靶丸位置对冷冻靶物理场的影响规律研究

针对冷冻靶丸装配工艺误差导致靶丸表面温度特性变化的问题,建立带充气管的三维模型,基于Boussinesq假设和离散坐标辐射模型,采用数值模拟方法,研究了靶丸及充气管在竖直和水平方向进行偏移时靶丸表面温度分布的变化,并分析比较了充气管、辅助加热及辐射对靶丸偏移敏感性的影响。结果表明:充气管对靶丸表面温度均匀性影响显著,相较于无充气管结构,具有单充气管和对侧双充气管的靶丸其外表面最大温差分别增大78.9%、76.7%;对于具有充气管结构的靶丸,存在使均匀性改善的最佳偏移工况;单充气管结构靶丸竖直向上适当偏移时,靶丸表面温度均匀性更好,最佳偏移距离为5μm,且单充气管结构在水平方向容许向左112μm的偏移;随着加热功率增大,竖直方向最佳偏移距离基本不变,但靶丸对水平方向装配工艺误差的容忍度增大;封口膜透射率越大,靶丸位置偏移越敏感,相同偏移距离下靶丸表面最大温差越大。     

球腔冷冻靶温度均匀性的数值模拟

惯性约束聚变中点火的实现,要求冷冻靶靶丸中的氘氚冰层必须均匀且足够光滑,而冰层的质量直接受到靶丸周围温度场的影响。采用温度补偿法来抑制由重力引起的自然对流造成的温度不均匀性,分析了网格生成方法并进行无关性验证,利用计算流体动力学程序研究了具有6个激光入射孔球形黑腔结构的冷冻靶温度场的分布。结果表明,当上冷臂温度恒定,改变下冷臂温度时,随着上下冷臂温差的增大靶丸外表面最大温差变化规律为先减小后增大,当上下冷臂温差为63 mK时,形成的靶丸外表面最大温差最小,达到0. 48 mK。     

冷冻靶屏蔽罩温度扰动动态特性分析

针对屏蔽罩温度波动导致冷冻靶燃料冰层均匀性降低的问题,基于用户自定义函数和离散坐标辐射模型,研究了辐射环境变化时黑腔冷冻靶系统的温度场动态特性,得到套筒吸收率和封口膜透射率等参数对靶丸表面温度场稳定性、均匀性的影响规律。结果表明:屏蔽罩温度波动有两条传播路径,路径一为屏蔽罩封口膜靶丸,路径二为屏蔽罩套筒金腔氦气腔靶丸;典型工况下屏蔽罩振幅10 K的温度波动到靶丸外壁时衰减为0.85 mK,黑腔系统各表面温度振幅由大到小为靶丸外壁、套筒外壁、套筒内壁、金腔内壁;当封口膜透射率较小时减小套筒吸收率,或封口膜透射率较大时增大套筒吸收率,或减小封口膜透射率,均可显著提高靶丸表面温度场稳定性和均匀性。     

冷冻靶屏蔽罩开启过程瞬态特性分析

针对冷冻靶屏蔽罩开启过程温度场发生突变导致冰层质量恶化的问题,数值研究了屏蔽罩开启过程中冷冻靶温度场的瞬态特性,并提出了温度控制优化方案。数值模拟基于Boussinesq假设和离散坐标辐射模型,借助考虑辐射环境变化的冷冻靶多重屏蔽罩非稳态模型,得到了黑腔气体压力、封口膜透射率等参数的影响规律,并分析比较了在不同冷环控制方案下开罩的数值结果。研究结果表明:屏蔽罩开启后,靶丸表面绝对温度急剧升高,均匀性迅速恶化;氦气压力增大时,开罩过程的靶丸表面绝对温度无明显变化,但最大温差显著增大;减小封口膜透射率,可有效减小靶丸表面温升和最大温差;存在一个最优冷流量,使屏蔽罩开启过程中温升和最大温差在较宽的透射率范围内满足打靶要求,所满足的透射率范围相对于定壁温开罩增加了19倍。所提优化方案对冷冻靶温度控制方面具有指导意义,可为顺利打靶提供一定的先决条件。     

冷冻靶黑腔氦气充注过程数值模拟与分析

基于Hagen-Poiseuille公式、耦合气体增压微分方程及气体状态方程,采用Matlab编程的形式建立了黑腔内部气体增压物理模型,针对冷冻靶黑腔氦气增压问题进行了数值模拟与分析。结果表明:在氦气充注过程中采用连续流体模型计算即可满足精度要求;毛细管的通流能力对腔内压力及温升影响剧烈,在氦气初始温度相同的情况下,毛细管通流能力越大,氦气充注速率越大,但同时腔内气体温升较高;设置冷壁制冷变功率策略后,随着冷壁最大制冷功率增加,充气速率降低,腔内温升降低,冷壁最大制冷功率提高0.5 mW,腔内最大温升下降约13 K;氦气的初始温度对充注过程有较大影响,氦气初始温度降低1 K,充气时间减少约0.6 s,腔内气体最大温升降低约0.1 K。所提出的方法可推广至靶内燃料气体充注及腔内抽空流洗情形,从而可为解决腔内气体充注问题提供一种有效便捷的数值模拟方法。     

微充气管残留燃料冰对冷冻靶控温过程的影响分析

针对微充气管内残留燃料冰影响冷冻靶控温过程这一问题,建立了基于Boussinesq假设和离散坐标辐射模型的三维数学模型,分析了管内残留燃料冰长度对基准、辅助加热以及快速降温3种工况下靶丸表面温度均匀性以及稳定性的影响。结果表明：基准稳态工况下,靶丸表面最大温差随管内燃料冰长度增长先降低后升高,燃料冰末端与靶丸外表面齐平（长度为0.09 mm）时,最大温差最小,相比于无燃料冰降低31.5%;施加7 500 W/m²辅助热流的瞬态工况下,管内残留燃料冰长度不同时,靶丸表面最大温差随时间变化均表现为先增大后减小直至稳定不变,燃料冰长度较短（≤0.09 mm）时,靶丸表面均匀性恶化程度较轻;以6 K/min进行线性快速降温过程中,管内燃料冰长度为0.09 mm时,降温过程中稳定性最好,降温结束时均匀性最佳;当管内燃料冰长度为0.09 mm时,3种控温工况下靶丸表面温度均匀性及稳定性均较好,可达到较好的控温效果。     

用对向靶溅射钡铁氧体垂直磁化薄膜

用对向靶型高速、低温的溅射法,溅射垂直磁化钡铁氧体介质薄膜(BaM)。由于这种对向靶溅射法,采用了与电场方向相平行的外加磁场,严格地控制了从靶面释放出的高能粒子对基板的轰击,得到了具有良好的钡铁氧体C轴排列取向,薄膜表面平滑性好,膜的组成与靶的成份几乎无偏离的薄膜。文中对溅射条件与膜的结构、成份、磁学性质之间的依存关系进行了研究。为了溅射优质的BaM膜最重要的是选择基板的结构状态、Ar气和O_2气分压值、基板的加热温度。此外,等离子体束缚磁场和溅射功率对薄膜的结晶取向也有明显的影响。实验研究结果判定,对向靶溅射法对于磁性材料的溅射具有极其良好的作用。     

空间薄膜充气管的太阳辐射压力及外热流分析

本文分析了不同轨道高度以及同一轨道高度不同位置,空间薄膜充气管所受太阳辐射压力及其扭矩大小,以及所受外热流情况.研究发现影响空间薄膜充气管的太阳辐射压力及其产生的扭矩与轨道高度无关,但随轨道位置变化而变化;外热流是轨道高度和位置的函数:随着高度的增加,太阳直接辐射热流不发生变化,但在所有外热流中其数值最大,地球红外辐射热流和地球反照热流则随着轨道的增加而下降,且后者下降的速度更快.     

直流磁控反应溅射制备Al2O3薄膜的工艺研究

应用直流磁控反应溅射技术在不锈钢基体上制备Al2O3薄膜,研究了溅射气压、氧气流量和基体温度对Al2O3薄膜的沉积速率和膜基结合力的影响规律。结果表明,随着压力的增大,沉积速率和膜基结合力先增大后减小,在压力为1.0 Pa时最大;随着氧气流量的增加,沉积速率和膜基结合力也随之不断减小;随着温度的升高,沉积速率和膜基结合力略有下降。利用扫描电子显微镜观察了薄膜与基体界面及薄膜的表面微观形貌,薄膜与基体的结合性好,薄膜表面晶粒大小均匀,组织致密。     

靶衬间距对脉冲激光沉积薄膜均匀性的影响

以国产脉冲激光沉积设备(PLD-Ⅲ型)在玻璃衬底上沉积Ti O2薄膜为例,研究了PLD法制膜过程中靶衬间距对薄膜均匀性的影响.实验过程中,以Ti O2陶瓷片作为靶材,玻璃作为衬底,保持其他工艺条件(如单脉冲能量、脉冲频率、沉积脉冲总数、衬底温度等)不变,专门考察了不同靶衬间距下,Ti O2薄膜在整个衬底台平面区域的沉积分布状况.结果表明,按样品的表观灰度划分,薄膜沉积的相对均匀区可分为2～3个轴对称区域,分别对应不同的沉积速率和厚度;在一定范围内调节靶衬间距(3.00～7.00 cm),可使高速率沉积区逐渐由轴对称的圆环状变为中心大圆斑(直径约2.20 cm).结合PLD沉积原理与靶衬之间的几何关系,分析了导致上述结果的机理.     

脉冲激光沉积法(PLD)制备InGaN薄膜的膜厚分布特征

【目的】探究脉冲激光沉积法(PLD)制备InGaN薄膜时薄膜的厚度分布规律,以便于能够改善薄膜的均匀性。【方法】在实际情况中,靶材和基片并不平行,取任一无限小面积元近似作为平行靶材时的情况来分析,研究此处各项等效参数即可得到该处的膜厚。【结果】当靶材与基片的倾斜角为0°时,靶材激光照射点处的法线与基片相交处的膜厚度最大,以该点为中心,基片两侧膜厚呈对称分布,且越远离基片中心点,膜的厚度越小;当靶材与基片的倾斜角不为0°时,基片左右两侧膜厚不对称分布,靠近靶材一侧的薄膜厚度大于远离靶材一侧的薄膜厚度,倾斜角越大,两侧膜厚的差异越大,膜厚最大的点不在基片中心处,而是偏向靠近靶材的一端,倾斜角越大,偏离越明显。靶基距增大,所形成的膜厚度均匀性提高,但与靶基距较小时相比,相同时间内沉积的膜厚度要低得多。【结论】PLD制备InGaN薄膜过程中,基片各处上的薄膜受倾斜角和靶基距的影响,厚度不均匀,存在一个厚度分布。     

分区分级双P型辐射管喷口结构位置特性

为了对分区分级双P型燃气辐射管喷口结构、位置进行优化,提高燃烧效率.首先对分区分级双P型燃气辐射管进行了实验和数值研究,结果发现,除NOx体积分数的误差为11.6%外,其他参数的偏差都在1%以内,证明该模型具有可靠性.在此基础上,通过研究主管和支管的喷口位置及喷口结构等参数,进行了气体温度和壁面温度的研究分析.结果显示:随着主管喷口位置向外移动,分区分级燃气辐射管表面温度的最高值逐渐减小,壁面温度的最低值逐渐增大.支管喷口位于三通管与支管交线处时,可以减少高温气体对辐射管管壁的冲击作用,提高支管径向的温度均匀性,延长辐射管使用寿命;主管喷口的形式为完全预混式喷口时,壁面温差最小;支管喷口的形式为不对称式时,分区分级燃气辐射管壁面温差最小,燃烧热效率最高.     

银饰表面氧化铝保护膜的防腐蚀性能

为了提高银饰的抗变色能力,采用大腔体原子层沉积设备,以Al_2O_3作为保护膜进行银饰的批量处理。通过在腔体内加入匀气装置,改善了腔体内膜层厚度的均匀性。通过工艺参数的改进,改善了薄膜的表面形貌。实验表明,用洗银水处理后的银饰直接进行处理,银饰表面会变黑。X射线衍射测试表明基底温度为150℃时,获得的薄膜为无定型结构。扫描电镜测试表明薄膜表面致密、均匀。腐蚀试验表明Al_2O_3膜层厚度为30 nm时,有良好的抗变色效果。光谱测试表明,镀膜后银饰的平均反射率略高于未镀膜银饰的平均反射率,镀膜后对银饰的外观基本无影响。     

分区分级燃气辐射管模型验证及仿真研究

本文首先对双P型辐射管进行实验和数值研究,发现除NOx含量的误差偏大外,其他参数的偏差都在1%以内,证明该模型具有一定的可靠性.在此基础上,将空气分级的理念应用于双P型辐射管,提出一种带支管喷口的分区分级燃气辐射管,并建立相应的数学和物理模型.对比双P型辐射管和分区分级辐射管的模拟结果显示：分区分级燃气辐射管和双P型辐射管内气体的平均流速分别为25.8 m·s-1和21.0 m·s-1,热效率分别为65.9%和64.2%;分区分级燃气辐射管壁面最高温度为1047℃,壁面最大温差为73℃,比双P型辐射管降低15℃,分区分级后气体平均流速增大,提高了直管和回流管管段的烟气温度和壁面温度,具有更好的温度均匀性.     

电子束在动态混合沉积TiN中的作用

在三束动态混合离子注入机中，研究了电子束对动态混合沉积ＴｉＮ薄膜的硬度，结合力和膜层结构的影响。结果表明，电子束增强了离子束的反应活力，保持了混合过程中温度的均匀性，整个沉积膜层中形成了均匀分布的细纤维状ＴｉＮ晶粒，显著提高了膜层的韧性和结合力。     

金属有机化学气相沉积薄膜制备中传热传质的数值模拟

建立水平式GaAs的金属有机化学气相沉积(metal-organic chemical vapor deposition,MOCVD)数学模型, 采用求解压力耦合方程的半隐式(SIMPLE)算法对反应气体流动进行二维数值模拟, 并基于边界层动量、热量与扩散传质的相关理论分析了薄膜制备过程中化学组分的输运, 以及反应前驱物与气相之间的传热过程. 计算所得的GaAs生长速率与实验结果吻合较好. 同时, 数值讨论了反应器进气流量、操作压力以及基底温度对GaAs生长速率的影响. 薄膜生长的速率峰值随入口气体速度的升高而有所增大, 但薄膜生长逐渐趋于不均匀性. 因此, 选取气流速度为0.104 m/s. 薄膜生长速率随着操作压力的增大而增大, 当压力为6 kPa时, GaAs生长速率较压力为2 kPa时提高了223%, 薄膜具有较好的生长速率和均匀性.基底温度对薄膜生长速率影响显著, 在1 050 K时薄膜有良好的生长速率和均匀性, GaAs生长速率比温度为950 K时提高了123%. 研究结果为优化MOCVD反应条件及其反应器的结构设计提供了理论依据.     

能量过滤磁控溅射技术制备Te薄膜及其光学性能研究

利用自主改进后的能量过滤磁控溅射(energy filtering magnetron sputtering,EFMS)技术制备Te薄膜,研究了沉积温度对薄膜结晶特性、表面形貌以及光学性能的影响。研究结果表明所制备的薄膜为纯Te膜。在100℃时制备出的薄膜结晶较好,表面颗粒较大且比较均匀,200℃时薄膜表面形貌发生改变,由颗粒状变为交错分布的棒状结构。200℃时制备的薄膜在红外波段的消光系数和折射率相对较小。室温制备的薄膜的平均透过率为9.1%;200℃制备的薄膜的平均透过率最大为35.4%。     

分级气体成分对燃气辐射管热过程影响的数值模拟及研究

采用现有的双P型辐射管进行燃烧实验,并进行相应的CFD仿真对比,结果显示NOx体积分数的数值计算与试验结果误差最大为3.6％,其他参数的偏差均在1％以内.将空气分级的理念应用于双P型辐射管,设计一种带支管的分区分级燃气辐射管,并对其流动和传热特性进行仿真研究.结果表明:支管通入空气量占总空气量的25％时,辐射管壁面温差最大,热效率最高;支管通入燃气量为20％时,辐射管壁面温差最小,壁面温度均匀性最好;支管以相同空燃比同时通入空气和燃气,且支管通入空燃气量为总燃气量的25％时,整个辐射管内气体温度分布最均匀;支管通入空燃气量占总气体量从5％增加到35％的过程中,壁面温差先降低后缓慢增加,支管通入燃气量为20％时辐射管壁面温差最小.     

PCR芯片中微腔室高度及加热器结构优化设计

对PCR扩增芯片中微加热器的传热及微腔(DNA反应液腔)室的高度优化问题进行了有限元分析,通过ANSYS软件模拟分析了单蛇形、双蛇形以及双螺旋形等典型结构微加热器的温度场分布,分析了不同腔室高度PCR芯片的温度场分布,重点探讨了不同微加热器结构、不同布线规律对PCR芯片微腔室温度分布均匀性的影响,PCR芯片中DNA反应液厚度与芯片上下表面温差的关系.仿真结果表明:均匀加热器比非均匀加热器温度分布均匀性更好;双螺旋形加热器较单蛇形与双蛇形加热器更能满足实际需要;DNA反应液厚度与芯片上下表面温度差之间具有良好的线性关系.同时根据分析结果得到了所设计的具有电极均匀分布双螺旋微加热器的PCR芯片微腔室最佳高度为340μm,能很好满足片上PCR芯片扩增所需的温度环境条件.     

气膜孔几何位置对旋流冷却流动与传热特性的影响

为了研究气膜孔几何位置对旋流冷却特性的影响,建立了带有气膜孔的旋流腔冷却结构,利用流体动力学软件ANSYS CFX对比分析了有无气膜孔情况下旋流冷却性能的差异,并研究了气膜孔轴宽比和周向角度对旋流冷却流动和换热特性的影响。研究结果表明:气膜孔对旋流腔靶面旋流冷气运动产生强烈扰动,使气膜孔上游冷气流速增加,下游冷气流速降低;气膜孔使主流流线向斜下方偏转,增强了整体换热强度且整体压力分布趋于均匀;轴宽比从0.3增加到0.7,气膜孔对整体流动和传热影响不大,轴宽比增加到0.9,主流小旋涡消失且靶面Nu分布更均匀;周向角度小于0°时,随着周向角度的增加,气膜孔上游高速区增大,周向角度超过0°后,高速区随周向角度增长不明显;随着周向角度增加,周向平均压力系数增加,气膜孔附近高Nu区扩大,靶面高Nu区分布更均匀。