CN107068205B - Ub2薄膜在黑腔上的应用 - Google Patents
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Abstract
UB2薄膜在黑腔上的应用,它属于激光聚变工程技术领域,具体涉及一种兼具黑腔减散和防护作用的UB2薄膜的应用。本发明目的是为了解决现有铀黑腔结构复杂、Au/B减散层化学稳定性差、组分比例及分布调控困难的问题。UB2薄膜作为减散/防护层替代黑腔Au/B减散层和Au防护层应用于黑腔上。优点:UB2薄膜用于黑腔能实现薄膜成分的精确控制、降低黑腔脱模工艺难度,有效抑制激光等离子体受激布里渊散射;同时该薄膜还具有降低M带热电子产额、提高激光‑X射线转换效率、保护铀黑腔转化层的作用。UB2薄膜集减散、防护功能于一身,有效简化了点火黑腔及其它高性能、高转化率黑腔结构及其制备工艺。
Description
技术领域
本发明属于激光聚变工程技术领域,具体涉及一种兼具黑腔减散和防护作用的UB2薄膜的应用。
背景技术
间接驱动激光惯性约束聚变(ICF)因其具有能提供更均匀的辐照场并能有效的避免燃料预热等优点而成为实现受控热核聚变反应的重点研究方向。在间接驱动ICF实验过程中,激光入射到黑腔,与腔内等离子体发生非线性相互作用,导致包括受激布里渊散射(SBS) 在内的非线性参量不稳定过程增长,并对聚变过程产生不利影响。黑腔内大尺寸激光等离子体相互作用被认为是点火环节中最不确定的两个因素之一。黑腔作为将激光能量转化为 X射线的关键部件,直接关系到激光-X射线的转换效率以及辐射场的空间均匀性。
黑腔腔壁通常选择具有高原子序数(Z)的材料。长期以来Au黑腔因其较高的原子序数、优异的化学稳定性而得到广泛应用。相对于传统的黑腔用材料Au,U元素的原子序数大,其M带热电子产额小,且M带发射位于更高的能量区域,理论上其X射线转换效率更高,同时具有更小的硬X射线占比。理论分析及实验研究表明,与传统Au黑腔相比,以具有更高辐射不透明度的金属U作为黑腔腔壁材料,可以降低~17%的能量损失,同时能有效抑制M带热电子产额(O.Jones,J.Schein,M.Rosen,et al.Phys.Plasmas,2007,14,056311)。由于U的化学性质活泼,U黑腔被设计为Au-U-Au这种三明治结构。为了降低Au的不利影响,Au防护层通常很薄,厚度只有100~700nm。此外,研究发现在黑腔内层Au中掺入B 形成Au/B减散层,有助于增加离子声波朗道阻尼,从而抑制腔壁喷射的等离子体中SBS 的增长(P.Neumayer,R.L.Berger,D.Callahan,et al.Phys.Plasmas,2008,15,056307)。目前,美国国家点火计划中高转化率黑腔的基本构成大致为:Au/B减散层-Au内防护层-U转化层 -Au支撑层。
现有U黑腔的Au/B减散层可由磁控溅射Au靶和B靶共沉积或者溅射Au/B混合物靶来制备得到,通过控制溅射速率或者控制混合物靶组分来调控Au:B组分比例。但由相图可知Au、B两种元素之间没有稳定的化合物和固溶体存在,磁控溅射制得的Au/B共混薄膜在微观尺度上难以做到均匀分布,存在着薄膜成分难以精确控制、成分偏析的问题。此外,在镀制Au/B共混薄膜后还需要将样品置于腐蚀性介质中进行脱模处理,B单质的不稳定性极易导致脱模过程中B元素的流失,进一步导致薄膜成分分布的不均匀,而且对脱模工艺提出更苛刻的要求。掺杂低Z元素对SBS的抑制效果,与掺杂比例有很大关系,Au/B减散层的成分不均匀性,将导致腔壁喷射的等离子体中B元素的分布不均匀以及等离子体参数的变化,等离子体环境的变化将直接影响对SBS的抑制效果。
发明内容
本发明的目的为了解决现有铀黑腔结构复杂,Au/B减散层存在化学稳定性差、组分比例及分布调控困难、抑制受激布里渊散射能力有限的问题,而提供UB2薄膜在黑腔上的应用。
UB2薄膜在黑腔上的应用,UB2薄膜作为减散/防护层替代黑腔Au/B减散层和Au防护层应用于黑腔上。
本发明具体涉及的UB2薄膜在黑腔应用上的优势主要体现在:(1)UB2因其严格的化学计量比,可实现U:B元素比例的精确控制,且这种化合物薄膜在分子水平上保证了U、B 元素分布的均匀性,而成分的精确控制及组分的均匀性对确保抑制SBS的最终效果极其重要。(2)UB2具有良好的化学稳定性,耐酸碱腐蚀,可在常规的脱模溶液中进行长时间处理,同时有效避免在脱模过程中B元素的流失造成的组分波动及成分偏析,有效降低了黑腔脱模工艺难度。(3)为提高激光-腔靶耦合效率,通常选择高Z材料作为黑腔,相对于传统黑腔腔壁材料Au来说,U元素的原子序数更大,激光-X射线转换效率更高,同时其具有更小的硬X射线占比,可显著降低M带热电子产额。(4)由于化学性质稳定,UB2薄膜在抑制SBS的同时,还兼具防止内部U转化层氧化失效的效果,起到防护层的作用。(5)铀黑腔是目前点火黑腔发展的主要趋势,本发明所述的UB2薄膜与铀黑腔具有更为良好的界面结合力及化学相容性。可见,UB2薄膜应用于黑腔具有降低SBS份额、抑制M带热电子产额、提高激光-X射线转换效率、保护铀黑腔转化层的作用,可用于替代铀黑腔Au/B减散层和Au防护层。
具体实施方式
具体实施方式一:本实施方式是一种UB2薄膜在黑腔上的应用,UB2薄膜作为减散/防护层替代黑腔Au/B减散层和Au防护层应用于黑腔上。
与Au/B相比,UB2中较高含量的B元素能有效抑制受激布里渊散射,同时U元素具有很好的抑制M带热电子产额的效果,最为重要的是UB2的化学性质稳定,因此UB2薄膜具有兼顾减散和防护的作用,可直接替代Au/B减散层和Au防护层。
具体实施方式二:本实施方式与具体实施方式一的不同点是:利用UB2薄膜作为减散/ 防护层的方法如下:通过直流磁控溅射沉积方法,以UB2靶通过直流电源进行磁控溅射沉积,所述的UB2靶纯度大于99%。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式三:本实施方式与具体实施方式二的不同点是:所述的直流磁控溅射沉积方法具体过程如下:
一、将1~10个芯轴安装在旋转支撑台上,调整UB2靶与芯轴中心距离为5cm~20cm, UB2靶面中心法线与芯轴所在平面呈45°夹角;
二、通过机械泵、分子泵抽真空使沉积室本底真空达到1×10-8Pa~1×10-6Pa,然后充入高纯氩气,并调节闸板阀使沉积室真空度维持在0.1Pa~1Pa,所述的高纯氩气的纯度为 99.9999%;
三、利用低能离子束对芯轴表面刻蚀3min~20min,在利用低能等离子束对芯轴表面刻蚀的过程中旋转支撑台以1~30rpm自转;
四、UB2靶与芯轴之间设有挡板,在UB2靶直流电源功率为50W~400W下进行预溅射10min~30min;
五、打开UB2靶与芯轴之间的挡板,在UB2靶直流电源功率为50W~400W下沉积 5min~480min,且沉积过程中旋转支撑台以1rpm~30rpm自转,即完成在芯轴表面利用直流磁控溅射方法沉积UB2薄膜。
其他与具体实施方式二相同。
具体实施方式四:本实施方式与具体实施方式一的不同点是:利用UB2薄膜作为减散/ 防护层的方法如下:通过双靶磁控溅射共沉积方法,以U靶通过直流电源、B靶通过射频电源进行溅射沉积,所述的U靶纯度大于99%,所述的B靶纯度大于99%。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式五:本实施方式与具体实施方式四的不同点是:所述的双靶磁控溅射共沉积方法具体过程如下:
一、U靶和B靶与芯轴所在平面的法线呈对称分布,且靶面中心法线与芯轴所在平面呈45°夹角,调整U靶与芯轴中心距离为5cm~20cm,调整B靶与芯轴中心距离为5cm~20cm;
二、通过机械泵、分子泵抽真空使沉积室本底真空达到1×10-8Pa~1×10-6Pa,然后充入高纯氩气,并调节闸板阀使沉积室真空度维持在0.1Pa~1Pa,所述的高纯氩气的纯度为 99.9999%;
三、利用低能离子束对芯轴表面刻蚀3min~20min,在利用低能等离子束对芯轴表面刻蚀的过程中旋转支撑台以1rpm~30rpm自转;
四、U靶、B靶与芯轴之间分别设有挡板,在U靶直流电源功率为40W和B靶射频电源功率为200W下进行预溅射10min~30min;
五、打开U靶、B靶与芯轴之间的挡板,在U靶直流电源功率为20~200W和B靶射频电源功率为100W~500W下沉积5min~480min,且沉积过程中旋转支撑台以1rpm~30rpm 自转,即完成在芯轴表面利用双靶磁控溅射共沉积方法沉积UB2薄膜。
其他与具体实施方式四相同。
具体实施方式六:本实施方式与具体实施方式一的不同点是:利用UB2薄膜作为减散/ 防护层的方法如下:通过电子束蒸发方法,以UB2为蒸发源进行蒸镀,所述的UB2蒸发源的纯度大于99%。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式七:本实施方式与具体实施方式六的不同点是:所述的电子束蒸发方法具体过程如下:
一、通过机械泵、分子泵抽真空使沉积室本底真空达到1×10-5Pa~5×10-4Pa;
二、打开电子枪对UB2蒸发源进行预热5min~20min,电子束束流为25mA,电子束斑在坩埚中心部位做正弦运动;
三、在电子束束流为10mA~100mA,阳极电压为1kV~10kV,打开挡板,开始蒸镀,蒸镀时间为5min~360min,且蒸镀过程中旋转支撑台以15rpm自转;
四、在温度为300~900℃下对表面蒸镀UB2薄膜的芯轴进行退火,退火时间60min,即完成在芯轴表面利用电子束蒸发方法镀制UB2薄膜。
其他与具体实施方式六相同。
采用下述实验验证本发明效果。
实施例1:一种UB2薄膜在黑腔上的应用,UB2薄膜作为减散/防护层替代黑腔Au/B减散层和Au防护层应用于黑腔上。
本实施例利用UB2薄膜作为减散/防护层的方法如下:通过直流磁控溅射沉积方法,以 UB2靶通过直流电源进行磁控溅射沉积,所述的UB2靶纯度大于99%;
所述的直流磁控溅射沉积方法具体过程如下:
一、将10个芯轴安装在旋转支撑台上,调整UB2靶与芯轴中心距离为15cm,UB2靶面中心法线与芯轴所在平面呈45°夹角;
二、通过机械泵、分子泵抽真空使沉积室本底真空达到1×10-7Pa,然后充入高纯氩气,并调节闸板阀使沉积室真空度维持在0.5Pa,所述的高纯氩气的纯度为99.9999%;
三、利用低能离子束对芯轴表面刻蚀15min,在利用低能等离子束对芯轴表面刻蚀的过程中旋转支撑台以15rpm自转;
四、UB2靶与芯轴之间设有挡板,在UB2靶直流电源功率为200W下进行预溅射15min;
五、打开UB2靶与芯轴之间的挡板,在UB2靶直流电源功率为200W下沉积90min,且沉积过程中旋转支撑台以15rpm自转,即完成在芯轴表面利用直流磁控溅射方法沉积UB2薄膜。
对本实施例得到的UB2薄膜,扫描电镜进行显微组织观察,可以发现薄膜均匀致密,没有可察觉孔洞、开裂等缺陷存在,薄膜厚度为~350nm。
实施例2:一种UB2薄膜在黑腔上的应用,UB2薄膜作为减散/防护层替代黑腔Au/B减散层和Au防护层应用于黑腔上。
本实施例利用UB2薄膜作为减散/防护层的方法如下:通过双靶磁控溅射共沉积方法,以U靶通过直流电源、B靶通过射频电源进行溅射沉积,所述的U靶纯度大于99%,所述的B靶纯度大于99%;
所述的双靶磁控溅射共沉积方法具体过程如下:
一、将1个芯轴安装在旋转支撑台上,U靶和B靶与芯轴所在平面的法线呈对称分布,且靶面中心法线与芯轴所在平面呈45°夹角,调整U靶与芯轴中心距离为9cm,调整B靶与芯轴中心距离为9cm;
二、通过机械泵、分子泵抽真空使沉积室本底真空达到5×10-8Pa,然后充入高纯氩气,并调节闸板阀使沉积室真空度维持在0.3Pa,所述的高纯氩气的纯度为99.9999%;
三、利用低能离子束对芯轴表面刻蚀20min,在利用低能等离子束对芯轴表面刻蚀的过程中旋转支撑台以15rpm自转;
四、U靶、B靶与芯轴之间分别设有挡板,在U靶直流电源功率为40W和B靶射频电源功率为200W下进行预溅射15min;
五、打开U靶、B靶与芯轴之间的挡板,在U靶直流电源功率为40W和B靶射频电源功率为200W下沉积30min,且沉积过程中旋转支撑台以15rpm自转,即完成在芯轴表面利用双靶磁控溅射共沉积方法沉积UB2薄膜。
本实施例得到的UB2薄膜,在脱模的过程中其B元素的流失率仅为~1%,较Au/B薄膜脱模时B元素的流失率降低了90%~95%。
实施例3:一种UB2薄膜在黑腔上的应用,UB2薄膜作为减散/防护层替代黑腔Au/B减散层和Au防护层应用于黑腔上。
本实施例利用UB2薄膜作为减散/防护层的方法如下:通过电子束蒸发方法,以UB2为蒸发源进行蒸镀,所述的UB2蒸发源的纯度大于99%;
所述的电子束蒸发方法具体过程如下:
一、通过机械泵、分子泵抽真空使沉积室本底真空达到1×10-4Pa;
二、打开电子枪对UB2蒸发源进行预热10min,电子束束流为25mA,电子束斑在坩埚中心部位做正弦运动;
三、在电子束束流为50mA,阳极电压为6kV,打开挡板,开始蒸镀,蒸镀时间为10min,且蒸镀过程中旋转支撑台以15rpm自转,得到表面蒸镀UB2薄膜的芯轴;
四、在温度为400℃下对表面蒸镀UB2薄膜的芯轴进行退火,退火时间60min,即完成在芯轴表面利用电子束蒸发方法镀制UB2薄膜。
本实施例得到的UB2薄膜,前后6次沉积的薄膜其U:B元素比为1.95~2.00,与相同工艺条件下不同批次镀制的Au/B薄膜相比,UB2薄膜中B元素含量波动减少了60%。
Claims (7)
1.一种UB2薄膜在黑腔上的应用,其特征在于UB2薄膜作为减散/防护层替代黑腔Au/B减散层和Au防护层应用于黑腔上。
2.根据权利要求1所述的一种UB2薄膜在黑腔上的应用,其特征在于利用UB2薄膜作为减散/防护层的方法如下:通过直流磁控溅射沉积方法,以UB2靶通过直流电源进行磁控溅射沉积,所述的UB2靶纯度大于99%。
3.根据权利要求2所述的一种UB2薄膜在黑腔上的应用,其特征在于所述的直流磁控溅射沉积方法具体过程如下:
一、将1~10个芯轴安装在旋转支撑台上,调整UB2靶与芯轴中心距离为5cm~20cm,UB2靶面中心法线与芯轴所在平面呈45°夹角;
二、通过机械泵和分子泵抽真空使沉积室本底真空达到1×10-8Pa~1×10-6Pa,然后充入高纯氩气,并调节闸板阀使沉积室真空度维持在0.1Pa~1Pa,所述的高纯氩气的纯度为99.9999%;
三、利用低能离子束对芯轴表面刻蚀3min~20min,在利用低能等离子束对芯轴表面刻蚀的过程中旋转支撑台以1~30rpm自转;
四、UB2靶与芯轴之间设有挡板,在UB2靶直流电源功率为50W~400W下进行预溅射10min~30min;
五、打开UB2靶与芯轴之间的挡板,在UB2靶直流电源功率为50W~400W下沉积5min~480min,且沉积过程中旋转支撑台以1rpm~30rpm自转,即完成在芯轴表面利用直流磁控溅射方法沉积UB2薄膜。
4.根据权利要求1所述的一种UB2薄膜在黑腔上的应用,其特征在于利用UB2薄膜作为减散/防护层的方法如下:通过双靶磁控溅射共沉积方法,以U靶通过直流电源、B靶通过射频电源进行溅射沉积,所述的U靶纯度大于99%,所述的B靶纯度大于99%。
5.根据权利要求4所述的一种UB2薄膜在黑腔上的应用,其特征在于所述的双靶磁控溅射共沉积方法具体过程如下:
一、将1个芯轴安装在旋转支撑台上,U靶和B靶相对于芯轴所在平面的法线呈对称分布,且靶面中心法线与芯轴所在平面呈45°夹角,调整U靶与芯轴中心距离为5cm~20cm,调整B靶与芯轴中心距离为5cm~20cm;
二、通过机械泵和分子泵抽真空使沉积室本底真空达到1×10-8Pa~1×10-6Pa,然后充入高纯氩气,并调节闸板阀使沉积室真空度维持在0.1Pa~1Pa,所述的高纯氩气的纯度为99.9999%;
三、利用低能离子束对芯轴表面刻蚀3min~20min,在利用低能等离子束对芯轴表面刻蚀的过程中旋转支撑台以1rpm~30rpm自转;
四、U靶、B靶与芯轴之间分别设有挡板,在U靶直流电源功率为40W和B靶射频电源功率为200W下进行预溅射10min~30min;
五、打开U靶、B靶与芯轴之间的挡板,在U靶直流电源功率为20~200W和B靶射频电源功率为100W~500W下沉积5min~480min,且沉积过程中旋转支撑台以1rpm~30rpm自转,即完成在芯轴表面利用双靶磁控溅射共沉积方法沉积UB2薄膜。
6.根据权利要求1所述的一种UB2薄膜在黑腔上的应用,其特征在于利用UB2薄膜作为减散/防护层的方法如下:通过电子束蒸发方法,以UB2为蒸发源进行蒸镀,所述的UB2蒸发源的纯度大于99%。
7.根据权利要求6所述的一种UB2薄膜在黑腔上的应用,其特征在于所述的电子束蒸发方法具体过程如下:
一、通过机械泵和分子泵抽真空使沉积室本底真空达到1×10-5Pa~5×10-4Pa;
二、打开电子枪对UB2蒸发源进行预热5min~20min,电子束束流为25mA,电子束斑在坩埚中心部位做正弦运动;
三、在电子束束流为10mA~100mA,阳极电压为1kV~10kV,打开挡板,开始蒸镀,蒸镀时间为5min~360min,且蒸镀过程中旋转支撑台以15rpm自转;
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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