激光燒蝕R-T不穩(wěn)定性研究中的雙模式CH平面調(diào)制靶制備

唐 俊，謝志勇，杜 艾，葉君建，張志華，沈 軍，周 斌,*

(1.同濟(jì)大學(xué) 上海市特殊人工微結(jié)構(gòu)材料與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092；2.上海激光等離子體研究所，上海 201800)

瑞利-泰勒(R-T)不穩(wěn)定性在慣性約束聚變(ICF)中是一重要的研究?jī)?nèi)容[1-2]。引起該不穩(wěn)定性的主要原因有靶丸表面的粗糙度，靶丸的不完全對(duì)稱及輻照不均勻。這些初始擾動(dòng)在不穩(wěn)定性發(fā)展的過(guò)程中會(huì)被不斷放大最終引起推進(jìn)層與熱核燃料的混合，降低熱斑溫度，從而降低內(nèi)爆效率甚至導(dǎo)致點(diǎn)火完全失敗。因此，通過(guò)分解實(shí)驗(yàn)獲得R-T不穩(wěn)定性增長(zhǎng)的信息在ICF的研究中具有重要的意義。理論已證明可通過(guò)平面薄膜表面的擾動(dòng)圖形，來(lái)模擬各初始擾動(dòng)在不穩(wěn)定性增長(zhǎng)過(guò)程中對(duì)靶丸壓縮、殼破裂和混合的影響[3-4]，國(guó)內(nèi)外在平面調(diào)制靶的制備及R-T不穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)方面均進(jìn)行了大量的工作。LLNL的Hsieh等[5]、中國(guó)工程物理研究院的謝軍等[6-8]利用單點(diǎn)金剛石車削技術(shù)加工了正弦波曲面，并以此輪廓為圖形模板復(fù)制出多種有機(jī)薄膜的平面調(diào)制靶，同濟(jì)大學(xué)的周斌等[9-10]采用激光全息干涉結(jié)合電鍍Ni圖形轉(zhuǎn)移工藝獲得了具有表面起伏圖形的Ni模版，利用旋轉(zhuǎn)涂覆工藝將圖形轉(zhuǎn)移至薄膜表面，獲得了聚苯乙烯等材料的平面調(diào)制靶。R-T不穩(wěn)定性的增長(zhǎng)大致可分為線性、非線性和湍流3個(gè)階段，初始擾動(dòng)的幅度相對(duì)于波長(zhǎng)的大小決定了R-T不穩(wěn)定性發(fā)展所處的階段。為研究不同初始幅值下非線性演化的差別，本文采用單點(diǎn)金剛石車削技術(shù)加工兩側(cè)具有不同擾動(dòng)幅度的模板，并結(jié)合旋轉(zhuǎn)涂覆工藝將模板上的擾動(dòng)圖形轉(zhuǎn)移至CH薄膜表面，擬獲得實(shí)驗(yàn)用的雙模式CH平面調(diào)制靶，利用QC-5000型光學(xué)顯微鏡、alpha-step 500型臺(tái)階儀、NT1100型白光干涉儀等對(duì)模板及CH平面調(diào)制靶的周期、振幅等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。

1 靶的制備

1.1 雙模式CH平面調(diào)制靶設(shè)計(jì)

CH材料只含有C、H兩種原子，原子序數(shù)低，具有良好的能量沉積性能、機(jī)械加工性能和抗輻射性能，是一常用的靶丸燒蝕材料。因此，本文選用聚苯乙烯為實(shí)驗(yàn)靶材料。根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，雙模式調(diào)制靶的兩段擾動(dòng)的波長(zhǎng)T1與T2相同，均為55 μm，但兩段擾動(dòng)的幅值不相等，擾動(dòng)1的幅值A(chǔ)1=2 μm，初始時(shí)刻在線性區(qū)域；擾動(dòng)2的幅值A(chǔ)2=5 μm，初始時(shí)刻在非線性區(qū)域。同時(shí)保證兩段擾動(dòng)的平衡位置在同一水平面。雙模式調(diào)制靶的示意圖如圖1所示。

圖1 雙模平面調(diào)制靶的示意圖

1.2 平面調(diào)制靶用模板制備

本文的模板采用太空鋁合金為材料，利用精密單點(diǎn)金剛石車削技術(shù)進(jìn)行加工，車床的數(shù)控分辨率為10 nm。采用的金剛石刀具刀尖曲率半徑為3 μm，刀尖角約為15°，對(duì)鋁合金進(jìn)行端面車削。工件采用真空負(fù)壓夾持，車床床身和主軸均采用氣浮方式，以降低外界振動(dòng)對(duì)車床的影響。通過(guò)噴霧冷卻方式對(duì)工件進(jìn)行冷卻。切屑通過(guò)切屑抽取裝置抽出，避免切屑損傷已加工工件表面。加工環(huán)境溫度約25 ℃，濕度30%，萬(wàn)級(jí)超凈。

1.3 CH平面調(diào)制靶制備

將CH顆粒溶于三氯甲烷，經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間攪拌并過(guò)濾后獲得一定濃度的CH溶液。然后利用KW-4A臺(tái)式勻膠機(jī)，采用旋轉(zhuǎn)涂覆工藝在鋁合金模板表面涂覆一層CH薄膜。待薄膜成型后將其從模板上揭下，模板上的調(diào)制圖形便轉(zhuǎn)移到CH薄膜上，從而獲得了具有雙模擾動(dòng)的CH平面調(diào)制靶。CH平面調(diào)制靶的厚度可通過(guò)CH溶液的濃度及自旋轉(zhuǎn)的速度來(lái)調(diào)節(jié)。所得到的CH平面調(diào)制薄膜最終切割成寬約200 μm的長(zhǎng)條，用于神光Ⅱ上的R-T不穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)。

2 結(jié)果表征

2.1 模板及CH平面調(diào)制靶的光學(xué)顯微鏡測(cè)量

采用光學(xué)顯微鏡對(duì)鋁合金模板及CH平面調(diào)制靶的表面和截面進(jìn)行測(cè)量，圖2為鋁合金模板表面的光學(xué)顯微鏡放大圖。從圖2可看出，兩側(cè)擾動(dòng)類似于正弦曲線，具有相同的周期，而擾動(dòng)幅度明顯不同，與設(shè)計(jì)的參數(shù)一致。

圖3為CH平面調(diào)制靶的光學(xué)顯微鏡放大圖。從圖3可看出，兩側(cè)的擾動(dòng)周期相同，而振幅不同，模板表面的圖形成功地轉(zhuǎn)移至CH薄膜表面。

圖2 鋁合金模板的表面形貌

圖3 CH平面調(diào)制靶的表面形貌

2.2 模板及CH平面調(diào)制靶的臺(tái)階儀測(cè)量

采用alpha-step 500型臺(tái)階儀對(duì)鋁合金模板及CH平面調(diào)制靶的表面起伏進(jìn)行精確測(cè)量，圖4為臺(tái)階儀測(cè)得的鋁合金模板和CH平面調(diào)制靶的表面起伏。從圖4可看出，鋁合金模板兩側(cè)的擾動(dòng)周期基本相同，均為54 μm左右。左側(cè)的擾動(dòng)幅度為4.849 μm，右側(cè)的擾動(dòng)幅度為1.961 μm，兩側(cè)擾動(dòng)的平衡位置在同一水平線。CH平面調(diào)制靶的擾動(dòng)圖形與模板均在兩側(cè)具有相同的周期，而擾動(dòng)幅度不同，擾動(dòng)周期與模板一致。左側(cè)的擾動(dòng)幅度為4.825 μm，右側(cè)的擾動(dòng)幅度為1.949 μm，擾動(dòng)的平衡位置同樣在同一水平線。左右兩側(cè)的擾動(dòng)幅度與模板的差別均在0.01 μm量級(jí)，比較模板與CH平面調(diào)制靶的起伏圖形可發(fā)現(xiàn)，二者的起伏圖形在左右兩側(cè)的交接處互補(bǔ)，由此可說(shuō)明模板表面的圖形被精確地轉(zhuǎn)移到了CH薄膜上。

圖4 鋁合金模板和CH平面調(diào)制靶的表面起伏

2.3 模板及CH平面調(diào)制靶的白光干涉儀測(cè)量

采用NT1100型白光干涉儀對(duì)模板及CH平面調(diào)制靶進(jìn)行測(cè)量，圖5a為模板的三維形貌，從圖中可清楚地看到兩側(cè)擾動(dòng)振幅的不同，整個(gè)曲面較光滑，與正弦曲線非常接近，兩側(cè)擾動(dòng)的平衡位置處于同一水平面。圖5b為CH平面調(diào)制靶的三維形貌，平面調(diào)制靶的擾動(dòng)同樣具有兩側(cè)同周期不同振幅的特征，且在兩側(cè)擾動(dòng)的交接處與模板互補(bǔ)，兩側(cè)擾動(dòng)的平衡位置在同一水平面。由此表明整個(gè)制備過(guò)程實(shí)現(xiàn)了調(diào)制圖形由模板向CH薄膜的轉(zhuǎn)移，獲得了滿足R-T不穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)特殊要求的雙模式CH平面調(diào)制靶。

圖5 鋁合金模板(a)和CH平面調(diào)制靶(b)的表面輪廓

2.4 CH平面調(diào)制靶的厚度調(diào)節(jié)

CH平面調(diào)制靶的厚度H通過(guò)所用CH溶液的濃度和旋轉(zhuǎn)涂覆時(shí)勻膠機(jī)旋轉(zhuǎn)的速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，所制得的靶的成膜性較好，厚度較均勻，厚度范圍大致為15～40 μm。CH溶液濃度、勻膠機(jī)旋轉(zhuǎn)速度與所制得的CH平面調(diào)制靶的厚度的關(guān)系列于表1。

表1 CH平面調(diào)制靶的厚度、CH溶液濃度與勻膠機(jī)旋轉(zhuǎn)速度的關(guān)系

3 結(jié)語(yǔ)

采用單點(diǎn)金剛石車削技術(shù)，在鋁合金表面加工了兩側(cè)具有相同周期、不同振幅的雙模式調(diào)制模板。兩側(cè)的擾動(dòng)周期均為54 μm，擾動(dòng)幅度分別為4.8 μm和1.9 μm，擾動(dòng)的平衡位置在同一水平面，與設(shè)計(jì)值基本一致。然后利用旋轉(zhuǎn)涂覆工藝，將模板上的擾動(dòng)圖形轉(zhuǎn)移到CH平面薄膜上，獲得了雙模式CH平面調(diào)制靶。采用多種手段對(duì)獲得的模板及CH平面調(diào)制靶進(jìn)行了測(cè)量與表征。結(jié)果表明。實(shí)際獲得的參數(shù)與設(shè)計(jì)值基本一致，實(shí)現(xiàn)了調(diào)制圖形由模板到CH薄膜上的精確轉(zhuǎn)移，制得的CH平面調(diào)制靶滿足R-T不穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)的要求。

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