干凝胶粒子物性对空心玻璃微球炉内成球过程的影响

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1、第２２卷第１０期强激光与粒子束Ｖｏｌ．２２，Ｎｏ．１０２０１０年１０月ＨＩＧＨＰＯＷＥＲＬＡＳＥＲＡＮＤＰＡＲＴＩＣＬＥＢＥＡＭＳＯｃｔ．，２０１０文章编号：１００１４３２２（２０１０）１０２３０３０５干凝胶粒子物性对空心玻璃微球炉内成球过程的影响漆小波，魏胜，张占文，陈素芬，李波（中国工程物理研究院激光聚变研究中心，四川绵阳６２１９００）摘要：为实现干凝胶法制备惯性约束聚变靶用空心玻璃微球（ＨＧＭ）炉内成球工艺过程的有效控制，从数值模拟和工艺实验两个方面研究了干凝胶粒子直径、比热容、发泡剂质量分数和辐射吸收系数对干凝胶粒子炉内成球过程及最终Ｈ

2、ＧＭ性能参数的影响。结果表明，随着干凝胶粒子直径和／或比热容的增大，干凝胶粒子在吸热封装阶段的升温速率显著降低，在炉内成球过程各工艺阶段的停留时间快速下降，尤其是在精炼阶段的停留时间急剧缩短。降低干凝胶粒子的比热容和／或提高干凝胶粒子的发泡剂质量分数，ＨＧＭ的直径和壁厚均匀性增大，高质量空心球的比例也相应提高。干凝胶粒子的辐射吸收系数变化对炉内成球过程几乎没有影响。关键词：空心玻璃微球；干凝胶法；凝胶粒子物性；靶制备中图分类号：ＴＬ６３９；ＴＱ１７１文献标志码：Ａ犱狅犻：１０．３７８８／ＨＰＬＰＢ２０１０２２１０．２３０３在激光惯性约束聚变（ＩＣＦ）物

3、理实验中，空心玻璃微球（ＨＧＭ）因耐压强度高、球形度好、壁厚均匀、表面［１２］粗糙度低以及保气性能优异等特点，是应用比较广泛的一种热核燃料容器。相对于玻璃形成物来自水溶液液滴的液滴法，玻璃形成物来自干凝胶粒子的干凝胶法需要较少的传质传热量，因此干凝胶法更适于制备大直径和／或厚壁ＨＧＭ。更重要的是，干凝胶法还消除了液滴法对玻璃成分选择的限制，不仅可以引入各种能够增强ＨＧＭ耐压强度和化学稳定性的金属元素，而且还易于掺杂各种ＩＣＦ物理实验需要的中高犣诊断元［３］素。但是，采用干凝胶法制备的ＨＧＭ在其性能一致性、球形度和壁厚均匀性和保气性能提高等方面相对困［

4、４］难得多。干凝胶法制备ＨＧＭ的炉内成球过程是一个干凝胶粒子的运动及物理化学性质变化、干凝胶粒子与载气之间的传热传质过程相互影响并耦合在一起的复杂过程，任何参数控制不当均会影响最终ＨＧＭ的质［５］量，甚至无法形成ＨＧＭ。由于干凝胶粒子的成球过程是在高温且密闭不可见的制备炉内进行的，加之粒子／微球的尺度仅数百，显然，对这一过程进行实时观察和在线测量是极其困难的。为此，我们在大量工艺μｍ分解实验以及对中间产物分析研究的基础上，提出了干凝胶粒子炉内成球过程的物理模型，建立了干凝胶法制［６］备空心玻璃微球炉内成球工艺过程的数学模型。为研究干凝胶粒子特性对炉内成

5、球过程及最终ＨＧＭ性能的影响，我们进一步从数值模拟和工艺条件实验两个方面研究干凝胶粒子粒径、比热容、发泡剂质量分数和辐射吸收系数对其与载气之间质量、热量和动量传递过程的影响关系，以期实现干凝胶粒子特性的优化。１实验及参数测量１．１玻璃配方的设计玻璃的物理、化学性能取决于其化学成分及结构状态。空心玻璃微球的成分设计就是将各氧化物的种类和含量根据玻璃粘度、表面张力、强度、对氢同位素渗透速率、化学稳定性等目标参数进行优化，以达到空心玻［７］璃微球几何、物理和化学性能以及制备工艺条件的最优。根据玻璃成分与性能之间的理论模型，在综合评价玻璃耐压强度、化学稳定性和

6、对氢同位素渗透性能基础上，优化得到了适合于干凝胶法制备ＩＣＦ靶用空心玻［７］璃微球的玻璃配方。１．２干凝胶粒子的制备干凝胶粒子的制备采用溶胶凝胶法，其工艺路线如下：（１）溶胶前体的制备：将６０ｍＬ正硅酸乙酯（分析纯，上海国药集团化学试剂有限公司生产）、７ｍＬ硼酸三丁酯（分析纯，上海国药集团化学试剂有限公司生产）收稿日期：２００９１０２６；修订日期：２０１００３０４基金项目：高温高密度等离子体物理国防科技重点实验室基金项目（９１４０Ｃ６８０６０３０９０８）作者简介：漆小波（１９７４—），男，博士，副研，从事ＩＣＦ靶丸制备研究；ｘｂｑｉ＠ｃａｅ

7、ｐ．ａｃ．ｃｎ。通信作者：张占文（１９７３—），男，博士，副研，从事ＩＣＦ靶丸制备研究；ｂｊｚｚｗ１９７４＠ｓｏｈｕ．ｃｏｍ。２３０４强激光与粒子束第２２卷和３０ｍＬ无水乙醇（分析纯，上海国药集团化学试剂有限公司生产）加入固定在ＤＦ１０１Ｂ型集热式恒温磁力搅拌器（巩义市予华仪器有限责任公司生产）上的烧瓶中，在搅拌状态下加入亚化学计量（７ｍＬ）的去离子水，待搅拌均匀后，用盐酸调节混合液的ｐＨ值至５．５，升温至６０℃并持续搅拌６ｈ，得到部分水解的溶胶前体；（２）碱金属盐和尿素的水溶液配制：按设计的玻璃配方和发泡剂质量分数计算得到各种碱金属盐和尿素的质量，

8、称取相应质量的碱金属盐（分析纯，天津市科密欧化学试剂有限公司生产）和尿素（分析纯，天津市科密欧