LLNL进行增材制造泡沫相关研究

作者：王韵壹、李英、熊慧卿

　　江苏激光联盟导读：

　　劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LLNL）的科学家最近发布了在实验室的激光设备上进行的为期三周的激光加热的增材制造的泡沫的性能测试实验结果。

　　在用于惯性约束聚变的间接驱动概念中，激光加热腔（“ Hohlraums”）产生X射线辐射驱动力，从而使氘填充的胶囊破裂。Hohlraum的设计使其提供了几乎对称的辐射驱动。通常，氦气会填充Hohlraum，以提供限制激光加热壁膨胀的背压。激光等离子体不稳定性 (Laser plasma instabilities, LPI) ，例如受激拉曼散射（SRS）和受激布里渊散射（SBS）是Hohlraums所关注的问题。这些不稳定性可能会将入射激光的很大一部分反射出Hohlraum，从而减小了驱动的幅度。已经有研究提出了用泡沫填充整个Hohlraum作为缓解激光反向散射的一种潜在方法。低密度泡沫不仅可以夯实Hohlraum壁，而且还可以在泡沫中掺入可能会减少反向散射的微量元素。对于这种应用，泡沫密度必须为?1mg/ cc（对于351nm激光，ne / nc = 3.3％），因此激光很容易在其中传播。

　　过多的壁运动会改变在Hohlraum壁上产生X射线的激光点的位置，从而改变照射到胶囊上的辐射的对称性。泡沫衬里已被提议作为减少Hohlraum壁运动并帮助控制对称性的一种方法。在这里，密度为10–100 mg / cc可能是最佳的，因此超临界密度泡沫受到关注。在此密度范围内的泡沫是本文的重点。该论文的主要作者奥格·琼斯（Oggie Jones）表示，这是首次对激光加热的结构化增材制造泡沫进行实验。

　　该项目有助于支持实验室的两个主要重点领域，包括帮助推进增材制造，并通过改善腔室的性能，腔室是激光加热的空腔，会产生X射线辐射驱动力，从而破坏氘填充的胶囊。

　　该研究还支持高能量密度科学领域的最新进展。特别是，通过启用更有效的hohlraum，它应该有助于实现惯性约束聚变（ICF）程序的目标，即在实验室实现点火。超短脉冲激光实现节能激光点火

　　为了在设计Hohlraums时充分利用泡沫，必须正确建模。泡沫由被大空隙隔开的固体结构组成。根据泡沫的类型，结构可以是板状、棒状或球形的。大多数泡沫是通过气凝胶工艺化学制造的。气凝胶泡沫的结构元素非常小，并且是随机的（孔的大小或间距不均匀）。目前已经可以使用增材制造技术直接印刷泡沫。而且与化学（气凝胶）泡沫相比，AM泡沫具有多种可能的优势。首先，它在平均密度上可能具有较小的批次间差异。其次，有可能在密度或掺杂材料中建立任意空间变化，这可能有利于控制LPI。图1显示了30µmg / cc的二环戊二烯（DCPD）泡沫和12mg / cc的AM打印的八角形桁架泡沫的电子显微镜图像。尽管泡沫的密度相当，但气凝胶泡沫是随机的，具有宽范围的孔径和细的纳米级细丝，而AM泡沫具有规则的结构，具有约5μm的孔和约1μm的细丝。

　　▲图1. (a) 30µmg/cc DCPD（CH1.2）泡沫和 (b)12µmg/cc八角形桁架AM C8H9O3泡沫的电子显微镜图像。

　　由于低密度AM泡沫相对较新，因此理论和实验工作进行的较少。研究人员为这项研究制作了四种类型的泡沫样品。该研究中的泡沫靶材是通过双光子聚合（DLW-TPP），也称为直接激光写入的工艺制成的。在此过程中，飞秒激光脉冲跨过光敏材料和强激光的混合物进行扫描驱动非线性多光子吸收过程，进而引发局部聚合化学反应。

　　该团队测试了几何形状相似的AM泡沫，一种泡沫具有0.5微米厚的细丝，另一种具有10微米厚的细丝。反向散射和X射线图像特征几乎无法区分。该研究小组发现，已发表的泡沫分析模型通常能够解释实验中测得的热传播速度和温度。

　　▲图2. (a)碳泡沫, (b) 10μm细丝y-z泡沫, (c) 0.5μm细丝y-z泡沫和 (d) 0.5μm细丝y-z泡沫的x射线针孔照相机侧面图像。激光从左进来。

　　琼斯表示，在钟形罩中使用泡沫材料为惯性约束聚变的间接驱动开辟了新的设计可能性。特别地，可以将泡沫放置在大梁内部以衬砌壁。如果仔细选择泡沫的密度，有可能随着时间的流逝而改变泡沫壁材料的膨胀方式，从而有可能改善辐射驱动器在ICF胶囊上的对称性。