Способ изготовления тонкостенных корпусов мишеней

 

Изобретение может быть использовано для изготовления мишеней, содержащих корпуса из одного или нескольких слоев, в современных исследованиях управляемого термоядерного синтеза и при моделировании физических процессов с использованием мощных лазеров. Способ включает изготовление матрицы, нанесение материалов мишени на матрицу и последующее ее удаление. При этом матрицу изготавливают из сублимируемого металла с температурой сублимации, меньшей температуры термостойкости материалов мишени и прочностью, при которой матрица при нанесении на нее материалов мишени не меняет геометрическую форму, а удаляют матрицу путем сублимации в вакууме. Способ позволяет увеличить отношение радиуса замкнутого корпуса мишени к толщине стенки, что позволяет расширить круг процессов, моделируемых с использованием мощных лазеров. 2 з.п.ф-лы.

Изобретение относится к области физики взаимодействия мощного лазерного излучения с веществом, преимущественно в исследованиях термоядерного управляемого синтеза, включая лазерный, других прикладных задачах, и может быть использовано при изготовлении мишеней, содержащих корпуса из одного или более слоев, сферической и цилиндрической формы.

В современных исследованиях лазерного термоядерного синтеза (ЛТС) используются мишени малых размеров, имеющих тонкостенные сферические корпуса, собираемые из двух полусфер. Полусферические оболочки получают путем предварительного изготовления и подготовки полусферических стальных матриц, нанесения покрытия на рабочую поверхность матрицы и механического отделения полусферической оболочки от матрицы /Авторское свидетельство СССР N 1818883, кл. C 23 C 14/00, 1990/.

Однако при этом полусферические оболочки должны иметь достаточно большую прочность, преимущественно за счет увеличения толщины стенки, для сохранения формы при снятии оболочки с матрицы. Кроме того, сферический корпус имеет неоднородность по экватору в месте соединения полусфер.

Известен способ изготовления бесшовных сфер из стекла с высоким аспектным отношением А, то есть отношением радиуса R к толщине стенки оболочки t, до A = R/t=1000...4000 с последующим нанесением металлов и других материалов на наружную поверхность /Краткие сообщения по физике. 1987, N11, 57-58/. Сферы формируются в специальной печи в вакууме или при давлении газа от 100 до 1000 Па в два этапа, причем на первом этапе в качестве исходного сырья используются сплошные капли, а на втором этапе используются в качестве исходного сырья оболочки с аспектным числом А=200 и более, полученные на первом этапе.

Недостатком данного способа является ограничение выбора материала внутреннего слоя многооболочечной мишени существованием отработанной технологии и сложного оборудования для изготовления качественных сферических оболочек из заданного материала.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ изготовления сферических полимерных корпусов, заключающийся в изготовлении сферической матрицы в виде шарика из парафина на торце капилляра диаметром в десятки мкм, осаждения слоя полимера и удалении матрицы из парафина в вакуумной камере через капилляр при нагреве до температуры t=140^oC /J. Vac.Sci. and Technol., A3, 1985, p.1252/.

Однако существующий способ изготовления мишеней не позволяет получать сферы с высоким аспектным отношением А, например, более 500. Это обусловлено тем, что в известном способе удаление матрицы из парафина осуществляют при температуре 140^oC, когда парафин находится в жидкой фазе, и действие на оболочку-корпус мишени сил поверхностного натяжения парафина может привести к потере устойчивости оболочки. Поэтому толщина полимерной оболочки, изготовленная известным способом составляет более 3 мкм при диаметре 120...140 мкм, то есть аспектное отношение А не превышает 70. Кроме того, в известном способе ограничен выбор материалов мишени и способов их осаждения из-за низкой термостойкости парафина.

Задачей настоящего изобретения является расширение функциональных возможностей мишеней за счет увеличения аспектного отношения оболочки-корпуса мишени при одновременном расширении выбора материалов мишени за счет повышения термостойкости матрицы.

Поставленная задача достигается тем, что в известном способе изготовления мишеней, включающем изготовление матрицы, нанесение материалов мишени на матрицу и последующее ее удаление, матрицу изготавливают из сублимируемого материала с температурой сублимации, меньшей температуры термостойкости материалов мишени и прочностью, при которой матрица при нанесении на нее материалов мишени не меняет геометрическую форму, а удаляют матрицу путем сублимации в вакууме.

Принципиальное отличие предлагаемых операций состоит в том, что при удалении матрицы путем сублимации, то есть при переходе материала матрицы из твердой фазы в парообразную, минуя жидкую, и удалении ее паров в вакуумной камере, отсутствует действие сил поверхностного натяжения материала матрицы на оболочку-корпус мишени, что позволяет удалять матрицу, сохраняя устойчивость оболочки с аспектным отношением более 500.

При этом в качестве оптимального материала матрицы выбирают кадмий или магний, которые, имея относительно высокую скорость сублимации, позволяют изготовить матрицу, сохраняющую геометрическую форму и чистоту поверхности даже при вакуумном резистивном напылении таких металлов, как медь, германий и другие, когда матрица может нагреваться до (100...150)^oC.

Другое отличие состоит в том, что для получения особо высокоаспектных корпусов мишеней матрицу изготавливают в виде пустотелых сферы или цилиндра, а после нанесения на наружную поверхность матрицы материалов мишени в стенке матрицы и материалах мишени выполняют отверстие, соединяющее внутреннюю полость матрицы с вакуумной камерой (сублиматором). При этом удаление матрицы производят через отверстие путем сублимации материала матрицы с ее внутренней поверхности с постепенным уменьшением толщины стенки матрицы. За счет этого уменьшается вероятность нарушения устойчивости корпуса мишени, его деформации остатками матрицы за счет собственного веса при ее удалении.

Пример 1. Для получения сферического корпуса мишени из C-H полимера диаметром 4 мм, на внутренней поверхности которого нанесен слой висмута толщиной 300...500 ангстрем, с общей массой меньше 10^-4 г изготавливают сферическую матрицу из кадмия с полированной поверхностью, покрывают ее слоем висмута, затем осаждают полипараксилилен толщиной 1 мкм, делают в покрытии отверстие и удаляют матрицу в высоковакуумной камере при нагреве до температуры (200...260)^oC.

Температура плавления кадмия 321^oC. Кадмий сублимируется в вакууме с приемлемой скоростью при температуре (200...260)^oC. Этот температурный режим позволяет использовать в качестве материала матрицы, например, такой полимер, как полипараксилилен, имеющий температуру термостойкости не менее 300^oC. Не представляет особых сложностей обеспечить необходимую химическую чистоту кадмия и соответственно чистоту внутренней поверхности оболочки мишени. Если в корпусе мишени необходимы отверстия для ввода лазерного излучения, их делают в покрытии перед удалением матрицы, и эти отверстия будут только способствовать более быстрому удалению матрицы без потери устойчивости оболочки.

Приме 2. Для получения особо высокоаспектной сферической мишени, например, из золота, диаметром 1,5 мм с толщиной стенки 0,3 мкм изготавливают матрицу из чистого магния в виде пустотелой герметичной сферы, наносят слой золота толщиной 0,3 мкм, делают в золотом покрытии и стенке матрицы отверстие диаметром 10...50 мкм, соединяющее внутреннюю полость с вакуумной камерой (сублиматором) и удаляют матрицу путем сублимации магния в вакууме при нагреве до температуры (450...550)^oC. Благодаря указанному отверстию сублимация материала матрицы происходит с ее внутренней поверхности при постепенном уменьшении толщины стенки. За счет этого уменьшается вероятность нарушения устойчивости (деформации) высокоаспектного корпуса мишени остатками матрицы на стадии ее удаления. Матрица в данном примере может быть изготовлена также из кадмия, но при этом температурный режим при ее удалении аналогичен приведенному в примере 1. Отверстие в покрытии заклеивают. Получают герметичную сферу из золота с аспектным числом 2500.

Использование предлагаемого способа изготовления корпусов мишеней обеспечивает по сравнению с существующим способом значительное увеличение аспектного отношения, то есть отношения радиуса замкнутого корпуса мишени к толщине стенки при широком выборе материалов мишени и способов их нанесения на матрицу. Это позволяет расширить круг моделируемых процессов с использованием мощных лазеров.

Формула изобретения

1. Способ изготовления тонкостенных корпусов мишеней, включающий изготовление матрицы, нанесение на матрицу материалов мишени и последующее удаление матрицы, отличающийся тем, что матрицу изготавливают из сублимируемого металла с температурой сублимации меньшей минимальной температуры термостойкости материалов мишени и прочностью, при которой матрица при нанесении на нее материалов мишени не меняет геометрическую форму, удаляют матрицу путем сублимации в вакууме.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что матрицу изготавливают в виде пустотелой сферы или цилиндра, после нанесения на поверхность матрицы материалов мишени выполняют в стенке матрицы и покрытия отверстие, соединяющее внутреннюю полость матрицы с вакуумной камерой.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что в качестве сублимируемого материала матрицы выбирают кадмий или магний.