金属泡沫al激光靶的研制.pdf

常富华:女, 54岁,核物理专业,实验师收稿日期: 1998211202 收到修改稿日期: 1999201213第33卷第4期原子能科学技术Vol . 33,No. 41999年7月A tom ic Energy Science and TechnologyJuly 1999金属泡沫Al激光靶的研制常富华(中国工程物理研究院核物理与化学研究所,成都, 610003)张流强(上海冶金研究所,上海, 200050)介绍金属泡沫A l激光靶的制备工艺,并对金属泡沫A l的密度、 结构和成分进行了分析测试关键词 金属泡沫 气相沉积 低密度中图法分类号 O48411,O48415在惯性约束聚变(ICF)激光实验中,当高强度激光照射到靶上时,相当部分激光能量转换成了超热电子,这些超热电子的部分能量加热靶物质到相当温度[1],一方面可引起内层靶丸(D1T)的预热,降低烧蚀压缩质量;另一方面影响能量的转换效率若在靶结构材料中用低密度高电阻率的泡沫金属材料做成转换层,将有效地减小预热深度,使转换效率提高很多 在ICF激光实验中,为了实现对超热电子的有效抑制,设计制成了一种特殊的金属材料——低密度金属材料靶[1, 2]。

这种材料具有极低的密度,其密度约为金属密度的1 % (最低达015 % ),有类似于泡沫的微结构,故被称为金属泡沫,它由大量亚微米尺寸的金属微粒和微空 隙构成英国已用气相蒸发法制备出了密度为金属密度1 %～10 %的泡沫金、 铅平面靶美国也 用同样方法制备出了类似泡沫金平面靶,同时在有机微球上进行了泡沫金的沉积,成功地用于ICF实验1 金属泡沫Al的制备采用物理汽相沉积电阻蒸发方法制备金属泡沫A l,即在较高的惰性气氛(102～104Pa)中缓慢蒸发金属材料蒸发出来的金属原子在前进过程中与惰性气体分子碰撞、 散射,迅速失去动能 这一过程在宏观上表现为金属蒸气温度降低,蒸发的金属原子在未到达基衬前便互相结 合形成原子团簇,故在蒸发过程中可看到 “金属烟” 各团簇间亦有可能互相结合形成更大的团 簇,所有这些团簇在惰性气体的携带下继续降温并沉积在基衬上因温度低,原子难以迁移或扩散,故 “金属烟” 微粒只是疏松地堆砌起来,形成多孔泡沫结构 制备金属泡沫A l所用的镀膜机示于图1,它由JK2300高真空机组配玻璃钟罩组成加热 电源由500A?10V输出变压器与5 kW调压器、 互感器、 电流表组成。

电流由调压器控制导 气系统由密封的不锈钢导气管、 气压表、 流量计和微调阀组成气流量由微调阀调节控制真 空室内惰性气体压力由数字式宽量程真空计检测,该真空计量程为10- 1～105Pa图1 气相蒸发装置Fig. 1 Equipment for evaporating in inert atmosphere金属泡沫的形成受金属材料、 加热功率、 惰性气体气压、 蒸发源加热器类型、 蒸发源与基衬距离及基衬材料等多种因素影响 其中加热功率、 惰性气体气压和惰性气体流量是最重要的控制参数,只有当各参数匹配时,才能制备出低密度的金属泡沫2 分析测试211 形貌分析不同密度的A l样品扫描电镜示于图2根据Katz和Thompson的理论,多孔介质的空隙空间和空隙界面都具有分形结构,并且具有相同的分形维数在分形维数和空隙度之间存在着一个简单的关系:5=A(I1?I2)3-D式中:I1、I2分别为自相似结构尺寸的上限和下限;A为常数,一般可取为1;D为分形系数若取I1= 2 nm ,这是空隙空间晶核的最小尺寸,令I2= 5Λm,这是测量得到的金属烟粒径的最大尺寸,由此可得密度为金属密度1 %的金属泡沫的分形维数为112。

对于不同密度的金属泡沫,空隙空间晶核的最小尺寸和最大尺寸都会发生变化,因而其分形维数是不相同的由于金属泡沫是导电材料,用电镜观察较为方便,因而它将是研究分形结构的一种理想材料013原子能科学技术 第33卷图2 不同密度的金属泡沫A l样品的扫描电子显微镜照片Fig. 2 SEM m icrographs of metal foam(a)——0167 %金属密度 (b)——0190 %金属密度金属泡沫的这种结构是由于金属蒸汽的非平衡凝固而形成的液态金属在陡的温度梯度 下非平衡凝固将产生树枝状结晶,呈径向对称的树枝状生长将得到一种雪花状的蓬松结构,因 此,推测金属烟是三维树枝状生长形成的结果从气态直接转变为固态,温度梯度远大于一般 的凝固过程,浓度梯度也大,因而结晶率极低,结构更为疏松212 密度测量金属泡沫的空隙度是决定金属泡沫性质的重要参数,它可由金属泡沫的密度来反映 由于 金属泡沫结构疏松,光学吸收系数大,其密度很难用常规方法进行直接定量测量,因而采用 “两 次称重+电镜” 的方法来确定,其具体流程如下: 基衬处理→第1次称重(基衬质量m1)→沉积金属泡沫→第2次称重(基衬+金属泡沫总 质量m2)→面积测量(金属泡沫面积S)→电镜测厚(泡沫厚度d)→金属泡沫密度Θ=m Sıd=m2-m1 Sıd所谓电镜测量,就是用SEM观察金属泡沫膜层的剖面,直接测量厚度d。

用万分之一精密度的电子天平称重天平的感量为1Λg,零点漂移不大于±3Λg密度测量的相对误差不超过±30 %213 金属泡沫Al成分分析 对金属泡沫A l进行波谱和电镜分析,结果示于图3和图4由图可知,泡沫A l中没有吸 附氧或氧化铝,因而可认为泡沫A l较稳定214 金属泡沫密度与惰性气体压力的关系 对不同工艺条件下制备的金属泡沫A l样品密度进行了测量结果发现:加热功率必须达 到一定值时才能进行蒸发,当惰性气体A r的压力达102～104Pa时才能形成泡沫A l当加热 功率一定时,改变惰性气体的压力可控制金属泡沫的密度当惰性气体的压力为102～103Pa 时,金属泡沫密度与惰性气体的压力有类似反比的关系,压力越大,密度越小结果示于图5 在加热功率一定时,惰性气体的压力决定了金属A l蒸气的冷却速率流量大,蒸发源附 近的温度梯度也大,生成的金属烟结晶少,空隙度大,生成的金属泡沫的密度也就低但是,当 惰性气体的压力大于104Pa时,金属泡沫A l“金属烟” 从钟罩密封处外溢,泡沫A l密度反而增113第4期 常富华等:金属泡沫A l激光靶的研制图3 A l基衬金属泡沫A l的波谱分析Fig. 3 Spectrum of A l based A l foam图4 金属泡沫A l扫描电镜成分分析Fig. 4 SEM composition analysis of A l foam大,膜层厚度也随着减小。

气压小于102Pa时 不能形成 “金属烟” 图5 金属泡沫A l密度与惰性气体压力的关系Fig. 5 Relation between A l foam density andpressure of inert gas●——一级喷头;×——二级喷头;▲——三级喷头215 加热器和惰性气体输入方式 为了得到密度和厚度随时可以控制的金属泡 沫铝激光靶,对蒸发铝的加热器进行了实验先后 试验过金属钨丝发夹形、 正旋式直形、 环形、 纵横多 股螺旋线形、 锥形、 直丝并排式及钼箔制成的舟形等加热器最后选用直钨丝并排式加热器 设计了3种A r气输入喷头第1种 <30 mm , 高1915 mm ,中心为1个 <2 mm气孔的喷头;第2 种是在第1种喷头上套加1个 <3312 mm、 从里至 外为中间一孔,外围共4圈70个 <2 mm孔均匀分布的小型喷头;第3种是在第1种喷头上,再加1 个2层大球形喷头,第1层为 <30 mm平喷头,中 间一孔,外围共4圈70个 <2 mm孔均匀分布,第2 层为 <54 mm大球形喷头,中心一孔,外围共4圈196个 <2 mm孔均匀分布实验表明,用第3种喷头,当气压为8×103Pa 时,在 <160 mm范围内基衬上得到的金属泡沫A l密度最小,膜厚也较均匀。

这是因为惰性气体经过二级喷头喷出面积大,A r气和蒸发出的A l 蒸气在较大范围内混合均匀,A l蒸气在到达基衬的前进过程中与A r气发生碰撞散射,迅速冷却,故而生成的金属泡沫A l密度小使用二级喷头,当A r气压力为8×103Pa时,对 <160 mm基衬支撑板不同位置的金属泡沫A l样品进行了密度及厚度均匀性测量结果发现,每块样品的金属泡沫A l密度和厚度差 异较大,也就是说同一批靶的均匀性不够理想 造成不同位置样品密度和厚度不均匀的原因是A l蒸发加热器是条形,蒸发A l原子在前进过程中与惰性气体相碰撞的机遇不完全相同213原子能科学技术 第33卷216 基衬与金属泡沫Al膜厚的关系 同一次做出的泡沫A l在不同材料基衬上所得到的厚度有所不同金属A l或A u做基衬 沉积的金属泡沫A l要比非金属玻璃基衬上的泡沫A l厚得多,有时相差成倍这可能是因为 各种材料之间亲和力不同,但还须进一步研究3 结论 低密度的金属泡沫是由金属烟粒子疏松堆砌而成,每个金属烟粒子又具有亚微米的多孔结构,这种结构使金属泡沫具有低密度和大的比表面积在一定的加热功率下,金属泡沫的密 度与惰性气体气压(102～103Pa)间存在着一种类似反比的关系。

在实验中还存在密度和质量厚度的控制不稳定和批间均匀性不理想的问题 测试和分析工作得到本室测量组罗青、 刘元琼,中国工程物理研究院应用电子研究所谭治 安同志的大力支持与帮助,在此一并致谢参 考 文 献1 Reichelt JMA. L aser Target Fabrication A ctivities in the U nited Kingdom. J V ac Sci Technol, 1985, A 3(3): 12452 Goppy PL. H igh2Z elements in L aser Fusion Targets1J V ac Sci Technol, 1989, A 7(3): 996PREPARATI ON OF AlM ETAL FOAM LASER TARGETChang Fuhua(Institute of N uclear Physics and Chem istry,Chinese A cademy of Eng ineering Physics,Chengdu, 610003)Zhang L iuqiang(S hanghai Institute of M etallurgy,S hanghai, 200050)ABSTRACTTo reduce the superthermal electrons in inertial confinement fusion(ICF), a low densitymetal foam target is developed.The technique to fabricate the metal foam target is present2ed.Key words M etal foam Low density Gas deposit313第4期 常富华等:金属泡沫A l激光靶的研制。