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。