美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)的工程师采用双光子聚合(2PP)技术,为国家点火装置(NIF)靶件打印出复合抛物面聚光器,把这一部件的生产时间从10天缩短到1天。实验室表示,打印出的锥体可作为单一组件成型,且无需镀金。
复合抛物面聚光器在靶丸内爆过程中把X射线源引导至燃料胶囊,供诊断设备采集数据。常规路线需要先对铜芯棒做金刚石车削,再镀金和塑料,然后再次加工到最终形状,浸出芯棒,最后把锥体安装到支撑结构上。实验室机械设计师斯科特·冯霍夫(Scott Vonhof)说,复合抛物面聚光器加工难度很大:尺寸约1.5毫米,比他们用来操作部件的真空吸头还小,而且没有平面,是一个亟待解决的难题。
靶件制造工程师苏金·斯塔德曼(Soojin Stadermann)表示,靶件制造从不停滞,团队一直在创新,以造出能带来物理学家所需实验结果的靶件。双光子聚合使用高强度、紧密聚焦的激光,焦点尺寸小于1微米。实验室靶件制造增材制造部署负责人马克西姆·舒斯特夫(Maxim Shusteff)说,此前增材制造无法达到所需的特征尺寸,打印区域也太小,只能把部件拼接起来,而这些部件达不到表面粗糙度要求;双光子聚合为靶件制造打开了很大的设计空间。
由于国家点火装置每年只进行约300次实验,新部件先在别的激光装置上测试。2026年4月,双光子聚合打印的聚光器被用于一个金盘靶件,该靶件用于校准诊断设备,实验室报告其表现与传统制造的部件相当。随后,重新设计的聚光器被装入一个离子快点燃发现科学活动的靶件,该活动把先进射线照相能力(ARC)离子源与胶囊结合,采用间接驱动设计。
新的锥体保持相同内形,但外形轮廓改变,周围的金锥上加装了导轨,装配人员可将其滑入位置并用胶固定。第二个双光子聚合打印部件是凹入式锥体,其离轴几何形状用金刚石车削会非常困难。斯塔德曼说,没有新的双光子聚合方法,这不可能实现;由于位置被遮挡且装配公差严格,把聚光器直接装到离子源上颇具挑战。
首次实验于2026年9月进行,团队正在分析数据,以改进下一次实验的靶件设计。工程师们还在研究用双光子聚合制造带晶格结构的燃料胶囊,这种结构可容纳浸润泡沫。冯霍夫说,现在有了这种几何自由度,设计可能性被真正打开,这个部件只是开始。
劳伦斯利弗莫尔国家实验室位于美国加利福尼亚州利弗莫尔,由美国能源部国家核安全管理局管理,开展核武器、高能密度物理与惯性约束聚变等方向研究。
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