童維超 袁光輝 謝 軍 李 國(guó) 黃燕華 杜 凱

(中國(guó)工程物理研究院激光聚變研究中心，四川綿陽(yáng) 621900)

在慣性約束聚變(ICF)中，用輻射驅(qū)動(dòng)鋁(Al)樣品產(chǎn)生的沖擊波速度的方法測(cè)量輻射溫度可以得到比較高的精度［1］，同時(shí)利用激光驅(qū)動(dòng)沖擊波進(jìn)行阻抗匹配實(shí)驗(yàn)可以獲得材料的高溫高壓狀態(tài)方程(equation of state，EOS)參數(shù)。根據(jù)阻抗匹配原理，需要沖擊波渡越標(biāo)準(zhǔn)材料和待測(cè)材料界面前后的瞬時(shí)速度相等，這就要求沖擊波在Al臺(tái)階中必須穩(wěn)定傳播，這樣才能滿足阻抗匹配原理?xiàng)l件，從而保證EOS實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性［2－7］。要提高物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果的置信度，從制靶角度而言，就必須首先保證有高質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)材料Al的沖擊波樣品，制備整體式鋁臺(tái)階可保證沖擊波渡越標(biāo)準(zhǔn)材料界面時(shí)沖擊波速度穩(wěn)定，成形靶材料密度要求達(dá)到理論密度，樣品具有極高表面質(zhì)量，并且要準(zhǔn)確測(cè)量出樣品的厚度和厚度分布。

EOS研究用的鋁臺(tái)階一般厚度幾十微米。對(duì)幾十微米的Al臺(tái)階靶的制備方法一般有:氣相沉積技術(shù)、軋制加薄膜復(fù)合技術(shù)等。氣相沉積技術(shù)制備的鋁薄膜通常達(dá)不到材料的理論密度，而軋制只能制備平面鋁薄膜，且表面質(zhì)量很難達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求。在厚度測(cè)量方面，長(zhǎng)期以來(lái)，薄膜厚度的測(cè)量主要采用傳統(tǒng)的單面定位測(cè)量法，即采用適當(dāng)?shù)姆绞绞贡∧ざㄎ恍纬赡ぃ_(tái)階，然后用臺(tái)階儀或干涉儀對(duì)膜－基臺(tái)階進(jìn)行測(cè)量，用膜－基臺(tái)階高度代替薄膜厚度［8］，這就需要測(cè)量過(guò)程中樣品膜緊密貼合在基準(zhǔn)片上，可能會(huì)引入較大的測(cè)量誤差，從而給物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果帶來(lái)不確定度。本文從制靶及靶厚度測(cè)量方面降低物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果的不確定度為出發(fā)點(diǎn)，采用單點(diǎn)金剛石精密車削加工方式制備高精度、厚度分布范圍小于0.1 μm的沖擊波實(shí)驗(yàn)用整體式鋁臺(tái)階靶，采用白光共焦光譜測(cè)量方法對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)量，獲得了準(zhǔn)確的樣品厚度參數(shù)。

1 加工和測(cè)量方案

設(shè)備為超精密單點(diǎn)金剛石車床，其主軸采用氣浮靜壓軸承，導(dǎo)軌為液壓靜壓導(dǎo)軌，運(yùn)動(dòng)精度高;整個(gè)床身、主軸和導(dǎo)軌采用氣浮方式，有效避免外界高頻振動(dòng)傳給機(jī)床。

采用天然單晶體金剛石刃磨的刀具，天然金剛石刀具與有色金屬親和力小，硬度、耐磨性以及導(dǎo)熱性都非常優(yōu)越，刀具刃口可刃磨得極為鋒銳，刃口半徑小于0.5 μm，可以保證鋁臺(tái)階樣品的表面質(zhì)量。

表1 鋁材料雜質(zhì)主要成分含量表(質(zhì)量分?jǐn)?shù)×10－4%)

實(shí)驗(yàn)用原料為純度99.999%的高純鋁，其中主要雜質(zhì)含量見表1。靶材料密度為理論密度可降低物理實(shí)驗(yàn)不確定度，從加工機(jī)理而言，金剛石車削加工是一種去除材料加工方法，不改變材料的成分及物理、化學(xué)性能。因此采用高純鋁為原料，可認(rèn)為加工后材料密度保持不變，接近材料理論密度［9］。

厚度測(cè)量采用自研的厚度測(cè)量?jī)x，在鋁樣品自支撐狀態(tài)下可以精確測(cè)量出鋁樣品的絕對(duì)厚度及厚度分布范圍。測(cè)量原理如圖1所示，通過(guò)兩白光共焦光譜傳感器“對(duì)頂相向布置”的相對(duì)測(cè)量法，將兩光探針傳感器的光軸對(duì)頂相向調(diào)整到一條直線上，其中光探針傳感器A用于聚焦瞄準(zhǔn)定位樣品的下表面［8］，光探針傳感器B用于聚焦瞄準(zhǔn)被測(cè)樣品的上表面，得到待測(cè)樣品的厚度。采用美國(guó)Vecco NT1100白光干涉儀對(duì)表面粗糙度進(jìn)行測(cè)量。

2 工藝過(guò)程

采用真空吸附方式將純鋁裝夾到金剛石車床真空吸盤上，采用端面車削方式，加工過(guò)程中通過(guò)噴霧進(jìn)行冷卻，通過(guò)負(fù)壓將切屑抽出，以免劃傷已加工表面。通過(guò)粗加工、半精加工、精加工等多道工序進(jìn)行加工，同時(shí)，每道工序完成后檢查樣品厚度及表面粗糙度以及時(shí)調(diào)整工藝過(guò)程及加工參數(shù)。

3 測(cè)量結(jié)果與分析

3.1 厚度及厚度均勻性

樣品厚度測(cè)量通常采用臺(tái)階儀和白光干涉儀測(cè)試臺(tái)階樣品厚度［10－11］，采用這兩種方法測(cè)量厚度，均需要將樣品展平、緊密貼合在測(cè)量基準(zhǔn)面上，通過(guò)測(cè)量基準(zhǔn)面到樣品表面的高度，用其值代替薄膜的厚度值?？赡艿恼`差來(lái)源有:樣品與基準(zhǔn)面之間存在間隙，即樣品沒有緊密貼合在基準(zhǔn)面上;或者可能引入一層中間層，從而使測(cè)量值引入誤差。采用如圖1中白光共焦光譜測(cè)量方法，實(shí)質(zhì)上實(shí)現(xiàn)了對(duì)樣品厚度的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)測(cè)量，避免了測(cè)量基準(zhǔn)面和可能引入的中間層厚度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，從而使測(cè)量值更接近真實(shí)值。表2為采用白光共聚光譜測(cè)量的鋁臺(tái)階基底部分的不同測(cè)試點(diǎn)的厚度測(cè)量值，厚度誤差小于1 μm，厚度最大值與最小值相差小于0.1 μm;根據(jù)文獻(xiàn)［12］，厚度均勻性的定義為:［1 －(dmax－dmin)/davg］×100%，dmax、dmin、davg分別表示厚度測(cè)量數(shù)據(jù)中，薄膜的最大厚度、最小厚度和平均厚度。從表2的測(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明:Al臺(tái)階的厚度均勻性能夠達(dá)到大于99.5%。

3.2 厚度標(biāo)準(zhǔn)偏差及測(cè)量不確定度

3.2.1 標(biāo)準(zhǔn)偏差

根據(jù)表2的測(cè)量數(shù)值，計(jì)算樣品的厚度測(cè)量不確定度。

算術(shù)平均值為

表2 樣品厚度測(cè)量結(jié)果 μm

標(biāo)準(zhǔn)偏差σx為

3.2.2 測(cè)量不確定度

A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度是在一系列重復(fù)測(cè)量中，用統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算的分量，它的表征值用平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差表示，即

B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度是測(cè)量中不符合統(tǒng)計(jì)規(guī)律的不確定度，記為UB。本文采用的白光共焦光譜測(cè)量?jī)x與文獻(xiàn)［8］為同一臺(tái)設(shè)備。B類不確定度來(lái)源有:傳感器A、傳感器B及儀器測(cè)量重復(fù)性，根據(jù)文獻(xiàn)［8］分析可知。

合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度:

可求得Al臺(tái)階的相對(duì)不確定度為57 nm。

3.3 表面粗糙度

采用Vecco NT1100白光干涉儀測(cè)量的樣品表面粗糙度，如圖2所示，結(jié)果表明，鋁臺(tái)階樣品表面均方根粗糙度Rq小于10 nm。

4 結(jié)語(yǔ)

采用金剛石車削方式加工激光驅(qū)動(dòng)沖擊波實(shí)驗(yàn)用鋁臺(tái)階，加工成形后材料密度保持不變。通過(guò)自研的厚度測(cè)量?jī)x，采用白光共焦光譜測(cè)量原理測(cè)量樣品厚度，實(shí)現(xiàn)了對(duì)樣品厚度的“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”測(cè)量。Al臺(tái)階厚度誤差可達(dá)小于1 μm;厚度最大值與最小值相差小于0.1 μm，厚度均勻性優(yōu)于99.5%，樣品測(cè)量不確定度57 nm。通過(guò)Vecco NT1100白光干涉儀測(cè)量Al臺(tái)階表面粗糙度值小于10 nm。

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