激光驅(qū)動沖擊波實驗用鋁臺階加工與測量技術(shù)*

童維超 袁光輝 謝 軍 李 國 黃燕華 杜 凱

(中國工程物理研究院激光聚變研究中心，四川綿陽 621900)

在慣性約束聚變(ICF)中，用輻射驅(qū)動鋁(Al)樣品產(chǎn)生的沖擊波速度的方法測量輻射溫度可以得到比較高的精度［1］，同時利用激光驅(qū)動沖擊波進行阻抗匹配實驗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，需要沖擊波渡越標準材料和待測材料界面前后的瞬時速度相等，這就要求沖擊波在Al臺階中必須穩(wěn)定傳播，這樣才能滿足阻抗匹配原理條件，從而保證EOS實驗測量數(shù)據(jù)的準確性和可靠性［2－7］。要提高物理實驗結(jié)果的置信度，從制靶角度而言，就必須首先保證有高質(zhì)量的標準材料Al的沖擊波樣品，制備整體式鋁臺階可保證沖擊波渡越標準材料界面時沖擊波速度穩(wěn)定，成形靶材料密度要求達到理論密度，樣品具有極高表面質(zhì)量，并且要準確測量出樣品的厚度和厚度分布。

EOS研究用的鋁臺階一般厚度幾十微米。對幾十微米的Al臺階靶的制備方法一般有:氣相沉積技術(shù)、軋制加薄膜復合技術(shù)等。氣相沉積技術(shù)制備的鋁薄膜通常達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)量很難達到實驗要求。在厚度測量方面，長期以來，薄膜厚度的測量主要采用傳統(tǒng)的單面定位測量法，即采用適當?shù)姆绞绞贡∧ざㄎ恍纬赡ぃ_階，然后用臺階儀或干涉儀對膜－基臺階進行測量，用膜－基臺階高度代替薄膜厚度［8］，這就需要測量過程中樣品膜緊密貼合在基準片上，可能會引入較大的測量誤差，從而給物理實驗結(jié)果帶來不確定度。本文從制靶及靶厚度測量方面降低物理實驗結(jié)果的不確定度為出發(fā)點，采用單點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的沖擊波實驗用整體式鋁臺階靶，采用白光共焦光譜測量方法對樣品進行測量，獲得了準確的樣品厚度參數(shù)。

1 加工和測量方案

設備為超精密單點金剛石車床，其主軸采用氣浮靜壓軸承，導軌為液壓靜壓導軌，運動精度高;整個床身、主軸和導軌采用氣浮方式，有效避免外界高頻振動傳給機床。

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)量分數(shù)×10－4%)

實驗用原料為純度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驗不確定度，從加工機理而言，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、化學性能。因此采用高純鋁為原料，可認為加工后材料密度保持不變，接近材料理論密度［9］。

厚度測量采用自研的厚度測量儀，在鋁樣品自支撐狀態(tài)下可以精確測量出鋁樣品的絕對厚度及厚度分布范圍。測量原理如圖1所示，通過兩白光共焦光譜傳感器“對頂相向布置”的相對測量法，將兩光探針傳感器的光軸對頂相向調(diào)整到一條直線上，其中光探針傳感器A用于聚焦瞄準定位樣品的下表面［8］，光探針傳感器B用于聚焦瞄準被測樣品的上表面，得到待測樣品的厚度。采用美國Vecco NT1100白光干涉儀對表面粗糙度進行測量。

2 工藝過程

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，加工過程中通過噴霧進行冷卻，通過負壓將切屑抽出，以免劃傷已加工表面。通過粗加工、半精加工、精加工等多道工序進行加工，同時，每道工序完成后檢查樣品厚度及表面粗糙度以及時調(diào)整工藝過程及加工參數(shù)。

3 測量結(jié)果與分析

3.1 厚度及厚度均勻性

樣品厚度測量通常采用臺階儀和白光干涉儀測試臺階樣品厚度［10－11］，采用這兩種方法測量厚度，均需要將樣品展平、緊密貼合在測量基準面上，通過測量基準面到樣品表面的高度，用其值代替薄膜的厚度值。可能的誤差來源有:樣品與基準面之間存在間隙，即樣品沒有緊密貼合在基準面上;或者可能引入一層中間層，從而使測量值引入誤差。采用如圖1中白光共焦光譜測量方法，實質(zhì)上實現(xiàn)了對樣品厚度的點對點測量，避免了測量基準面和可能引入的中間層厚度對測量結(jié)果的影響，從而使測量值更接近真實值。表2為采用白光共聚光譜測量的鋁臺階基底部分的不同測試點的厚度測量值，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［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的測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果表明:Al臺階的厚度均勻性能夠達到大于99.5%。

3.2 厚度標準偏差及測量不確定度

3.2.1 標準偏差

根據(jù)表2的測量數(shù)值，計算樣品的厚度測量不確定度。

算術(shù)平均值為

表2 樣品厚度測量結(jié)果 μm

標準偏差σx為

3.2.2 測量不確定度

A類標準不確定度是在一系列重復測量中，用統(tǒng)計方法計算的分量，它的表征值用平均值的標準偏差表示，即

B類標準不確定度是測量中不符合統(tǒng)計規(guī)律的不確定度，記為UB。本文采用的白光共焦光譜測量儀與文獻［8］為同一臺設備。B類不確定度來源有:傳感器A、傳感器B及儀器測量重復性，根據(jù)文獻［8］分析可知。

合成標準不確定度:

可求得Al臺階的相對不確定度為57 nm。

3.3 表面粗糙度

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

4 結(jié)語

采用金剛石車削方式加工激光驅(qū)動沖擊波實驗用鋁臺階，加工成形后材料密度保持不變。通過自研的厚度測量儀，采用白光共焦光譜測量原理測量樣品厚度，實現(xiàn)了對樣品厚度的“點對點”測量。Al臺階厚度誤差可達小于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%，樣品測量不確定度57 nm。通過Vecco NT1100白光干涉儀測量Al臺階表面粗糙度值小于10 nm。

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