无源柱腔充气靶制备技术

　　在激光惯性约束聚变(ICF)间接驱动中,激光通过加热金柱腔内壁转换成X光对靶丸进行烧蚀和压缩,从而达到聚变条件。打靶在真空下进行,因此柱腔内处于真空状态。打靶时柱腔内充有一定压力的气体则称为柱腔充气靶,这种实验用靶对于开展激光与等离子体耦合、X光产生、黑腔等离子体物理和内爆物理等现象与规律的研究具有重要意义。

　　国外研究主要采用准动态充气,封口膜———聚酰亚胺薄膜厚度为0.4~1.0μm[1-4]。国内最早的柱腔充气靶制备工艺与国外基本相同[5-7],但因国内外靶室条件差异,采用准动态充气的柱腔充气靶由于在打靶时释放气体过多,在国内应用受到限制,因此,有必要改进柱腔充气靶的充气方式。本文在分析柱腔充气靶的原理、结构的基础上,研究了无源柱腔充气靶的制备工艺和保气性能,利用自行设计的成品靶储存装置,实现了靶的储存、运输和异地靶。

　　1　柱腔充气靶结构及充气工艺

　　1.1　柱腔充气靶原理和结构

　　在打靶时,柱腔内表面形成的等离子体从高密度膨胀到低密度时,流体动力学运动消耗了相当一部分能量。如果在柱腔内充入原子序数较高的惰性气体[1-3],由于其形成等离子体的密度低于临界密度,并且没有能量消耗在流体动力学运动上,因此这种柱腔充气靶产生的辐射场更有效。另外,可在柱腔内充入低压低原子序数气体[2-4],它们可以阻挡激光辐照面上产生的高能电子对靶丸产生的非均匀初始作用,改善腔内辐射场的均匀性,有利于抑制等离子体运动等。

　　柱腔充气靶的结构如图1所示。靶的具体尺寸与所使用的激光器能量和实验要求有关。实验时,柱腔处于真空环境中,为了防止腔内气体在抽真空时跑掉,在诊断口和激光入射口都有阻气的薄膜———端口膜,目前使用的端口膜是聚酰亚胺薄膜,厚度由气体压力决定,对于0.1 MPa的气体,薄膜厚度为0.4μm[4-6]。

　　1.2　柱腔充气工艺比较

　　充气靶根据充气方式分有动态充气、准动态充气和静态充气3种。准动态充气方式制备的就是通常所说的柱腔充气靶,静态充气制备的柱腔充气靶因靶与气源分开可称为无源柱腔充气靶。动态充气靶的激光入射口没有薄膜,充气与激光打靶同步,腔内气体不均匀,因同步要求高,制靶难度非常大;准动态充气和静态充气都是利用端口膜封住气体。无源柱腔充气靶充气端口膜要有一定的保气能力,考虑到充气靶内气体的扩散,腔内初始压力要高于实验时的压力,端口膜比较厚,这样必然导致激光能量损失增大,薄膜产生的等离子体对腔内影响较大,优点是不用外接充气管道,有利于靶的安装。准动态充气靶在激光打靶前开始充气,腔内气体达到要求后立即打靶,端口膜主要要求耐压能力强,所用端口膜较薄,其优点是充气工艺是在靶室打靶时实现的,可即时测量充气靶内气压,是国外普遍采用的制备充气靶方法[1-3]。3种靶的结构见图2。