CN115472329B - 一种辐照装置及透明靶制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明用于高压精密物理实验领域，特别涉及一种辐照装置及透明靶制备方法，辐照装置包括罩壳；粒子源，设在罩壳内部的顶部；靶材固定装置，设在罩壳内部的底部，靶材固定装置包括盖板、靶架、筒体和安装座，盖板装配在靶架中，靶架装配在筒体中，筒体固定在安装座上，透明靶制备方法，计算透明材料的电子数密度、平均激发势；计算所需粒子的能量；计算在透明材料中形成不透明界面需要的最少粒子注量与入射时间；对透明材料进行粒子辐照；辐照结束后令目标靶材冷却；检测不透明界面的气泡或颗粒的尺寸及平面性，以及不透明界面的深度，通过粒子辐照使粒子沉积在透明材料内一定深度处，形成一个不透明界面，厚度为纳米量级，具有精确可控性。

Description

一种辐照装置及透明靶制备方法
技术领域
本发明用于高压精密物理实验领域，特别是涉及一种辐照装置及透明靶制备方法。
背景技术
在动态压缩实验中，透明材料常常被用来附着在样品材料后方以测量应力波作用下界面处的状态。增加透明材料的目的是当应力波通过界面后，样品仍然可以维持接近原位的状态，并且可以对该状态下的样品进行观测。此处原位的意思是指当样品厚度无穷大时，样品内部某物质坐标点在应力波作用后的状态。但是透明材料的阻抗与样品材料的阻抗通常不一致，在实验测量后，还要利用阻抗匹配原理计算样品材料中的压力历史，并进行修正。因此，透明材料在高压高温极端条件下的阻抗等动力学响应特性都需要进行专门的精确测量。
测量透明材料动态响应特性时，需要借助于内嵌传感器获得材料内部不同物质坐标处的速度或压力历史。对于较厚透明材料，嵌入传感器自身厚度和阻抗差异的影响可忽略不计，直接用于测量压力波形。但当透明材料厚度小于毫米尺度时，嵌入式压力传感器厚度已经与透明材料的材厚度接近，影响不可忽略，导致内嵌传感器无法使用。
这时可以通过多层叠加的方式制作内含多个台阶界面的透明材料靶，每个界面都可以镀反射膜，通过光学方法测量每个台阶界面的速度历史来反推透明材料内部的应力波传播过程和应力波速度，进而反应透明材料的动态响应特性。但是这种方法需要将多层透明材料叠加在一起，中间用透明胶水固化连接。由于薄片的抛光面型差异以及部分面积镀金属膜的难度要求，会在多层透明材料的平行度和胶层厚度上引入实验误差。胶层厚度很难精确控制到2微米以下，所以当透明材料厚度进入微米量级时，胶层的存在已经对应力波的传播产生明显的影响。
高功率激光装置是目前实验室内较强的加载平台，可以获得非常高的压力，但是由于加载应力波的脉宽较短，实验样品的厚度通常小于100微米。要开展透明材料的动力学特性研究时，多个界面的间距一般为10-20微米，如果采用置入金属膜反射面的方法，需要先加工10-20微米厚度的薄片或台阶，然后镀金属膜，再通过夹胶的方式胶合。此时胶层厚度已经严重影响该类精密物理实验的进行。
传统的透明靶制靶方式在精密物理实验中有如下的缺点：激光实验中，靶材中材料厚度一般为微米量级，若再引入微米量级未测量厚度的胶层，则无论对后续测速结果的处理还是样品内部应力应变历史的反演都有着极大的影响，胶层的不均匀也会影响测量结果的准确性，严重时胶层会导致后面界面测量信号消失。微加工、镀膜和夹胶过程中，需要处理的环节很多，工艺复杂，需要多次清洗、烘干以及热处理，需要人为介入的环节太多，界面的处理很难达到良好的一致性，成品率极低。同时，对于大多数透明材料而言，多数为单晶样品，容易脆断，机加和镀膜会同时改变界面的晶体结构，对于实验而言也是灾难性的。
发明内容
为解决上述技术问题中的至少之一，本发明提供一种辐照装置及透明靶制备方法，所采用的技术方案如下。
一种辐照装置，其特征在于，包括：
罩壳；
粒子源，所述粒子源设在所述罩壳内部的顶部；
靶材固定装置，所述靶材固定装置设在所述罩壳内部的底部，所述靶材固定装置包括盖板、靶架、筒体和安装座，所述盖板上设有通孔，所述通孔对准所述粒子源，所述盖板装配在所述靶架中，所述靶架装配在所述筒体中，所述筒体固定在所述安装座上。
根据本发明的另一些实施例的辐照装置，所述安装座包括底座、球体和连接板，所述球体转动装配在所述底座中，所述球体与所述连接板连接，所述筒体用于安装在所述连接板上。
一种透明靶制备方法，包括以下步骤：
根据目标靶材所用的透明材料，对透明材料的电子数密度、平均激发势进行确认或计算；
根据透明材料上所需的台阶厚度计算所需粒子的能量；
根据所选透明材料的热容和沸点，计算在透明材料中形成不透明界面需要的最少粒子注量与入射时间；
打开粒子源，对透明材料进行粒子辐照，以在透明材料中形成不透明界面；
辐照结束后令目标靶材冷却；
利用光学方法检测不透明界面的气泡或颗粒的尺寸及平面性，并测量不透明界面的深度。
本发明实施例的透明靶制备方法至少具有如下有益效果：本发明通过粒子辐照使得粒子主要沉积在透明材料内一定深度处，形成一个不透明界面，其厚度为纳米量级，因此在不使用单点金刚石车床的情况下，可以在透明材料中形成提供清晰、超薄的不透明界面，从而杜绝了镀反射膜、胶层等的引入，有效减少镀反射膜、胶层等对应力波的传播的影响。
根据本发明的另一些实施例的透明靶制备方法，根据透明材料中所需的不透明界面形状，对目标靶材通过掩膜片进行掩膜覆盖。
根据本发明的另一些实施例的透明靶制备方法，掩膜片用胶粘贴在靶材上。
根据本发明的另一些实施例的透明靶制备方法，掩膜片用盖板压紧在靶架上。
根据本发明的另一些实施例的透明靶制备方法，辐照结束后对目标靶材进行退火处理，令目标靶材在靶材的熔点下持续一段时间，再逐渐降低温度至室温。
根据本发明的另一些实施例的透明靶制备方法，光学方法包括白光干涉法或共聚焦法。
根据本发明的另一些实施例的透明靶制备方法，打开粒子源辐照前，对目标靶材周围环境进行真空处理。
根据本发明的另一些实施例的透明靶制备方法，通过调节粒子源的辐照能量或者粒子源的辐射角度来控制透明材料中不透明界面的深度。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明：
图1是本发明的辐照装置去掉罩壳后的爆炸图；
图2是本发明的透明靶制备方法中平均激发势和电子数密度的确定流程示意图；
图3是本发明的透明靶制备方法中调节粒子源辐射角度的确定流程示意图。
具体实施方式
本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。
本发明中，如果有描述到方向(上、下、左、右、前及后)时，其仅是为了便于描述本发明的技术方案，而不是指示或暗示所指的技术特征必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
本发明中，“若干”的含义是一个或者多个，“多个”的含义是两个以上，“大于”“小于”“超过”等理解为不包括本数；“以上”“以下”“以内”等理解为包括本数。在本发明的描述中，如果有描述到“第一”“第二”仅用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明中，除非另有明确的限定，“设置”“安装”“连接”等词语应做广义理解，例如，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连；可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，还可以是一体成型；可以是机械连接，也可以是电连接或能够互相通讯；可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
在动态压缩实验中，透明材料常常被用来附着在样品材料后方以测量应力波作用下界面处的状态。增加透明材料的目的是当应力波通过界面后，样品仍然可以维持接近原位的状态，并且可以对该状态下的样品进行观测。此处原位的意思是指当样品厚度无穷大时，样品内部某物质坐标点在应力波作用后的状态。但是透明材料的阻抗与样品材料的阻抗通常不一致，在实验测量后，还要利用阻抗匹配原理计算样品材料中的压力历史，并进行修正。因此，透明材料在高压高温极端条件下的阻抗等动力学响应特性都需要进行专门的精确测量。
测量透明材料动态响应特性时，需要借助于内嵌传感器获得材料内部不同物质坐标处的速度或压力历史。对于较厚透明材料，嵌入传感器自身厚度和阻抗差异的影响可忽略不计，直接用于测量压力波形。但当透明材料厚度小于毫米尺度时，嵌入式压力传感器厚度已经与透明材料的材厚度接近，影响不可忽略，导致内嵌传感器无法使用。
这时可以通过多层叠加的方式制作内含多个台阶界面的透明材料靶，每个界面都可以镀反射膜，通过光学方法测量每个台阶界面的速度历史来反推透明材料内部的应力波传播过程和应力波速度，进而反应透明材料的动态响应特性。但是这种方法需要将多层透明材料叠加在一起，中间用透明胶水固化连接。由于薄片的抛光面型差异以及部分面积镀金属膜的难度要求，会在多层透明材料的平行度和胶层厚度上引入实验误差。胶层厚度很难精确控制到2微米以下，所以当透明材料厚度进入微米量级时，胶层的存在已经对应力波的传播产生明显的影响。
高功率激光装置是目前实验室内较强的加载平台，可以获得非常高的压力，但是由于加载应力波的脉宽较短，实验样品的厚度通常小于100微米。要开展透明材料的动力学特性研究时，多个界面的间距一般为10-20微米，如果采用置入金属膜反射面的方法，需要先加工10-20微米厚度的薄片或台阶，然后镀金属膜，再通过夹胶的方式胶合。此时胶层厚度已经严重影响该类精密物理实验的进行。
传统的透明靶制靶方式在精密物理实验中有如下的缺点：激光实验中，靶材中材料厚度一般为微米量级，若再引入微米量级未测量厚度的胶层，则无论对后续测速结果的处理还是样品内部应力应变历史的反演都有着极大的影响，胶层的不均匀也会影响测量结果的准确性，严重时胶层会导致后面界面测量信号消失。微加工、镀膜和夹胶过程中，需要处理的环节很多，工艺复杂，需要多次清洗、烘干以及热处理，需要人为介入的环节太多，界面的处理很难达到良好的一致性，成品率极低。同时，对于大多数透明材料而言，多数为单晶样品，容易脆断，机加和镀膜会同时改变界面的晶体结构，对于实验而言也是灾难性的。
Bethe-Bloch公式描述了快速带电粒子(质子、阿尔法粒子、原子离子)穿过物质(或者是物质的阻挡能力)每距离的平均能量损失，对于速度为v，电荷为z(电子电荷的倍数)，能量为E的粒子，运动距离为x，进入电子密度为n，平均激发势为I的目标，考虑相对论后的国际单位制公式为:
Figure BDA0003874552710000081
其中c是光速，ε0是真空介电常数，
Figure BDA0003874552710000082
e和me分别是电子的电荷和静止质量。
在低能量下，β＜＜1的粒子撞击靶材，Bethe-Bloch公式可以写为：
Figure BDA0003874552710000083
由此公式可知，当一个快速带电粒子穿过物质时，它会电离物质中的原子，并沿其路径沉积剂量。峰值的出现是因为相互作用截面随着带电粒子能量的减少而增加。带电粒子损失的能量与其速度的平方成反比，在粒子完全停止之前会出现峰值，它是由一个粒子产生的天然质子束曲线的窄峰，称为布拉格尖峰。
参见图1，本发明提供了一种辐照装置，包括罩壳、粒子源100和靶材固定装置，粒子源100设在罩壳内部的顶部，靶材固定装置设在罩壳内部的底部，靶材固定装置包括盖板210、靶架220、筒体230和安装座240，盖板210具有通孔211，通孔211对准粒子源100，盖板210装配在靶架220中，靶架220装配在筒体230中，筒体230固定在安装座240上。
其中罩壳为筒状结构，盖板210为圆形结构，盖板210的中间具有矩形结构的通孔211，通孔211与粒子源100对准，盖板210的下侧设有与通孔211对应的矩形套筒，靶架220包括底板221和框板222，框板222为矩形结构，框板222设在底板221上，框板222内部设有多个用于放置靶材的孔位223，有些孔位223是方形孔，有些孔位223是圆形孔，靶架220安装在套筒中固定，盖板210下侧的矩形套筒能够装配到框板222中，靶架220通过螺栓固定在安装座240上。
在一些实施例中，安装座240包括底座241、球体242和连接板243，球体242转动装配在底座241中，球体242与连接板243连接，筒体230用于安装在连接板243上。
具体的，安装座240的中部具有球体装配空间，球体242安装在球体装配空间中并能够在球体装配空间中旋转，连接板243水平设在球体242的上方，连接板243与球体242通过连接杆固定连接，通过转动调节球体242能够实现粒子源100的辐射角度的调节。
本发明还提供了一种透明靶制备方法，包括以下步骤：
根据目标靶材所用的透明材料，对透明材料的电子数密度、平均激发势进行确认或计算；
根据透明材料上所需的台阶厚度计算所需粒子的能量；
根据所选透明材料的热容和沸点，计算在透明材料中形成不透明界面需要的最少粒子注量与入射时间；
打开粒子源100，对透明材料进行粒子辐照，以在透明材料中形成不透明界面；
辐照结束后令目标靶材冷却；
利用光学方法检测不透明界面的气泡或颗粒的尺寸及平面性，并测量不透明界面的深度。
本发明通过粒子辐照使得粒子主要沉积在透明材料内一定深度处，形成一个不透明界面，其厚度为纳米量级，因此在不使用单点金刚石车床的情况下，可以在透明材料中形成提供清晰、超薄的不透明界面，从而杜绝了镀反射膜、胶层等的引入，有效减少镀反射膜、胶层等对应力波的传播的影响。
具体的，目标靶材包括透明材料和样品材料，透明材料附在样品材料的后侧，常用的透明材料有氟化锂、石英、蓝宝石、HDPE等。
参见图2，透明材料的电子数密度、平均激发势确认或计算过程为：首先确认透明材料的组分是否已知，如果透明材料的组分未知，使用已知参数粒子束辐照实验测量电子数密度、平均激发势，如果透明材料的组分已知，再确认已知组分的透明材料是否有现成的电子数密度、平均激发势数据，如果有则直接使用，如果没有，第一种方式是通过已知参数粒子束辐照实验测量电子数密度、平均激发势数据，第二种方式是通过以下公式计算：
Figure BDA0003874552710000111
Figure BDA0003874552710000112
其中I为平均激发势，n为电子数密度，a是材料总组分数，纯净物为1，Pi为各组分所占的比例，Zi是各组分对应的价电子数，NA是阿伏伽德罗常数，Pi,Ai,Mi分别为材料各组分的密度、相对分子质量和摩尔质量。
透明材料上所需的台阶厚度，即期望的布拉格尖峰置入在透明材料里面的深度X,具体可以根据以下公式进行计算：定义线性截止能量为S(E)＝-dE/dx，粒子的平均射程可以由线性截止能量的倒数积分给出：
Figure BDA0003874552710000113
其中E0是入射粒子的初始动能，通过调整E0以达到期望的截止深度。
根据所选材料的热容cV和沸点Tb，计算形成不透明界面需要的最少粒子注量Φ与入射时间t：
Figure BDA0003874552710000121
其中T0是靶材的初始温度，Δx是期望形成不透明界面的厚度的1/2，ρ是靶材的密度。
在一些实施例中，根据透明材料中所需的不透明界面形状，对目标靶材通过掩膜片进行掩膜覆盖。
其中，掩膜片可以采用胶粘贴在靶材上，胶需要用对目标靶材无害的胶。
在另外一些实施例中，掩膜片300用盖板210压紧在靶架220上。
具体的，掩膜片300安装到靶架220的框板222中，然后将盖板210下方的矩形套筒嵌入到框板222中将掩膜片300压紧。
辐照结束后对目标靶材进行退火处理，令目标靶材在靶材的熔点下持续一段时间，再逐渐降低温度至室温。这样一方面能够防止目标靶材在冷却过程中出现开裂、破碎等情况，另一方面可以让注入透明材料的粒子全部集中到不透明界面附近，其它区域的晶体能够保持为高纯单晶。
在一些实施例中，检测不透明界面的气泡或颗粒的尺寸及平面性，以及测量不透明界面的深度所采用的光学方法包括白光干涉法或共聚焦法。
在一些实施例中，打开粒子源100辐照前，对目标靶材周围环境进行真空处理。
具体的，罩壳的侧边设有用于连接真空泵的开口，打开粒子源100辐照前，先通过真空泵对罩壳内部进行抽真空，从而使得粒子源100辐照在真空环境下进行，有效减少空气中形成布拉格尖峰的影响。
为了实现透明材料中不透明界面的深度可控，在一些实施例中，通过调节粒子源100的辐照能量或者粒子源100的辐射角度来控制透明材料中不透明界面的深度。
具体的，参见图3，确定粒子源100的能量是否可调，如果粒子源100的能量可调，则通过调整粒子源100的能量使得粒子源100射入透明材料的截止深度与透明材料中不透明界面的期望深度相符，然后进行辐照，如果粒子源100的能量不可调，则确认该粒子源100能够在透明材料中的辐射深度，如果粒子源100在透明材料中的辐射深度与透明材料中不透明界面的期望深度相符，则进行辐照，如果不相符，则调整粒子源100的入射角度，具体的，辐照前对粒子源100的入射方向根据公式θc＝arcsinXc/X0进行调整，其中θc是粒子入射方向与透明材料的表面之间的夹角，Xc为透明材料内部不透明界面的期望深度，X0为粒子垂直入射时的截止深度。
当θc计算好之后，通过转动底座241中的球体242来调整盖板210上的通孔211与粒子源100之间的相对角度，从而使得粒子入射方向与透明材料的表面之间的夹角符合计算值θc。
因此，透明材料内部辐照的不透明界面的深度可以通过调节粒子源100的辐照能量能够粒子源100的入射角度来控制调节，因此透明材料内部的不透明界面的深度可以精确控制。
当然，本申请并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出等同变形或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (4)

1.一种辐照装置，其特征在于，包括：
罩壳；
粒子源，所述粒子源设在所述罩壳内部的顶部；
靶材固定装置，所述靶材固定装置设在所述罩壳内部的底部，所述靶材固定装置包括盖板、靶架、筒体和安装座，所述盖板上设有通孔，所述通孔对准所述粒子源，所述盖板装配在所述靶架中，所述靶架装配在所述筒体中，所述筒体固定在所述安装座上，所述安装座包括底座、球体和连接板，所述球体转动装配在所述底座中，所述球体与所述连接板连接，所述筒体用于安装在所述连接板上。
2.一种透明靶制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据目标靶材所用的透明材料，对透明材料的电子数密度、平均激发势进行确认或计算；
根据透明材料中所需的不透明界面形状，对目标靶材通过掩膜片进行掩膜覆盖；
掩膜片用胶粘贴在靶材上；
掩膜片用盖板压紧在靶架上；
根据透明材料上所需的台阶厚度计算所需粒子的能量；
根据所选透明材料的热容和沸点，计算在透明材料中形成不透明界面需要的最少粒子注量与入射时间；
打开粒子源辐照前，对目标靶材周围环境进行真空处理；
打开粒子源，对透明材料进行粒子辐照，以在透明材料中形成不透明界面；
通过调节粒子源的辐照能量或者粒子源的辐射角度来控制透明材料中不透明界面的深度；
辐照结束后令目标靶材冷却；
利用光学方法检测不透明界面的气泡或颗粒的尺寸及平面性，并测量不透明界面的深度。
3.根据权利要求2所述的透明靶制备方法，其特征在于：辐照结束后对目标靶材进行退火处理，令目标靶材在靶材的熔点下持续一段时间，再逐渐降低温度至室温。
4.根据权利要求2所述的透明靶制备方法，其特征在于：光学方法包括白光干涉法或共聚焦法。
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