本发明属于激光聚变工程技术领域，具体涉及一种掺钽铀薄膜的应用。
背景技术
间接驱动激光惯性约束聚变是受控核聚变研究的一个重要方向，寄托了人们对一劳永逸解决人类能源需求问题的美好愿望。黑腔是间接驱动激光惯性约束聚变的一个重要组成部分，起到将激光能量转化为x射线的作用，直接关系到驱动器能量与x射线的转换效率以及辐射场的空间对称性、干净性。
长期以来au因其较高的原子序数(z)、优异的化学稳定性而被作为黑腔腔壁主要候选材料。相对于传统的金黑腔，研究表明金属u作为黑腔能量转化层可有效抑制m带x射线产额、显著提高激光-x射线转换效率。但u的化学性质极其活泼，物理期望的无内衬铀黑腔化学稳定性差、黑腔结构不稳定、制备上存在不可逾越的技术瓶颈等问题。因而在铀黑腔制备过程中，通常需在其表面沉积一层au作为黑腔内衬防护层，同时为降低内层au的不利影响，au防护层厚度只有100nm～700nm。u活泼的化学性质及有限的au防护层厚度给铀黑腔的制备带来了极大的挑战，制备过程中黑腔经常面临着镀层结合力差、au防护层破损、黑腔鼓包分层等风险，但其问题根源还是由于金属u极易氧化腐蚀进而导致黑腔失效。采用这种结构与材质的黑腔对芯轴表面加工质量、薄膜厚度均匀性、脱模工艺等提出了苛刻的要求，黑腔的制备难度过大，不利于保障黑腔的制备成品率及其可靠性。
技术实现要素：
本发明的目的是为了解决现有铀黑腔中金内衬激光-x射线转换效率不足、m带x射线产额高，而物理期望的无内衬铀黑腔化学稳定性差、黑腔结构不稳定的问题，而提供一种掺钽铀薄膜在黑腔上的应用。
一种掺钽铀薄膜在黑腔上的应用，掺钽铀薄膜作为黑腔内衬防护层使用，或作为能量转化层应用于黑腔上。
本发明优点：(1)为提高激光-x射线耦合效率，通常尽可能选择高z元素用于黑腔制备。ta与au同属于中z元素，具有相近的热容。选择ta作为掺杂元素，使得掺杂少量ta的掺钽铀表现出与u极其相似的黑腔物理性能，在黑腔m带x射线产额、总辐射流等方面较au具有明显优势。(2)由于良好的抗氧化腐蚀性能，掺钽铀薄膜可用于替代au作为黑腔内衬防护层，其与铀黑腔能量转化层具有更为良好的界面结合力及化学相容性，同时有利于激光-x射线耦合效率。(3)本发明所述的掺钽铀薄膜还可作为黑腔能量转化层，在不降低铀黑腔性能的前提下，通过较少量ta的掺杂以显著提高材料的抗氧化腐蚀性能，从而有效降低铀黑腔的制备难度、提升黑腔大气储存寿命。(4)掺钽铀薄膜应用于黑腔，既可以作为黑腔内衬防护层，又可以作为能量转化层，在丰富黑腔材料选择范围的同时，显著提高了黑腔可设计性。其中以掺钽铀薄膜作为内衬防护层、掺钽铀薄膜或金属铀薄膜作为能量转化层的无内衬铀黑腔理论上具有更为优越的黑腔物理性能。可见，掺钽铀薄膜应用于黑腔，作为内衬防护层，在防护铀黑腔能量转化层的同时，还具有更好的界面结合力、化学相容性，以及更高的能量耦合效率；作为能量转化层，其相比au具有更高的激光-x射线转换效率、更低的m带x射线产额，相比u其具有突出的化学稳定性及结构可靠性。综上所述，掺钽铀薄膜在黑腔上的应用，可为黑腔的柔性设计提供物质保障与技术支持。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式是一种掺钽铀薄膜在黑腔上的应用，掺钽铀薄膜作为黑腔内衬防护层使用，或作为能量转化层应用于黑腔上。
掺钽铀薄膜作为内衬防护层，掺钽铀在防护铀黑腔能量转化层的同时，还具有更好的界面结合力及化学相容性，以及更高的能量耦合效率。
掺钽铀薄膜作为能量转化层，掺钽铀相比au具有更高的激光-x射线转换效率、更低的m带x射线产额，相比u其具有突出的化学稳定性及结构可靠性。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：所述掺钽铀薄膜中钽含量为3at.％～12at.％。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同点是：所述掺钽铀薄膜通过双靶磁控溅射共沉积方法制备而成。其他与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三的不同点是：所述的双靶磁控溅射共沉积方法具体过程如下：
一、u靶和ta靶与芯轴所在平面的法线呈对称分布，且u靶的靶面中心法线与芯轴所在平面呈45°夹角，ta靶的靶面中心法线与芯轴所在平面呈45°夹角，调整u靶与芯轴中心距离为5cm～20cm，调整ta靶与芯轴中心距离为5cm～20cm；
二、通过机械泵和分子泵抽真空使沉积室的真空度达到1×10-8pa～1×10-6pa，然后充入高纯氩气，并调节闸板阀使沉积室的真空度维持在0.1pa～1pa，所述的高纯氩气的纯度为99.9999％；
三、利用离子束对芯轴表面刻蚀3min～20min，在刻蚀的过程中旋转支撑台以转速为1rpm～30rpm进行旋转；
四、在u靶与芯轴之间和ta靶与芯轴之间分别设有挡板，在u靶直流电源功率为160w和ta靶直流电源功率为160w下进行预溅射10min～30min；
五、打开u靶与芯轴之间和ta靶与芯轴之间的挡板，在u靶直流电源功率为100w～500w和ta靶直流电源功率为10w～100w下沉积5min～480min，且沉积过程旋转支撑台以转速为1rpm～30rpm进行旋转，即完成在芯轴表面利用双靶磁控溅射共沉积方法沉积掺钽铀薄膜。
其他与具体实施方式三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四的不同点是：步骤一中所述的u靶的纯度大于99％。其他与具体实施方式四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式四或五之一不同点是：步骤一中所述的ta靶的纯度大于99％。其他与具体实施方式四或五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式四至六之一不同点是：步骤三中在离子能量为50ev～500ev和离子束流为5ma～100ma下利用离子束对芯轴表面刻蚀3min～20min。其他与具体实施方式四至六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同点是：所述掺钽铀薄膜通过直流磁控溅射沉积方法，以掺钽铀靶通过直流电源进行溅射沉积，所述的掺钽铀靶的纯度大于99％。其他与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式八的不同点是：所述的直流磁控溅射沉积方法具体过程如下：
一、将1～10个芯轴安装在旋转支撑台上，调整掺钽铀靶与芯轴中心距离为5cm～20cm，掺钽铀靶的靶面中心法线与芯轴所在平面呈45°夹角；
二、通过机械泵和分子泵抽真空使沉积室的真空度达到1×10-8pa～1×10-6pa，然后充入高纯氩气，并调节闸板阀使沉积室的真空度维持在0.1pa～1pa，所述的高纯氩气的纯度为99.9999％；
三、利用离子束对芯轴表面刻蚀3min～20min，在刻蚀的过程中旋转支撑台以转速为1rpm～30rpm进行旋转；
四、掺钽铀靶与芯轴之间设有挡板，在掺钽铀靶直流电源功率为50w～400w下进行预溅射10min～30min；
五、打开掺钽铀靶与芯轴之间的挡板，在掺钽铀靶直流电源功率为50w～400w下沉积5min～480min，且沉积过程中旋转支撑台以转速为1rpm～30rpm进行旋转，即完成在芯轴表面利用直流磁控溅射方法沉积掺钽铀薄膜。
其他与具体实施方式八相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式九的不同点是：步骤三中在离子能量为50ev～500ev和离子束流为5ma～100ma下利用离子束对芯轴表面刻蚀3min～20min。其他与具体实施方式九相同。
本发明内容不仅限于上述各实施方式的内容，其中一个或几个具体实施方式的组合同样也可以实现发明的目的。
实施例1：一种掺钽铀薄膜在黑腔上的应用，掺钽铀薄膜作为黑腔内衬防护层使用。
本实施例中掺钽铀薄膜的制备方法如下：通过双靶磁控溅射共沉积方法，以u靶和ta靶通过直流电源进行溅射沉积，所述的u靶纯度优于99％，所述的ta靶纯度优于99％。
所述的双靶磁控溅射共沉积方法具体过程如下：
一、将4个芯轴安装在旋转支撑台上，u靶和ta靶与芯轴所在平面的法线呈对称分布，且靶面中心法线与芯轴所在平面呈45°夹角，调整u靶与芯轴中心距离为12cm，调整ta靶与芯轴中心距离为12cm；
二、通过机械泵和分子泵抽真空使沉积室的真空达到1×10-7pa，然后充入高纯氩气，并调节闸板阀使沉积室真空度维持在0.5pa，所述的高纯氩气的纯度为99.9999％；
三、在离子能量为200ev和离子束流为10ma下利用离子束对芯轴表面刻蚀5min，在利用离子束对芯轴表面刻蚀过程中旋转支撑台以10rpm自转；
四、u靶、ta靶与芯轴之间分别设有挡板，在u靶直流电源功率为160w和ta靶直流电源功率为160w下进行预溅射15min；
五、打开u靶、ta靶与芯轴之间的挡板，在u靶直流电源功率为200w和ta靶直流电源功率为20w下沉积60min，且沉积过程中旋转支撑台以10rpm自转，即完成在芯轴表面利用双靶磁控溅射共沉积方法沉积掺钽铀薄膜。
本实施例获得的掺钽铀薄膜，经x射线光电子能谱仪分析表明薄膜ta含量为～6at.％。利用扫描电镜进行薄膜显微组织观察，可以发现薄膜表面均匀致密，无孔洞、裂纹等缺陷存在，薄膜厚度为～550nm。
实施例2：一种掺钽铀薄膜在黑腔上的应用，掺钽铀薄膜作为黑腔内衬防护层。
本实施例中掺钽铀薄膜的制备方法如下：通过直流磁控溅射沉积方法，以掺钽铀靶通过直流电源进行磁控溅射沉积，所述的掺钽铀靶纯度为99.9％，ta含量为10at.％。
所述的直流磁控溅射沉积方法具体过程如下：
一、将9个芯轴安装在旋转支撑台上，调整掺钽铀靶与芯轴中心距离为10cm，掺钽铀靶的靶面中心法线与芯轴所在平面呈45°夹角；
二、通过机械泵和分子泵抽真空使沉积室的真空达到7×10-8pa，然后充入高纯氩气，并调节闸板阀使沉积室真空度维持在0.25pa，所述的高纯氩气的纯度为99.9999％；
三、在离子能量为400ev和离子束流为20ma下利用离子束对芯轴表面刻蚀20min，在利用离子束对芯轴表面刻蚀的过程中旋转支撑台以5rpm自转；
四、掺钽铀靶与芯轴之间设有挡板，在掺钽铀靶直流电源功率为100w下进行预溅射12min；
五、打开掺钽铀靶与芯轴之间的挡板，在掺钽铀靶直流电源功率为100w下沉积180min，且沉积过程中旋转支撑台以5rpm自转，即完成在芯轴表面利用直流磁控溅射沉积方法沉积掺钽铀薄膜。
本实施例获得的掺钽铀薄膜ta含量为～9.8at.％，薄膜在空气中暴露4天后，基于离子刻蚀深度剖析可以发现薄膜表面氧化层厚度为～11nm，表面颜色无明显变化；而相同条件下金属u薄膜氧化层厚度为～57nm，表面呈黄褐色。因此通过本发明掺钽铀薄膜的抗氧化性能远大于金属u薄膜的抗氧化性，所以本发明掺钽铀薄膜可以作为黑腔内衬防护层使用。
实施例3：一种掺钽铀薄膜在黑腔上的应用，掺钽铀薄膜作为能量转化层应用于黑腔上。
本实施例中掺钽铀薄膜的制备方法如下：通过直流磁控溅射沉积方法，以掺钽铀靶通过直流电源进行磁控溅射沉积，所述的掺钽铀靶纯度为99.9％，ta含量为10at.％。
所述的直流磁控溅射沉积方法具体过程如下：
一、将9个芯轴安装在旋转支撑台上，调整掺钽铀靶与芯轴中心距离为10cm，掺钽铀靶的靶面中心法线与芯轴所在平面呈45°夹角；
二、通过机械泵和分子泵抽真空使沉积室的真空达到7×10-8pa，然后充入高纯氩气，并调节闸板阀使沉积室真空度维持在0.4pa，所述的高纯氩气的纯度为99.9999％；
三、在离子能量为400ev和离子束流为20ma下利用离子束对芯轴表面刻蚀20min，在利用离子束对芯轴表面刻蚀的过程中旋转支撑台以5rpm自转；
四、掺钽铀靶与芯轴之间设有挡板，在掺钽铀靶直流电源功率为160w下进行预溅射6min；
五、打开掺钽铀靶与芯轴之间的挡板，在掺钽铀靶直流电源功率为160w下沉积300min，且沉积过程中旋转支撑台以5rpm自转，即完成在芯轴表面利用直流磁控溅射沉积方法沉积掺钽铀薄膜。
将本实施例获得的掺钽铀薄膜试样与相同尺寸的au薄膜试样，在相同的实验条件下开展辐射烧蚀验证实验。3倍频激光波长350nm，激光能量～3kj，实验结果表明掺钽铀薄膜试样总辐射流较au薄膜试样提高了～10％，同时m带x射线产额降低了～90％。通过辐射烧蚀验证实验做了对比，本发明掺钽铀薄膜比au薄膜性能更好，因此本发明掺钽铀薄膜可以作为黑腔能量转化层。