CNIC-01590CAEP-0084

靶参数测量

PARAMETER MEASUREMENT OF TARGET(In Chinese)

中 国 核 情 报 中 心China Nuclear Information Centre

CNIC-01590CAEP-0084

靶参数测量

高党忠

（中国工程物理研究院核物理与化学研究所，四川绵阳，621900）

摘 要

介绍了靶参数测量实施课题（ICF-15）各项研究内容在 1999 年

度的进展情况。主要包括完成了原子力显微镜 (AFM) 赤道轮廓仪

方案设计，签定了加工合同，并开始精密气浮主轴的研制；进行了

多层球 X 光拍照技术研究，获得了高清晰多层球 X 光图像，应用

图像黑度处理分析软件、数据分析软件对多层球 X 光图像进行了

处理与分析，测量了多层塑料球壁厚，精度达 0.3 µm；建立了露点

法高清晰图像观察采集系统，研制了专用靶丸支架，测量了靶丸支

架温度分布，对内充气压为 5～15(×105) Pa，壁厚为 1.5～3 µm 的

玻璃球进行了燃料气压测量；应用扫描电镜、光学显微镜、能谱仪

对多层球进行了观测，获得了多层球结构的直接证据。

关键词：微球赤道轮廓仪， 多层塑料微球 X 光照相法， 露点法， 燃料气压，靶

1

Parameter Measurement of Target(In Chinese)

GAO Dangzhong(Institute of Nuclear Physics and Chemistry, CAEP, Mianyang, Sichuan, 621900)

ABSTRACT

The progress of parameter measurement of target (ICF-15) in 1999 arepresented, including the design and contract of the microsphere equator profiler，the precise air bearing manufacturing, high-resolution X-ray image of multi-layershells and the X-ray photos processed with special image and data software, someplastic shells measured in precision of 0.3 µm, the high-resolution observation andphotograph system of “dew-point method”, special fixture of target and itstemperature distribution measuring, the dew-point temperature and fuel gaspressure of shells with measured wall thickness of 5～15 (×105) Pa D2 and 1.5～3µm.

Keywords: Microsphere equator profiler, Multi-layer shell X-ray photograph, Dew-pointmethod, Fuel gas pressure

2

引 言

ICF 实验过程中存在的流体动力学不稳定性与靶丸表面形貌有着直接关系，为了解和

控制这种不稳定性，研究二者之间关系是非常必要的，而准确测量靶丸表面形貌则是这

个工作的首要条件。为此，根据文献报道并结合现有设备的具体情况，我们设计了原子

力显微镜微球赤道轮廓仪，它主要是通过测量微球赤道的九条迹线并用数学手段来对靶

丸表面形貌进行分析，获取对流体动力学不稳定性的有用信息。由于塑料多层球透明度

差，壁厚大，用光干涉方法测量其壁厚较为困难，而 X 光具有不被所通过介质折射的特

点，可以用来对多层球进行拍照测量，多层球的内层芯胎 PS 及阻气层 PVA 密度较为接

近且都较小，其化学成分唯一的差别为 PVA 含有少量的氧元素。因此，只有采用低能 X射线拍照才能将二者从结构上分开。同时，为了从多层球 X 光图像中获得壁厚数据，对

X 光图像进行处理与分析是必要的。我们还利用光学显微镜、扫描电镜 (SEM) 及能谱仪

(EDS) 对多层球进行了多方面分析测量，获得了双层球结构直接证据。由于目前 ICF用薄

壁玻璃球、塑料多层球做实验靶丸，其特点为保气半寿命短（玻璃球为几天，塑料球为

几十个小时）。我们已建立的“气泡法”、“低能 X 射线测量方法”测量靶丸气压的方法

均不能满足对上述几种靶丸燃料气体总量精确测量要求。“气泡法”采用对靶壳破坏的

测量方法，以统计平均的方法检验出一批靶丸充入 D2/DT 燃料气体量，不能给出每一发

靶丸在打靶时刻气体量；“低能 X 射线测量方法”测量氚 β 射线激发玻璃球壳中的 1.74keV 硅特征 X 射线，测定靶丸内氚量，该方法是非破坏性测量方法，但局限于玻璃球壳

激光靶丸，不能应用于塑料球壳靶。为解决以上存在的问题，我们建立“露点法”非破

坏性测量透明靶壳内 D2/DT 量及其漏率，其基本原理是精确测量低温下靶丸内燃料气体

达到饱和气压出现的露点温度，确定靶丸内气体密度，由靶丸内腔体积，计算出充入靶

丸燃料气体总量，最佳精度可达 2％。

1 原子力显微镜微赤道轮廓仪

据资料显示[1]，ICF 打靶过程中存在的流体力学不稳定性与靶丸的表面形貌有关，如

果靶丸内外表面粗糙度较大，或者形状不规则，很容易引起不对称压缩，甚至导致实验

失败。研究表明，与流体力学不稳定性直接有关的是微球表面波长从几到几十微米的起

伏，不仅是局部的表面粗糙度，而且 AFM 在一个较大的微球 (直径 500 µm) 上有效扫描

范围仅有 50 µm×50 µm，很难对微球大范围至整个表面质量做出评价，设计加工一个高

质量且与 AFM 匹配的轮廓仪则有助于解决这个问题。我们现有的原子力显微镜是美国数

字仪器公司（Digital Instruments）生产的 Dimension 3000 型 SPM（通称 AFM），其工作

空间高度为 2 cm，样品台直径 15 cm，样品台 X－Y 移动精度量 1 µm，最大扫描范围 90µm×90 µm×5.6 µm，分辨率为 0.8 nm。考虑到 AFM 的现有状况，轮廓仪须采用卧式主

轴框架，才能与之匹配，同时考虑到微球大小、变向及转速等因素，轮廓仪的设计的主

要内容及技术指标如下：

(1) 精密气浮主轴采用卧式，微球真空吸附于主轴上，自转精度≤0.1 µm；

(2) 主轴具有调节倾斜装置，其微球重复定位误差≤0.1 µm；

3

(3) 减小电机主轴转动及其它可能的仪器本身产生的振动，综合测量精度好于 20nm；

(4) 具有真空吸附微球变向装置，对靶球具有三维正交变向功能，三组正交赤道迹线

正交度≤1°；

(5) 主轴转速分 1～5 转/min 五个档次；

(6) 编码器、主轴与 AFM 同步触发驱动，由计算机控制扫描。

目前，我们已在和加工单位签订加工合同，并进行主轴的研制。AFM 与轮廓仪系

统，主轴结构及系统装配情况如图 1 所示。

(a) (b)

(c) (d)图 1 主轴结构及系统

(a) 微球赤道迹线及一维功率谱；(b) AFM 微球赤道轮廓仪测量系统；

(c) 主轴结构示意图；(d) 轮廓仪在 AFM 上的装配图

2 X 光照相法测量多层球壁厚

为提高实验能量增益，控制流体动力学不稳定性，ICF 研究大多数采用低原子序数低

密度的塑料球作为燃料气体容器。塑料靶丸一般具有多层结构，最典型的组成一般是在

PS 芯胎上加一 PVA 阻气层，最外层是 CH 烧蚀层。为了尽量提高其保气半寿命，壁厚一

般在几个到几十个微米，各层的折射率不同，且透明度较差，因而用光干涉法较难测量

4

多层球各壳层乃至整个壁厚，为克服这一困难，我们采用 X 光照相法来间接测量多层球

壁厚。由于 X 光具有不容易被所经过的介质折射，而且不同密度的物质对 X 光的吸收率

不同，因而 X 光经常用来对物体的内部结构进行分析测量。塑料球的密度很低，只能用

低能 X 射线（4～6 keV）来进行拍照。理论上，由于因化学成分及密度等性质上的差

异，多层球各壳层对 X 光的吸收率是不同的，因而，可将多层球对 X 光的吸收率看成是

半径的函数，在界面附近这种关系可以描述为[2]

RrRrBRArD ≤−∆+= )/11()( 22

其中，D(r)，A，∆B，R 分别为图像的亮度对数、曝光度、微球界面处不透明度差及界面

半径，对上式求二次微分容易确定界面位置。

RrRrBR

RrRrRB

rrD

=−∆=

<−∆−= −

)(δ

)/1(d

)(d 2/3222

2

上式反映在图像上即在界面处出现一对突变尖峰（见图 2）。但这种方法也存在一些

不利因素。首先在化学成分上，PS 与 PVA 的区别除分子式中碳元素分布上略有差异外，

PVA 只含有少量的氧元素，它们的密度非常接近，因此二者对 X 光的吸收率差别很小，

反映在 X 光照相底片的灰度分布不会产生明显的界限。另外，底片的颗粒及成像时伴影

现象给图像形成较大噪声，足以将界面等有用信息淹没，因而必须有特殊的处理办法，

消除噪声，增强界面信号，才能达到精确测量的要求。目前具体做法是，将多层球 X 光

底片用高分辨率 CCD 数字化后输入计算机，利用黑度分析软件得到微球沿径向的强度吸

收曲线，然后进行傅立叶低通滤波处理，最后求二次微分，找到界面位置，计算壁厚。

图 3 为微球 X 光图像及软件分析过程，表 1 为测量结果。

(a)

X光

PS/PVA 微球

全息干板

CCD

计算机 黑度分析 测量结果

(b)

图 2 (a) 多层球结构及测量原理；(b) 多层球壁厚测量及分析

5

(a) (b)

图 3 (a) 多层球的 X 光图像；(b) 软件对多层球 X 光图像进行壁厚分析

表 1 多层球壁厚

编号 PS/µm PVA/µm

1 10.22 13.14

2 12.87 35.75

3 9.61 7.69

4 10.03 8.02

5 11.3 6.78

3 “露点法”测量玻璃靶丸燃料气体总量

充气靶丸放置在低温冷冻室内，随着靶丸温度降低，通过摄象系统观察气体相变时

刻球壳图象，精确测量相变时刻微球温度。其内部燃料气体逐渐趋于饱和，达到临界温

度时，靶丸内将出现露点，由 Souers 测定的饱和蒸汽密度与温度关系值，J. J. SANCHEZ给出它们之间的拟合关系[3]：

Inρ = ii Tb /∑ i=0～4

pr=ρRTr

其中 ρ 为蒸汽密度，T 为露点温度，Tr，pr 分别为室温及气压，R 为气体常数，bi 为实验

拟合系数，具体数值见表 2。由上两方程可看出，只要测量到氘氚气体露点温度，即可计

算出靶丸内气体露点温度时密度，应用气体状态方程计算出露点温度下靶丸内气压，由

靶丸内腔体积计算靶丸内所充气体总量。

表 2 露点法相关参数

b0 b1 b2 b3 b4 Tr/K R

23.3977 -1006.24 24959.07 -314318 1441442 298 8.21E-05

0 20 40 60 80 100 120 140

-40

0

40

80

120

160

200—— Intensity—— 2nd Derivative

X Radius(pixel)

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(a) (b)

图 4 (a) 露点法实验装置；(b) 样品支架

表 3 样品支架纵向温度分布

B 点（距 A 点 8.6 mm） C 点（距 A 点 13.00 mm） D 点（距 A点 17.5 mm）温

度

KTA/ K TB/ K TB/TA

平均

TB/TA

TA/K TC/ K TC/TA

平均

TC/TA

TA/ K TD/K TD/TA

平均

TD/TA

5.004 6.61 1.3215

5.010 6.62 1.321 1.321 5.001 7.00 1.400 1.400 5.002 7.32 1.46 1.46

10.010 10.31 1.030 10.067 10.59 1.052 10.029 10.72 1.06910

10.006 10.30 1.028 1.029 10.050 10.57 1.052 1.052 10.016 10.71 1.069 1.069

15.016 14.95 0.996 15.015 15.10 1.0057 15.014 15.19 1.011715

15.016 14.93 0.994 0.995 15.016 15.09 1.0049 1.0053 15.014 15.19 1.0117 1.0117

20.014 19.82 0.990 20.016 19.94 0.996 20.013 19.99 0.99920

20.016 19.82 0.990 0.990 20.016 19.94 0.996 0.996 20.013 19.99 0.999 0.999

25.016 25.07 1.002 25.046 25.19 1.0057 25.041 25.23 1.007525

25.048 25.07 1.001 1.002 25.046 25.19 1.0057 1.0057 25.044 25.22 1.0070 1.0073

30.088 30.00 0.997 30.088 30.11 1.00073 30.084 30.11 1.0008630

30.088 30.00 0.997 0.997 30.088 30.11 1.00078 1.00075 30.088 30.11 1.00073 1.00079

35.150 35.07 0.997 35.165 35.17 1.00014 35.150 35.16 0.999735

35.175 35.08 0.997 0.997 35.150 35.16 1.00028 1.00021 35.140 35.16 0.9994 0.9996

注：TA为冷源标准温度，TB，TC，TD为实验测量点温度。

7

为了准确测量靶丸露点温度，我们建立了由 He-Ne 激光器、显微镜、高清晰 CCD，

监视器，计算机组成的露点照明及图像采集系统，由 A+离子激光器、温度控制器、高灵

敏度温度传感器组成的露点温度测量系统，加工了特制样品支架，整个实验装置如图 4所示。由于靶丸很小，较难直接测量靶丸位置的温度，必须先测量整个样品支架的温度

分布，然后根据样品所处位置计算其温度，表 3 为样品支架在 5～35 K之间的纵向温度分

布。

由表中数据可知，样品支架各点的温度差别很小，测量精度好于 0.1 K。将玻璃球充

入 5～20 (×105) Pa 的氘气，置于 HS-4 的样品室内，制冷到 20～24 K 可明显观察到露点

出现，并且可将露点温度范围控制在 0.1 K 之内。露点出现前后的微球如图 5 所示，测量

结果见表 4，其中露点法与光程法、气泡法有较大系统误差，来源可能为较大壁厚、气泡

表面张力及温度测量等因素，需今后做进一步研究。

(a) (b)图 5 (a) 出现露点前的靶丸；(b) 出现露点后的靶丸

表 4 玻璃球燃料气压

编号 露点温度/K 露点法气压/atm 光程法/atm 气泡法/atm

1

2

23.443

22.664

12.878

10.417

5.7

7.82

10.74

10.60

3 23.769 14.022 6.47 10.19

注：表中所列数据均为室温燃料气压，1 atm=105 Pa。

4 扫描电镜测量多层球壁厚

为了能获得多层球结构的直接证据，利用扫描电镜高倍数大景深的特点，我们对多

层球 (PS\PVA，PS\CH 微球) 做了剖面分析测量[4]。首先将多层球包埋在环氧胶中，固化

后用 Leica 切片机切片，然后在扫描电镜下观察多层球截面，由所获得的电镜照片可清楚

8

地看出多层球存在明显的双层结构 (见图 6)，两层厚度接近。进一步的研究表明，由于包

埋材料粘度较大，很容易发生延展，将多层球截面覆盖，使观察较为困难，尝试用别的

包埋材料 (如石蜡、松香等) 亦不理想。为了证实双层球 (PS\PVA) 确有 PVA 涂层，我们

对 PS\PVA 微球做了能谱分析 (见图 7)，得到了存在氧元素的肯定结果。

(a) (b)图 6 (a) PS\PVA双层球电镜照片；(b) PS\CH 双层球光学显微镜照片

图 7 PS\PVA微球表面能谱

此外，我们还在高倍数小景深 Nikon 显微镜下对 PS，PS\PVA，PS\CH 微球进行观

察，清晰的图像表明，PS 微球壁不存在中间界面，PS\PVA 微球壁具有明显但不连续的

中间界面，PS\CH 微球壁双层反差大且有明显界线 (见图 8)。

9

(a) (b)

(c)

图 8 多层球的球壁照片

(a) PS 微球；(b) PS\PVA微球；(c) PS\CH 微球

参 考 文 献

1 McEaChern R L, Moore C E, Wa11ace R J. J. Vac. Sci. Techno1. A, 1995, 13

2 Richard B. Stephens. J. Vac. Technol.A, 1995, 3(3): 13

3 Sanchez J J, Upadhye R S. Nuclear Fusion, 1991, 31: 3

4 Uichi Kubo, Hiroshi Tsubakihara. Vac. Sci. Techno1.A, 1987, 5: 4