从而实现了高精度三维测量。分两种情况讨论了靶丸装配误差的检测方法。实验结果验证了这两种方法的可行性,并比较了两种方法的测量精度,其极限测量误差均不超过3μm。

旋转涂膜法制备ICF靶用气凝胶薄膜工艺研究

以间苯二酚(resorcin01)、甲醛(formaldehyde)为有机反应的前驱体,以溶胶—凝胶法(sol—gel)为主要反应历程,通过旋转涂膜法镀制厚度在100μm以下的,与传统块体制备方式不同的有机气凝胶(organicaerogel)薄膜。研究了在涂膜过程中,旋转角速度、涂液的表观粘度以及旋转时间对涂层厚度的影响。结果发现:涂液的表观粘度和旋转角速度是影响薄膜厚度的最主要因素。

磁性ICF靶丸的化学镀工艺制备与表征

采用化学镀工艺在ICF聚苯乙烯靶丸表面包覆了一层磁性的Ni-P合金镀层,并分别用扫描电子显微镜、能谱仪、X射线衍射仪以及振动样品磁强计对其形貌、组成、结构和磁性能进行了表征。结果表明:通过化学镀工艺制备的Ni-P合金镀层厚度约为4μm,且为非晶结构,并具有一定的磁性;该磁性ICF靶丸可望用来进行磁悬浮实验研究。最后,对聚苯乙烯靶丸表面磁性涂层的制备机理进行了讨论。

ICF靶丸类微球在近场声悬浮系统中的悬浮实验研究

为实现均匀辐照,ICF靶的无接触支撑是关键。提出用近场声悬浮对ICF靶进行无接触支撑,对悬浮ICF靶丸类微球的压电换能器和悬浮系统进行了初步设计,换能器发射端采用了凹球面结构,利用ANSYS软件对发射端的凹球面结构进行了优化。并构建了近场声悬浮测试系统,对不同直径的钢球在不同工作电压下进行了悬浮实验。实验结果表明:当发射端凹球面直径与钢球直径接近或相等时,悬浮效果是最好的,并且用气动的方式可以实现悬浮钢球的非接触驱动。当工作电压为600 V时,钢球的悬浮高度为50μm,扰动振幅为3μm,这说明ICF靶近场声悬浮是可行的。

ICF靶丸内燃料的气液两相组分组成分析

在质量守恒的基础上,运用拉乌尔定律和道尔顿分压定律,对以摩尔分数比为3∶3∶4比例充入到ICF靶丸内的氘气、氚气和氘化氚三元系的热核燃料,在工作温度为22,24,26,28和30 K下处于相平衡时气液两相的组分组成进行了分析讨论。结果显示:工作温度为22 K时,随着充气压强从1 MPa增大到5MPa,液层中氘气的摩尔分数从0.251增大到0.290,氚气的摩尔分数从0.350减小到0.310;气泡中氘气的摩尔分数从0.322增大到0.365,氚气的摩尔分数从0.278减小到0.241。充气压强为5 MPa时,随着工作温度从22 K提高到30 K,液层中氘气摩尔分数从0.290减小到0.261,氚气的摩尔分数从0.309增大到0.341;气泡中氘气的摩尔分数从0.365减小到0.302,氚气的摩尔分数从0.241增大到0.298。

ICF靶PVA-PS双层空心微球的研制

介绍了惯性约束聚变（ＩＣＦ）靶用聚乙烯醇－聚苯乙烯（ＰＶＡ－ＰＳ）双层塑料空心微球的制球工艺及实验结果。采用微封装技术及三维旋转真空干燥技术，制得的ＰＶＡ－ＰＡ双层空心微球，直径１００～５００μｍ，壁厚１０～３５μｍ，（ＰＶＡ层５～１５μｍ，ＰＳ层５～３０μｍ），球形度及同心度分别优于９５％及８５％，表面粗糙度低于３００ｎｍ。该双层微球的主要技术指标均已达到ＩＣＦ制靶要求。

一种基于双面白光共焦光谱的ICF靶零件平行度测量方法

为了精密测量ICF靶零件的平行度,本文提出了一种基于双面白光共焦光谱的样品平行度测量方法。该方法利用双向对顶安装的白光共焦传感器组件、精密位移平台对样品上下表面轮廓进行测量,使用最小二成拟合方法计算上下表面相对于水平平面的角度偏差,然后,计算出样品的平行度。测量不确定度评估结果表明,当K=2时,该方法的测量不确定度可达0. 0016°。