ICF分解實(shí)驗(yàn)中的平面調(diào)制靶

1、3國家 863慣性約束聚變領(lǐng)域資助課題1997年 8月 11日收到原稿 , 1997年 9月 15日收到修改稿 。周斌 , 1970年 3月出生 , 在職博士研究生I CF 分解實(shí)驗(yàn)中的平面調(diào)制靶周斌王 玨沈軍杜保旗賴珍荃鄧忠生張會(huì)林陳玲燕(同濟(jì)大學(xué)波耳固體物理研究所 , 上海 , 200092摘要 介紹采用多次電鍍 N i 圖形轉(zhuǎn)移工藝將激光干涉法獲得的耦合在光刻膠表面的起伏圖形進(jìn)行復(fù)制以獲得 N i 基圖形轉(zhuǎn)移模板 , 并進(jìn)一步將表面起伏圖形復(fù)制到聚苯乙烯薄膜的表面 , 以獲得具有表面起伏圖形的平面調(diào)制靶 。 為提高圖形轉(zhuǎn)移的精度 、 研究電鍍圖形轉(zhuǎn)移工藝和聚苯乙烯薄膜圖形復(fù)制工藝對(duì)表面起

2、伏圖形轉(zhuǎn)移精度的影響 , 以掃描電子顯微鏡對(duì)整個(gè)圖形轉(zhuǎn)移流程進(jìn)行監(jiān)控 , 比較光刻膠表面圖形 , 一次 、 二次電鍍轉(zhuǎn)移圖形和轉(zhuǎn)移到聚苯乙烯上圖形的形貌 。關(guān)鍵詞 平面調(diào)制靶電鍍圖形轉(zhuǎn)移掃描電子顯微鏡瑞利 -泰勒流體不穩(wěn)定性是激光驅(qū)動(dòng)和 X 射線驅(qū)動(dòng)內(nèi)爆理論和實(shí)驗(yàn)中一個(gè)重要研究課 題 15, 它是 I CF 實(shí)驗(yàn)中在靶物理和相互作用物理兩方面迫切需要解決的問題之一 。 研究表 明 , 引起瑞利 -泰勒流體不穩(wěn)定性的原因有多種 , 靶丸表面的不完整性是其中之一 , 美國利 弗莫爾實(shí)驗(yàn)室的 T hom as D ittrich 6經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究證明當(dāng)靶丸表面粗糙度增加時(shí) , 中子產(chǎn)額會(huì)減 少并使聚變反

3、應(yīng)減少 。 如何進(jìn)一步在理論和實(shí)驗(yàn)中明確瑞利 -泰勒流體不穩(wěn)定性的作用是目 前 I CF 實(shí)驗(yàn)中的一個(gè)關(guān)鍵問題 。 采用分解實(shí)驗(yàn)是一條可行途徑 , 通過在平面上人為引入面密 度擾動(dòng)可模擬由此產(chǎn)生的不穩(wěn)定性 , 因此具有表面起伏圖形的平面調(diào)制靶的研制及其參數(shù)的 精確測(cè)定就尤其重要 。 雖然利用平面調(diào)制靶進(jìn)行的瑞利 -泰勒不穩(wěn)定性的研究已經(jīng)取得一系 列結(jié)果 , 而且已從二維空間調(diào)制模擬發(fā)展到三維空間調(diào)制模擬 , 但關(guān)于平面調(diào)制靶的制備卻 很少有系統(tǒng)的報(bào)道 。我們?cè)鴪?bào)道 7采用激光干涉法進(jìn)行表面起伏平面圖形的研制 。 本文進(jìn)一步研究采用金屬 N i 電鍍圖形轉(zhuǎn)移工藝將激光干涉工藝獲得的耦合在光刻膠表

4、面的起伏圖形轉(zhuǎn)移到 N i 基襯底 上 , 獲得具有表面起伏圖形的金屬 N i 模具 , 選用合適的聚合物薄膜 , 采用熱壓工藝和我們稱 為 “流延法” 的工藝將金屬模具上的表面起伏圖形轉(zhuǎn)移到聚合物薄膜上 , 獲得具有表面起伏圖 形的平面調(diào)制靶 。1平面調(diào)制靶的制備采用的實(shí)驗(yàn)方案是在有機(jī)膜上引進(jìn)正弦表面起伏 , 理論研究表明 :不同幅度的表面起伏 影響不同的物理過程 , 長波 、 中波和短波擾動(dòng)分別影響壓縮 、 殼裂和混合過程 , 長波和中波的 擾動(dòng)可通過人為引進(jìn)表面起伏圖形來模擬 。 平面調(diào)制靶的制備由以下四部分組成 :1. 1表面調(diào)制圖形的產(chǎn)生第 9卷第 4期強(qiáng) 激 光 與 粒 子 束 V

5、 o l . 9, N o . 4 1997年 11月 H IGH POW ER LA SER AND PA R T I CL E BEAM S N ov . 9, 1997過去的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明 7, 激光全息干涉技術(shù)是產(chǎn)生表面調(diào)制起伏圖形的有效途徑 。 采用 雙光束激光干涉 , 其光強(qiáng)分布為 I =2I 0(1+co s , 其中 , 為相干光到達(dá)觀察屏?xí)r所產(chǎn)生的 振幅的相差 , 光強(qiáng)隨光程是余弦分布 。 當(dāng)光強(qiáng)分布轉(zhuǎn)化為空間幾何分布時(shí) , 可得到理想的表 面正弦調(diào)制圖形 , 圖 1是激光干涉法工藝流程 。 采用激光干涉法 , 通過選擇合適的光刻膠 , 控 制干涉光強(qiáng)度和曝光時(shí)間 , 目前已獲

6、得波長為幾十 m , 振幅 0. 23. 5m 的表面起伏圖形 。1. 2圖形的電鍍轉(zhuǎn)移工藝將激光干涉法獲得的耦合在光刻膠表面的正弦起伏圖形轉(zhuǎn)移到金屬基襯底上獲得具有起 伏圖形的金屬模板 , 是平面調(diào)制靶制備的一個(gè)重要環(huán)節(jié) 。 采用在光刻膠圖形上電鍍 N i 層的工 藝實(shí)現(xiàn)圖形的轉(zhuǎn)移 , 電鍍 N i 是實(shí)現(xiàn)圖形轉(zhuǎn)移的有效途徑 , 該工藝流程為 :在具有圖形的光刻 膠表面蒸鍍一層幾十 nm 的 A g 導(dǎo)電膜作為電鍍陰極 , 控制陰極電流密度和電鍍時(shí)間 , 在 A g 膜表面形成均勻的金屬 N i 層 , 脫下 N i 層 , 獲得具有轉(zhuǎn)移圖形的一次轉(zhuǎn)移金屬 N i 模板 ; 對(duì)一 次轉(zhuǎn)移獲得

7、的 N i 模板進(jìn)行表面鈍化處理 , 再以它作為電鍍陰極 , 再次電鍍后脫下 N i 層 , 獲 得二次轉(zhuǎn)移的 N i 模板 。 采用一次轉(zhuǎn)移的模板可反復(fù)電鍍獲得多塊二次轉(zhuǎn)移模板 , 用二次轉(zhuǎn)移 模板作為平面調(diào)制靶制備的金屬基熱壓模板和 “流延法” 制備薄膜的模板 。 圖 2是電鍍 N i 裝置 圖。 F ig . 1 T echno ligical p rocess of laser in terference m ethod圖 1激光干涉法工藝流程 F ig . 2 T he experi m en tal systemof electrop late圖 2電鍍 N i 裝置圖1. 3有機(jī)

8、膜上的調(diào)制圖形復(fù)制采用熱壓工藝和 “流延法” 將調(diào)制起伏圖形轉(zhuǎn)移到有機(jī)薄膜表面 , 研究有機(jī)薄膜的成膜工 藝 、 熱壓工藝對(duì)有機(jī)膜表面圖形復(fù)制的影響 。1. 4起伏圖形的監(jiān)測(cè)采用掃描電子顯微鏡和臺(tái)階儀觀察每個(gè)過程中起伏圖形的形貌 , 監(jiān)測(cè)整個(gè)工藝過程 。 測(cè) 量用掃描電子顯微鏡為 L eica -Cam b ridge S 360, 臺(tái)階儀為 T enco r 公司的 2sti p 100型 。 2討論2. 1電鍍工藝控制為獲得精確的表面起伏圖形的轉(zhuǎn)移 , 對(duì)金屬 N i 電鍍圖形轉(zhuǎn)移工藝進(jìn)行研究 , 比較不同電鍍液對(duì)電鍍 N i 層結(jié)構(gòu)的影響 , 選用氨基磺酸鎳 (N i (N H 2SO

9、3 24H 2O 為鍍液 , 采用氨基磺 酸鎳鍍液可獲得內(nèi)應(yīng)力接近于零的鍍層 8。 N i 陽極采用 99. 9%的含硫鎳球 , 通過控制電鍍液 的 pH 值 、 電鍍溫度 、 陰極電流密度得到均勻性 、 致密性好的電鍍 N i 層 。電鍍液的溫度應(yīng)與鍍液的濃度及所采用的電流密度相適應(yīng) , 在本實(shí)驗(yàn)的電鍍 N i 圖形轉(zhuǎn) 移中 , 選用 4042為電鍍液溫度 ; 鍍液的 pH 值對(duì)鍍層性能及電解液性能影響很大 , pH 值 偏大或偏小都會(huì)影響 N i 層質(zhì)量 , 出現(xiàn)針孔 , 對(duì)氨基磺酸鎳鍍液一般 pH 值維持在 3. 84; 電 鍍 N i 的過程中陰極電流密度對(duì)陰極電流效率 、 沉積速率及

10、鍍層質(zhì)量均有影響 , 陰極電流密度 的范圍與電鍍液的組成 、 溫度及攪拌條件有關(guān) 。 在電鍍圖形轉(zhuǎn)移過程中 , 采用的陰極電流密度 一般為幾十 mA c m 2, 陰極電流密度太高 , 會(huì)導(dǎo)致燒焦或海綿狀鍍層 , 鍍層的孔洞率也高 ; 在 電鍍前對(duì)光刻膠表面圖形的清潔處理是獲得良好圖形轉(zhuǎn)移的保證 。2. 2表面調(diào)制圖形的精確轉(zhuǎn)移研究電鍍圖形轉(zhuǎn)移工藝對(duì)圖形轉(zhuǎn)移的要求是圖形完整且圖形尺寸準(zhǔn)確 , 邊緣整齊 。 采用電鍍 圖形轉(zhuǎn)移工藝對(duì)形成于光刻膠表面的正弦起伏圖形的一次和二次電鍍轉(zhuǎn)移獲得金屬 N i 基具 有正弦起伏圖形的模板 。 運(yùn)用掃描電子顯微鏡對(duì)光刻膠上的圖形 (圖 3a 、 經(jīng)一次轉(zhuǎn)移形成

11、在 N i 層上的圖形 (圖 3b 和二次轉(zhuǎn)移獲得的 N i 模板上的圖形 (圖 3c 進(jìn)行測(cè)量 , 以確定表面調(diào)制 圖形轉(zhuǎn)移的精確性 。F ig . 3 SE M of tran sfered figu res (×400圖 3復(fù)制圖形的 SE M 測(cè)量 (×400從圖 3可見 , 電鍍 N i 圖形轉(zhuǎn)移工藝是良好的圖形轉(zhuǎn)移工藝 。 經(jīng)過兩次電鍍轉(zhuǎn)移后 , 表面 起伏圖形接近理想的正弦狀 。 圖 3c 顯示 , 二次轉(zhuǎn)移 N i 模板的表面正弦起伏圖形的波長約為 56m , 對(duì)二次轉(zhuǎn)移 N i 模板的臺(tái)階儀測(cè)量表明正弦圖形的振幅約為 3. 6m 。圖 4a 、 b 分別是

12、一次轉(zhuǎn)移 N i 模板和二次轉(zhuǎn)移 N i 模板剖面的 SE M 圖形 (樣品臺(tái)偏轉(zhuǎn) 60° , 從圖 4可見 , 通過兩次金屬 N i 電鍍圖形轉(zhuǎn)移后 , 表面正弦起伏圖形完整地獲得復(fù)制 , 且圖形 復(fù)制過程中基本沒有偏差 。2. 3聚苯乙烯薄膜上的圖形復(fù)制瑞利 -泰靶不穩(wěn)定性靶要求選用低 Z 的膜材料 , 考慮材料的可加工性 , 以物化性能較穩(wěn) 定的聚苯乙烯作為膜材料 。 聚苯乙烯是以碳和氫兩種輕元素組成 , 它是一種低 Z 材料 。 采用熱 壓工藝和 “流延法” 以電鍍 N i 二次轉(zhuǎn)移圖形為模板 , 在聚苯乙烯薄膜的表面形成起伏調(diào)制圖 形 。為獲得適當(dāng)厚度和均勻性好的聚苯乙烯薄

13、膜 , 研究采用旋轉(zhuǎn)涂覆制備聚苯乙烯薄膜 , 控 F ig . 4 SE M fo r cro ss secti on of N i p late (×450圖 4 N i 基模板剖面的 SE M 測(cè)量 (×450, 樣品臺(tái)偏轉(zhuǎn) 60°制聚苯乙烯溶液的濃度 、 旋轉(zhuǎn)速度和旋轉(zhuǎn)時(shí)間 、 選擇合適脫膜劑達(dá)到控制成膜質(zhì)量的目的 。 以 氯仿 (CHC l 3 為溶劑溶解聚苯乙烯顆粒 , N aC l 作脫膜劑 9, 在光學(xué)拋光玻璃表面蒸鍍 N aC l 層 , 在 N aC l 上旋轉(zhuǎn)涂覆制備聚苯乙烯薄膜 , 待氯仿?lián)]發(fā)后 , 在去離子水中經(jīng)脫膜獲得聚苯乙 烯薄膜 。聚

14、苯乙烯薄膜具有較好的熱塑性 , 采用熱壓工藝可將圖形復(fù)制到薄膜表面 。 實(shí)驗(yàn)中使用 小型油壓機(jī) , 壓力范圍為 040M Pa , 工作臺(tái)直徑 90mm , 配備加熱裝置 , 加熱溫度可達(dá) 300 , 控制精度小于 1 。 采用二次轉(zhuǎn)移 N i 模板 , 在旋轉(zhuǎn)涂覆法制備的聚苯乙烯薄膜上通過 控制熱壓的壓力和溫度來獲得轉(zhuǎn)移圖形 。 SE M 測(cè)量表明 , 采用熱壓法可將起伏圖形完整地轉(zhuǎn) 移到聚苯乙烯薄膜的表面 (見圖 5a 。另外 , 實(shí)驗(yàn)中還采用我們稱為 “流延法” 的工藝在 N i 模板表面直接形成聚苯乙烯薄膜 。 它 是一種簡單的薄膜制備工藝 , 將聚苯乙烯 -氯仿溶液均勻流過 N i

15、模板表面 , 待氯仿溶劑揮 發(fā)后 , 刮下薄膜 , 得到具有起伏圖形的聚苯乙烯薄膜 。 圖 5b 為流延法獲得圖形的 SE M 照片 。F ig . 5 SE M of pertu rbati on figu res on po lystyrene -fil m (×100圖 5聚苯乙烯薄膜上的起伏圖形的 SE M 測(cè)量 (×100936第 4期 周斌等 :I CF 分解實(shí)驗(yàn)中的平面調(diào)制靶3結(jié)語通過電鍍 N i 圖形轉(zhuǎn)移工藝將激光干涉法獲得的耦合在光刻膠上調(diào)制圖形轉(zhuǎn)移至 N i 基金 屬模板上 , 采用熱壓工藝和 “流延法” 成功地將 N i 模板上的調(diào)制起伏圖形轉(zhuǎn)移至聚苯

16、乙烯薄 膜的表面 , 對(duì)電鍍獲得的一次 、 二次轉(zhuǎn)移 N i 圖形模板和聚苯乙烯薄膜表面圖形的掃描電鏡形 貌觀察表明 , 由激光干涉法獲得的表面起伏圖形經(jīng)過整個(gè)工藝流程后 , 其形貌未遭到破壞 , 仍具有較好的正弦起伏圖形 。 采用此工藝流程 , 目前我們已獲得波長為幾十 100m , 振幅在 0. 23. 5m 的系列正弦調(diào)制圖形模板 , 為用于 I CF 分解實(shí)驗(yàn)中的平面調(diào)制靶的制備奠定了 良好的基礎(chǔ) 。參考文獻(xiàn)1 Em ery M H et al . P hy s R ev L ett , 1996, 57(6 :7032 A ref H assan et al . P hy s R e

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19、Zhang H u ilin , and Chen L ingyanP oh l Institu te of S olid S ta te P hy sics , T ongj i U n iversity , S hang ha i , 200092 ABSTRACT T he su rface pertu rbati on target is an i m po rtan t experi m en tal target fo r the reso lved exper 2 i m en ts of inertial -confinem en t fu si on (I CF . In th is paper , figu re -tran sfer p rocess by m ean s of n ickel -electrop late w as adop ted , th rough th is p rocess the sine pertu rbati on figu re w h ic