[发明专利]基于微流体的聚变靶丸制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种基于微流体通道技术的惯性约束核聚变靶丸的制备方法，属于聚变靶丸制备的技术领域。

背景技术

随着能源问题的日渐突出，惯性约束核聚变(Inertial Confinement Fusion,ICF)作为可控核聚变技术，受到越来越多的关注。欧美日等国都在对惯性约束聚变进行研究。作为核聚变燃料的载体，具有空心微球结构的聚变靶的研制和开发是ICF研究中的重要内容。目前靶丸的制备工艺主要有：液滴炉技术，干凝胶技术，微封装技术，界面聚合法等。这些方法通常需要精度很高的仪器，往往原料消耗大，操作繁琐。微流控技术是指采用微细加工技术,在一块几平方厘米的芯片上制作出微通道网络结构,把实验室大型设备集成在尽可能小的操作平台上,用以完成不同的实验过程,并能对产物进行分析的技术。它不仅使试剂的消耗降低,而且使实验速度提高，费用降低，充分体现了当今实验室设备微型化、集成化和便携化的发展趋势。因此，开发基于微流控技术的靶丸制备方法将简化实验步骤，缩小实验设备，精确控制结果，实现靶丸的大量制备。本发明提出了一种利用自动化微流控系统来制备惯性约束核聚变靶丸的新方法。

发明内容

技术问题:本发明的目的是提供一种基于微流体的聚变靶丸制备方法。该制备方法通过微流体通道使靶丸材料的溶液或者前聚体形成双重微乳液，并通过成像系统、图像分析和控制系统根据计算出的双重乳液的内外径实时调节各注射泵的流量实现双重乳液内外径的控制，获得所需尺寸的双重微乳液，再通过固化干燥，形成符合ICF靶要求的空心微球。该制备方法可以制备出大小均一，囊壁可控的空心微球，符合ICF靶的要求。

技术方案:本发明是一种基于微流体的聚变靶丸制备方法，该制备方法基于的乳液自动生成系统包括生成微乳液的芯片、液体流量控制的注射泵、微乳液尺寸观测的成像系统、图像分析和流量控制系统：采用微流体通道网络使靶丸溶液或前聚体在流动相中形成双重微乳液，双重乳液的形貌通过成像系统传送给控制系统进行图像分析获得双重乳液的内外径，然后通过流量控制系统调节各注射泵的流量实现双重乳液内外径的控制，从而实现空心靶丸的直径、壁厚可控；其具体制备方法包括以下步骤：

1)微流体通道的制备：采用微加工技术在硅片、玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯或聚二甲基硅氧烷微流体芯片上建立微流体通道网络系统，该系统有3个入口，分别为囊心相入口，囊壁相入口、流动相入口，有1个出口；

2)微乳液的制备：将囊心相、囊壁相、流动相三相溶液分别装入三个容器，分别对应连接所述的3个入口，用数字控制注射泵控制三相溶液流速，从出口得到均匀稳定的微乳液；

3)微乳液尺寸的获取：通过成像系统观察微乳液的生成情况，实时采集微乳液的图像，通过图像分析计算出双重乳液的外径和内径；

4)双重乳液内外径的控制：根据计算出的微乳液的内外径值以及它们与三相溶液流速之间的关系，自动调节三相溶液流速直至微乳液的内外径达到预先计算出的尺寸；

5)聚变靶丸的制备：将微乳液囊壁干燥固化，去除囊心相，得到符合要求的空心聚变靶丸。

微流体通道网络系统是2级T型通道模式，或是汇聚剪切通道模式。

通过微乳液成像与分析系统和流量控制系统实现双重乳液内外径的自动控制，从而实现空心靶丸的直径、壁厚可控。

有益效果：根据本发明，利用微流体芯片制备聚变靶丸具有以下优点：

1)可控性强：因为微流体通道的设计固定，只需调节液体流速即可调控靶丸的直径和壁厚。

2)液体需要量小：由于微通道是微米级或者毫米级的，因此可以实现μl/min的流速，减少了液体的浪费。

3)制备成本低：一个微流体芯片可实现多种尺寸靶丸的制备，只需改变微流体芯片的规格可以实现一系列靶丸的制备。

4)自动化程度高：只需设定需要生成微乳液的内外径尺寸系统就可以自动调节三相流速生成所需的微乳液，即可自动调控靶丸的直径和壁厚。

附图说明

图1为本发明2级T型微流体通道示意图，图中标注有：囊心相入口11，壁层相入口12，流动相入口13，出口14，第一结点15，第二结点16。

图2为本发明汇聚剪切微流体通道示意图，图中标注有：囊心相入口21，壁层相入口22，流动相入口23，出口24，汇聚点25。

图3为本发明实施例一示意图，图中标注有：囊心相入口31，壁层相入口32，流动相入口33，出口34，第一结点35，第二结点36。