激光驱动冲击波实验用铝台阶加工与测量技术*

童维超 袁光辉 谢 军 李 国 黄燕华 杜 凯

(中国工程物理研究院激光聚变研究中心，四川绵阳 621900)

在惯性约束聚变(ICF)中，用辐射驱动铝(Al)样品产生的冲击波速度的方法测量辐射温度可以得到比较高的精度［1］，同时利用激光驱动冲击波进行阻抗匹配实验可以获得材料的高温高压状态方程(equation of state，EOS)参数。根据阻抗匹配原理，需要冲击波渡越标准材料和待测材料界面前后的瞬时速度相等，这就要求冲击波在Al台阶中必须稳定传播，这样才能满足阻抗匹配原理条件，从而保证EOS实验测量数据的准确性和可靠性［2－7］。要提高物理实验结果的置信度，从制靶角度而言，就必须首先保证有高质量的标准材料Al的冲击波样品，制备整体式铝台阶可保证冲击波渡越标准材料界面时冲击波速度稳定，成形靶材料密度要求达到理论密度，样品具有极高表面质量，并且要准确测量出样品的厚度和厚度分布。

EOS研究用的铝台阶一般厚度几十微米。对几十微米的Al台阶靶的制备方法一般有:气相沉积技术、轧制加薄膜复合技术等。气相沉积技术制备的铝薄膜通常达不到材料的理论密度，而轧制只能制备平面铝薄膜，且表面质量很难达到实验要求。在厚度测量方面，长期以来，薄膜厚度的测量主要采用传统的单面定位测量法，即采用适当的方式使薄膜定位形成膜－基台阶，然后用台阶仪或干涉仪对膜－基台阶进行测量，用膜－基台阶高度代替薄膜厚度［8］，这就需要测量过程中样品膜紧密贴合在基准片上，可能会引入较大的测量误差，从而给物理实验结果带来不确定度。本文从制靶及靶厚度测量方面降低物理实验结果的不确定度为出发点，采用单点金刚石精密车削加工方式制备高精度、厚度分布范围小于0.1 μm的冲击波实验用整体式铝台阶靶，采用白光共焦光谱测量方法对样品进行测量，获得了准确的样品厚度参数。

1 加工和测量方案

设备为超精密单点金刚石车床，其主轴采用气浮静压轴承，导轨为液压静压导轨，运动精度高;整个床身、主轴和导轨采用气浮方式，有效避免外界高频振动传给机床。

采用天然单晶体金刚石刃磨的刀具，天然金刚石刀具与有色金属亲和力小，硬度、耐磨性以及导热性都非常优越，刀具刃口可刃磨得极为锋锐，刃口半径小于0.5 μm，可以保证铝台阶样品的表面质量。

表1 铝材料杂质主要成分含量表(质量分数×10－4%)

实验用原料为纯度99.999%的高纯铝，其中主要杂质含量见表1。靶材料密度为理论密度可降低物理实验不确定度，从加工机理而言，金刚石车削加工是一种去除材料加工方法，不改变材料的成分及物理、化学性能。因此采用高纯铝为原料，可认为加工后材料密度保持不变，接近材料理论密度［9］。

厚度测量采用自研的厚度测量仪，在铝样品自支撑状态下可以精确测量出铝样品的绝对厚度及厚度分布范围。测量原理如图1所示，通过两白光共焦光谱传感器“对顶相向布置”的相对测量法，将两光探针传感器的光轴对顶相向调整到一条直线上，其中光探针传感器A用于聚焦瞄准定位样品的下表面［8］，光探针传感器B用于聚焦瞄准被测样品的上表面，得到待测样品的厚度。采用美国Vecco NT1100白光干涉仪对表面粗糙度进行测量。

2 工艺过程

采用真空吸附方式将纯铝装夹到金刚石车床真空吸盘上，采用端面车削方式，加工过程中通过喷雾进行冷却，通过负压将切屑抽出，以免划伤已加工表面。通过粗加工、半精加工、精加工等多道工序进行加工，同时，每道工序完成后检查样品厚度及表面粗糙度以及时调整工艺过程及加工参数。

3 测量结果与分析

3.1 厚度及厚度均匀性

样品厚度测量通常采用台阶仪和白光干涉仪测试台阶样品厚度［10－11］，采用这两种方法测量厚度，均需要将样品展平、紧密贴合在测量基准面上，通过测量基准面到样品表面的高度，用其值代替薄膜的厚度值。可能的误差来源有:样品与基准面之间存在间隙，即样品没有紧密贴合在基准面上;或者可能引入一层中间层，从而使测量值引入误差。采用如图1中白光共焦光谱测量方法，实质上实现了对样品厚度的点对点测量，避免了测量基准面和可能引入的中间层厚度对测量结果的影响，从而使测量值更接近真实值。表2为采用白光共聚光谱测量的铝台阶基底部分的不同测试点的厚度测量值，厚度误差小于1 μm，厚度最大值与最小值相差小于0.1 μm;根据文献［12］，厚度均匀性的定义为:［1 －(dmax－dmin)/davg］×100%，dmax、dmin、davg分别表示厚度测量数据中，薄膜的最大厚度、最小厚度和平均厚度。从表2的测量数据统计结果表明:Al台阶的厚度均匀性能够达到大于99.5%。

3.2 厚度标准偏差及测量不确定度

3.2.1 标准偏差

根据表2的测量数值，计算样品的厚度测量不确定度。

算术平均值为

表2 样品厚度测量结果 μm

标准偏差σx为

3.2.2 测量不确定度

A类标准不确定度是在一系列重复测量中，用统计方法计算的分量，它的表征值用平均值的标准偏差表示，即

B类标准不确定度是测量中不符合统计规律的不确定度，记为UB。本文采用的白光共焦光谱测量仪与文献［8］为同一台设备。B类不确定度来源有:传感器A、传感器B及仪器测量重复性，根据文献［8］分析可知。

合成标准不确定度:

可求得Al台阶的相对不确定度为57 nm。

3.3 表面粗糙度

采用Vecco NT1100白光干涉仪测量的样品表面粗糙度，如图2所示，结果表明，铝台阶样品表面均方根粗糙度Rq小于10 nm。

4 结语

采用金刚石车削方式加工激光驱动冲击波实验用铝台阶，加工成形后材料密度保持不变。通过自研的厚度测量仪，采用白光共焦光谱测量原理测量样品厚度，实现了对样品厚度的“点对点”测量。Al台阶厚度误差可达小于1 μm;厚度最大值与最小值相差小于0.1 μm，厚度均匀性优于99.5%，样品测量不确定度57 nm。通过Vecco NT1100白光干涉仪测量Al台阶表面粗糙度值小于10 nm。

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