激光烧蚀R-T不稳定性研究中的双模式CH平面调制靶制备

唐 俊，谢志勇，杜 艾，叶君建，张志华，沈 军，周 斌,*

(1.同济大学 上海市特殊人工微结构材料与技术重点实验室，上海 200092；2.上海激光等离子体研究所，上海 201800)

瑞利-泰勒(R-T)不稳定性在惯性约束聚变(ICF)中是一重要的研究内容[1-2]。引起该不稳定性的主要原因有靶丸表面的粗糙度，靶丸的不完全对称及辐照不均匀。这些初始扰动在不稳定性发展的过程中会被不断放大最终引起推进层与热核燃料的混合，降低热斑温度，从而降低内爆效率甚至导致点火完全失败。因此，通过分解实验获得R-T不稳定性增长的信息在ICF的研究中具有重要的意义。理论已证明可通过平面薄膜表面的扰动图形，来模拟各初始扰动在不稳定性增长过程中对靶丸压缩、壳破裂和混合的影响[3-4]，国内外在平面调制靶的制备及R-T不稳定性实验方面均进行了大量的工作。LLNL的Hsieh等[5]、中国工程物理研究院的谢军等[6-8]利用单点金刚石车削技术加工了正弦波曲面，并以此轮廓为图形模板复制出多种有机薄膜的平面调制靶，同济大学的周斌等[9-10]采用激光全息干涉结合电镀Ni图形转移工艺获得了具有表面起伏图形的Ni模版，利用旋转涂覆工艺将图形转移至薄膜表面，获得了聚苯乙烯等材料的平面调制靶。R-T不稳定性的增长大致可分为线性、非线性和湍流3个阶段，初始扰动的幅度相对于波长的大小决定了R-T不稳定性发展所处的阶段。为研究不同初始幅值下非线性演化的差别，本文采用单点金刚石车削技术加工两侧具有不同扰动幅度的模板，并结合旋转涂覆工艺将模板上的扰动图形转移至CH薄膜表面，拟获得实验用的双模式CH平面调制靶，利用QC-5000型光学显微镜、alpha-step 500型台阶仪、NT1100型白光干涉仪等对模板及CH平面调制靶的周期、振幅等参数进行测量。

1 靶的制备

1.1 双模式CH平面调制靶设计

CH材料只含有C、H两种原子，原子序数低，具有良好的能量沉积性能、机械加工性能和抗辐射性能，是一常用的靶丸烧蚀材料。因此，本文选用聚苯乙烯为实验靶材料。根据实验要求，双模式调制靶的两段扰动的波长T1与T2相同，均为55 μm，但两段扰动的幅值不相等，扰动1的幅值A1=2 μm，初始时刻在线性区域；扰动2的幅值A2=5 μm，初始时刻在非线性区域。同时保证两段扰动的平衡位置在同一水平面。双模式调制靶的示意图如图1所示。

图1 双模平面调制靶的示意图

1.2 平面调制靶用模板制备

本文的模板采用太空铝合金为材料，利用精密单点金刚石车削技术进行加工，车床的数控分辨率为10 nm。采用的金刚石刀具刀尖曲率半径为3 μm，刀尖角约为15°，对铝合金进行端面车削。工件采用真空负压夹持，车床床身和主轴均采用气浮方式，以降低外界振动对车床的影响。通过喷雾冷却方式对工件进行冷却。切屑通过切屑抽取装置抽出，避免切屑损伤已加工工件表面。加工环境温度约25 ℃，湿度30%，万级超净。

1.3 CH平面调制靶制备

将CH颗粒溶于三氯甲烷，经长时间搅拌并过滤后获得一定浓度的CH溶液。然后利用KW-4A台式匀胶机，采用旋转涂覆工艺在铝合金模板表面涂覆一层CH薄膜。待薄膜成型后将其从模板上揭下，模板上的调制图形便转移到CH薄膜上，从而获得了具有双模扰动的CH平面调制靶。CH平面调制靶的厚度可通过CH溶液的浓度及自旋转的速度来调节。所得到的CH平面调制薄膜最终切割成宽约200 μm的长条，用于神光Ⅱ上的R-T不稳定性实验。

2 结果表征

2.1 模板及CH平面调制靶的光学显微镜测量

采用光学显微镜对铝合金模板及CH平面调制靶的表面和截面进行测量，图2为铝合金模板表面的光学显微镜放大图。从图2可看出，两侧扰动类似于正弦曲线，具有相同的周期，而扰动幅度明显不同，与设计的参数一致。

图3为CH平面调制靶的光学显微镜放大图。从图3可看出，两侧的扰动周期相同，而振幅不同，模板表面的图形成功地转移至CH薄膜表面。

图2 铝合金模板的表面形貌

图3 CH平面调制靶的表面形貌

2.2 模板及CH平面调制靶的台阶仪测量

采用alpha-step 500型台阶仪对铝合金模板及CH平面调制靶的表面起伏进行精确测量，图4为台阶仪测得的铝合金模板和CH平面调制靶的表面起伏。从图4可看出，铝合金模板两侧的扰动周期基本相同，均为54 μm左右。左侧的扰动幅度为4.849 μm，右侧的扰动幅度为1.961 μm，两侧扰动的平衡位置在同一水平线。CH平面调制靶的扰动图形与模板均在两侧具有相同的周期，而扰动幅度不同，扰动周期与模板一致。左侧的扰动幅度为4.825 μm，右侧的扰动幅度为1.949 μm，扰动的平衡位置同样在同一水平线。左右两侧的扰动幅度与模板的差别均在0.01 μm量级，比较模板与CH平面调制靶的起伏图形可发现，二者的起伏图形在左右两侧的交接处互补，由此可说明模板表面的图形被精确地转移到了CH薄膜上。

图4 铝合金模板和CH平面调制靶的表面起伏

2.3 模板及CH平面调制靶的白光干涉仪测量

采用NT1100型白光干涉仪对模板及CH平面调制靶进行测量，图5a为模板的三维形貌，从图中可清楚地看到两侧扰动振幅的不同，整个曲面较光滑，与正弦曲线非常接近，两侧扰动的平衡位置处于同一水平面。图5b为CH平面调制靶的三维形貌，平面调制靶的扰动同样具有两侧同周期不同振幅的特征，且在两侧扰动的交接处与模板互补，两侧扰动的平衡位置在同一水平面。由此表明整个制备过程实现了调制图形由模板向CH薄膜的转移，获得了满足R-T不稳定性实验特殊要求的双模式CH平面调制靶。

图5 铝合金模板(a)和CH平面调制靶(b)的表面轮廓

2.4 CH平面调制靶的厚度调节

CH平面调制靶的厚度H通过所用CH溶液的浓度和旋转涂覆时匀胶机旋转的速度进行调节，所制得的靶的成膜性较好，厚度较均匀，厚度范围大致为15～40 μm。CH溶液浓度、匀胶机旋转速度与所制得的CH平面调制靶的厚度的关系列于表1。

表1 CH平面调制靶的厚度、CH溶液浓度与匀胶机旋转速度的关系

3 结语

采用单点金刚石车削技术，在铝合金表面加工了两侧具有相同周期、不同振幅的双模式调制模板。两侧的扰动周期均为54 μm，扰动幅度分别为4.8 μm和1.9 μm，扰动的平衡位置在同一水平面，与设计值基本一致。然后利用旋转涂覆工艺，将模板上的扰动图形转移到CH平面薄膜上，获得了双模式CH平面调制靶。采用多种手段对获得的模板及CH平面调制靶进行了测量与表征。结果表明。实际获得的参数与设计值基本一致，实现了调制图形由模板到CH薄膜上的精确转移，制得的CH平面调制靶满足R-T不稳定性实验的要求。

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