国家点火装置(NIF)靶丸聚酰亚胺突起的形成与表征

国家点火装置（NIF）靶丸聚酰亚胺突起的形成与表征
突起满足当前的厚度和均匀性/粗糙度规范需要参考ICF靶丸内部组件。

我们已经开发出一种真空成型技术将小于100纳米厚的聚酰亚胺薄膜纳入部分符合腔体组件中。

突起的表征已经由内部计量系统通过衡量他们的粗糙度和厚度分布来完成。

本文将对突起成形技术和这些突起在靶丸腔体组件中的表征结果进行审查。

I. 目的
突起材料需要足够坚硬并而在张力减少空间振荡下保持牢固，同时要能承受在目标插入过程中产生的加速度。

突起材料的粗糙频谱必须满足烧蚀体粗糙度NIF标准。

最后,材料需要透明的从目标腔壁中释放的x射线能量。

Luxel公司专门从事生产和组装的超薄(大约10 纳米)聚酰亚胺(PI)的薄膜。

预计聚酰亚胺将满足所有的材料要求，为NIF靶丸突起提供服务。

II. 真空成型聚酰亚胺突起
机加工模具用于将真空形成聚酰亚胺薄膜制成锥形形状，接近于NIF靶丸顶点曲率半径。

这个设计是用来控制薄膜从靶丸中分离。

部分弹性恢复(~ 20%)用于模具设计中，在将顶部和底部的突起放置于靶丸上时，可以生产出足够的预加载。

这可以使靶丸及外侧相对于腔壁位置进行定位。

垂直定位是由微分预加载顶部和底部之间的突起进行控制。

图1显示了一个突起(成品厚度的400纳米)是由一个锥形的凹模具制作的。

它首先放在一个平面上，依附一个硬环，浇铸成PI薄膜。

然后放置在模具上和抽空变形到模具型腔中。

一旦回到环境压力下，顶点可恢复到在真空状态下，大约最大位移的80%。

图1 真空成型的聚酰亚胺突起
III. 计量系统
一种定制的测量系统已用于对薄膜突起装配前及大量聚集在腔体中后的情况进行测量。

量化表征包括地形几何和超过突起的膜厚度。

图2显示了这个系统，它由三个主要的工具组成：一个并联机床定位器，一个地形传感器和膜厚度传感器。

定位器类似一个六条腿的并行结构机械手或昆虫。

在15 mm3工作容积中，它可进行大约50纳米的重复性工作。

定位器根据地形和厚度传感器进行光栅扫描样品。

定位器的一个附加要求是装配操作室、突起及腔体。

所需的空间并不确定，操作室相对于腔体仅为8微米甚至更小。

目前，装配计划尚未最终确定，不过已根据我们目前的设备和定制夹具提出了两个径向和轴向定位靶丸的方案。

图2 定位器安装在带有地形感应的试验台上，膜厚度传感器安装在其之上。

传感器是一种非接触式的地形、地表位移传感器。

它是基于白光的色偏差进行校准。

一个特定的距离是分配给工厂每个波长进行校准。

波长最大限度地集中在一个表面上用于获得定位移测量。

这种反射光通过共焦孔径传递到一个光谱仪探测器，可通过10微米光点检测表面积。

这个传感器解决了亚微米级在倾斜面的位移测量，在水平面350微米范围内，镜面表面达到25 。

厚度传感器是基于可见光谱反射计，同时也是非接触式的。

该传感器通过测量反射的镜面表面与一个已知的光学常数谱进行校准。

可见光从10微米光点，然后从膜表面的未知的厚度
进行正入射反射。

此光传递到光谱仪并得到一个适合反射率与波长数据的模型。

适合的参数包括膜厚度。

图3显示了一个从大约70纳米厚的聚酰亚胺薄膜与模型配合的反射光谱。

图3 图形输出为一个膜厚度的比重
反射计需要所有光学接口信息来获得薄膜的精确的厚度。

对聚酰亚胺在CH NIF 靶丸，两个接口模型是必需的: (1) 空气-聚酰亚胺-空气 (2) 空气-聚酰亚胺-CH 。

前者适用于薄膜突起没有接触到CH 靶丸的地方，而后者适用于接触靶丸的地方。

如果是使用Be ‐capsules ，CH 在模型(2)会被Be 替换。

图4描述了用于这些模型的光学常数data 2 3。

如图5所示反射光谱是基于这些模型的。

图4 光学常数的数据用于测量铍厚度,聚酰亚胺,和“CH ”靶丸结构。

图
5 反射谱为典型的靶丸
/突起接口建模
IV. 计量结果
使用机械加工模具，CH 靶丸和对聚酰亚胺突起表面几何测量图和膜厚度进行测量。

研究的结果在下面的章节中。

IV. 地形图
初始地形扫描在突起模具上进行。

这样做是为了验证作为机加工模具的几何性。

图6中所示的图像验证了设计深度为1毫米的锥形模具。

如图所示为清晰起见已经倒转。

图6 反向扫描突起模型
额外的扫描由LLNL 操作，在直径约2.2毫米的CH 靶丸进行。

一个25微米步长超过1毫米的正方形区域覆盖靶丸的顶部。

一个球冠方程适用于扫描数据。

拟靶丸直径是2163±23微米,这是LLNL 测量数据的2%。

原始的扫描数据和球面数据如图7所示。

图7 裸NIF 靶丸和球面形状表面形貌扫描的原始数据
IV.B. 厚度图
图8是一个例子，平面薄膜真空成形前，在模具上的厚度图。

这张图显示在5毫米直径模具开口处膜厚度不均匀的情况不到2%。

图
8 厚度图
结果表明，对于不到
100 nm 厚的薄膜，厚度测量的准确性随着入射光线从垂直入射到与表面夹角的减少而明显降低，即90°。

例如，当一个80纳米厚膜从垂直入射到倾斜至大约25°，模型优度从超过90%减少到接近零。

一个解决这个问题的方法是在其工作体积内的任意点上，发挥定位器旋转的能力。

利用地形数据集中体现在本文第四部分A 地形图章节内。

一个给定点的垂直表面向量是可以估计的。

这可以用来对给定的点进行旋转，这样局部表面就可以得到最大限度的垂直入射光束。

V. 讨论
如果用小于100纳米厚的薄膜作为强有力的目标支持，那么薄膜如何在一个模具或围绕一个靶丸变薄变形需要理解/ 量化。

研究表明,不足1微米厚薄膜的拉伸极限取决于它厚度。

例如,薄膜的单维应变(Δl 10)是完全符合一个半球的目标可能证明是(π/ 2)1≈0.6。

这个假设最初的直径平面薄膜等于靶丸的直径。

厚度为0.5微米的卡普顿聚酰亚胺薄膜(PMDAODA)，其观察拉伸极限大约是0.3，表明它不会完全一致。

随着初始厚度进一步减少到100纳米，其观察拉伸极限不到10%。

这表明拉伸主要取决于厚度。

受益于聚酰亚胺的这些属性，使其吸引力的聚酰亚胺作为突起材料，这些结果表明，其他聚酰亚胺的化学反应及其变形过程需要进一步考虑。

薄膜拉伸力可以使薄膜符合靶丸要求，但会因为增加平面薄膜的初始直径(l0)而降低。

结果表明，完全符合一个半球的靶丸的薄膜一维拉伸力是这样得出的：
( ) ε = Δl l0 = π − 2 r l0 , (1)
如果l0 = 2r，那么上述拉伸极限将恢复。

如果薄膜的拉伸极限被认为是小于0.1，Eq (1)表明薄膜的起始直径需要大于20r。

对于一个半径一毫米的靶丸，这将意味着l0>2 cm。

它指出假定在薄膜拉力一致情况下，如下数据所示，是不准确的。

然而，它确实可以证明，随着薄膜地变形，在拉力增加时，增加初始区域将导致平均减少。

这里使用的锥形模是为了在拉伸极限内，使聚酰亚胺薄膜产生形变。

这种设计导致了部分经确认的薄膜在±24°角度会接触NIF靶丸，然后无关联分离，直线路径腔壁见图9。

图9 在黑体辐射内搭建NIF靶丸，单位毫米
这个设计的薄膜拉力(假设一个最初的平面薄膜)计算约为0.10。

考虑到厚度小于100纳米的薄膜的拉伸极限小于10%，这种设计需要修改,以安全地匹配这些薄膜。

当前的目标设计人4,5表示薄膜突起可能需要比初始结构更大的构象避免接触一个低密度泡沫填充腔。

泡沫可能是大约100μm远离目标。

更大的构象意味着对于一个给定的初始平膜直径，薄膜突起需要保持更高的拉伸极限。

图10和11就是成型突起的例子，与发泡填充黑体辐射空腔相兼容。

±55°符合一个靶丸的周长。

薄膜是直接真空成型的一个靶丸，而不是在一个单独的聚酰亚胺薄膜预成形模具。

图10 在NIF 靶丸周围真空形成的薄膜突起：侧视图
图11在NIF 靶丸周围真空形成的薄膜突起：俯视图
图12是图10“测量指南”的展开分析。

薄膜是符合靶丸的上半球表面±55° 角(顶点的)。

在图10和图11中，没有在薄膜中都检测到皱纹，在薄膜靶丸切线，或远离靶丸。

从壳顶端反射的是一个荧光显微镜灯泡。

图12 在NIF 靶丸周围真空形成的薄膜突起：测量指导
图13 厚度概要
图13是一张膜厚度点图。

如图12所示，测量是以5度为区间进行的。

在靶丸顶点开始测量，移向膜靶丸切线和最终停止在平面薄膜表面上，上部和较低部位的薄膜已经聚集。

在顶点处，聚集平面薄膜的厚度需均等统计。

一旦薄膜接触到靶丸表面，将不能移动或横向延伸。

观察到的最小厚度在薄膜靶丸切线处，它对应于膜变薄15%。

测量近似20纳米靶丸膜厚度的差别，但关于切线目前尚未了解。

VI. 结论
Luxel 公司已经制造了一个自定义计量系统，为靶丸突起NIF 支撑，提供映射表面形貌和膜厚度。

这个过程包括提供满足近似NIF 规格的成型和组装聚酰亚胺突起。

一个直接真空成形的薄膜靶丸显示初始厚度轮廓变薄小于15%。

最大变薄发生在所在地区的薄膜和靶丸分离的部位。

结果表明不到100纳米厚的薄膜伸极限比最初预想要低。

这将需要修改上述提到的成形过程和/或使用不同的聚酰亚胺，拥有更大的拉伸极限。

预计这种设计将在明年取得重大进展。