一种基于原位生长的中子靶及其制备方法技术

本发明专利技术涉及加速器型中子靶技术领域，具体而言，涉及一种基于原位生长的中子靶及其制备方法。该中子靶的基底的一侧设有多个凹坑；基底的一侧表面依次设有储氢同位素层和耐溅射层；储氢同位素层和耐溅射层在凹坑的位置向基底凹陷，使耐溅射层的表面具有多个溅射阱凹坑。该制备方法先在基底的一侧加工多个凹坑；再在基底的一侧通过原位生长的方式依次制备储氢同位素层和耐溅射层，使储氢同位素层形成与凹坑相同的结构，并使耐溅射层的表面形成多个溅射阱凹坑。中子靶表面溅射飞出的原子可被溅射阱凹坑的内壁阻挡并重新沉积在溅射阱凹坑中，大大提高了中子靶使用寿命；该制备方法可使基底上的凹坑结构得以保留，提高了中子靶综合力学性能。综合力学性能。综合力学性能。

【技术实现步骤摘要】
一种基于原位生长的中子靶及其制备方法


[0001]本专利技术涉及加速器型中子靶
，具体而言，涉及一种基于原位生长的中子靶及其制备方法。

技术介绍

[0002]中子技术被广泛应用于中子照相、油田测井、癌症治疗、中子安检、活化分析、辐照育种、辐照损伤研究、核测量等领域。目前主要的中子源有核反应堆、放射源以及加速器型中子源。其中加速器型氘氚中子源是通过加速氘离子束轰击中子靶，发生氘氚聚变反应产生14.1MeV的聚变中子。加速器型氘氚中子源由于通电才能产生中子，因此安全性高。另外，这类中子源具有小型化、便携性、成本低廉等优点而具有广泛的应用前景。
[0003]在氘氘聚变中子发生器中，中子靶是直接产生中子的核心部件。其中中子靶的寿命对于中子发生器运行和使用成本至关重要。目前常用的中子靶主要分为预制靶和自成靶。预制靶一般是在基底上镀制单一钛膜，随后通过钛膜吸氘/氚获得氘/氚钛靶，将氘/氚钛靶放在加速器中，通过加速氘离子束轰击氘/氚钛靶发生聚变反应产生中子；自成靶一般在基底上镀制单一钛膜形成钛靶，将钛靶直接安装在加速器中，运行过程中加速的氘离子束轰击钛靶并沉积，随后轰击钛靶的氘离子束与沉积在钛靶中的氘发生聚变反应产生中子。无论是哪一种中子靶，在运行过程中都会受到高速的氘离子束轰击，钛膜在高能离子束轰击下发生溅射效应。即高速的氘离子束轰击中子靶表面时，将氘离子的动能和动量转移给中子靶表面的原子，导致表面原子因化学键断裂而飞溅流失。由于特殊的运行环境造成的溅射效应，中子靶膜不断被溅射减薄直至失效，大大降低中子靶的运行寿命。因此如何有效的降低中子靶的溅射效应，是提高中子靶寿命的关键技术之一。
[0004]由于溅射效应与材料种类密切相关。目前提高中子靶耐溅射性能的方法是在中子靶膜表面制备一层溅射率低的材料作为耐溅射膜。然而耐溅射膜的尺寸不能太厚。原因是高能氘离子束无法穿透耐溅射膜到达储氢同位素层(钛膜层)就无法发生聚变反应产生中子，或者由于耐溅射膜的阻挡作用导致到达储氢同位素层能与其中的氘/氚原子发生氘原子数量减少，致使中子产额降低，不满足使用要求。因此一般耐溅射膜的厚度为纳米级。由于耐溅射膜太薄，虽然溅射率低，但是会很快被溅射掉，留下裸露的储氢同位素层(钛膜层)。因此传统方法制备的耐溅射膜对中子靶寿命提高效果极为有限，无法满足长寿命中子靶的使用需求。
[0005]因此如何解决中子靶的耐溅射性的问题，从而大幅度提高中子靶的服役寿命是亟待解决的技术瓶颈。

技术实现思路

[0006]本专利技术所要解决的技术问题是提供一种基于原位生长的中子靶及其制备方法。
[0007]本专利技术解决上述技术问题的技术方案如下：
[0008]本专利技术提供一种基于原位生长的中子靶，包括基底，所述基底的一侧设有多个凹
坑；所述基底的一侧表面依次设有储氢同位素层和耐溅射层；所述储氢同位素层和所述耐溅射层在对应多个所述凹坑的位置向所述基底凹陷，使所述耐溅射层的表面具有多个溅射阱凹坑。
[0009]在上述技术方案的基础上，本专利技术还可以做如下改进。
[0010]进一步，所述溅射阱凹坑为倒置的圆锥形，其大端直径D与深度h的关系为D/h≥0.38。
[0011]进一步，相邻的所述溅射阱凹坑的大端圆心之间的距离a与大端直径D之间的关系为
[0012]进一步，所述大端直径D的值为0.2～2mm。
[0013]进一步，所述耐溅射层的材料包括陶瓷、钨合金、钯合金、钽合金、镍合金中的一种或多种，所述耐溅射层的厚度范围为100
‑
500nm；
[0014]所述储氢同位素层的材料包括钛、镍、锆、镁、钼、铝、钒、钽、稀土元素中的一种或多种，所述储氢同位素层的厚度为0.5
‑
5μm；
[0015]所述基底的材料为铜、铜合金、银、银合金、钼或钼合金。
[0016]本专利技术还提供一种如上述的基于原位生长的中子靶制备方法，包括以下步骤：
[0017]S1、在所述基底的一侧加工多个所述凹坑；
[0018]S2、在所述基底的一侧通过原位生长的方式依次制备储氢同位素层和耐溅射层，使所述储氢同位素层形成与所述凹坑相同的结构，并使所述耐溅射层的表面形成多个所述溅射阱凹坑。
[0019]进一步，在进行步骤S1前，先将所述基底的一侧表面打磨至粗糙度为0.1
‑
3.2μm，然后采用丙酮、乙醇、去离子水依次清洗基底表面，每次清洗时间分别为15
‑
30min。
[0020]进一步，所述步骤S1中，加工多个所述凹坑的方式为表面挤压成型；挤压的压力比所述基底的材料屈服强度大5
‑
20MPa，挤压时，保持压力1
‑
10min。
[0021]进一步，所述步骤S2中，所述原位生长的方式为磁控溅射法；包括以下步骤：
[0022]采用磁控溅射设备在惰性气体环境下依次用对应的材料在所述基底的一侧镀膜，并得到所述储氢同位素层和所述耐溅射层；其中，镀膜压力小于10Pa，功率小于500W。
[0023]进一步，在所述步骤S2结束后，还包括步骤S3：
[0024]S3、进行原位热处理，使所述基底与所述储氢同位素层在两者之间的界面互相扩散，并形成固溶过渡层；
[0025]所述原位热处理为高温扩散处理，所述高温扩散处理在真空度小于10
‑4Pa的条件下进行，所述高温扩散处理的温度为500
±
50℃，时间为500
±
20min。
[0026]本专利技术的有益效果在于：
[0027](1)本专利技术的基于原位生长的中子靶，在耐溅射层的表面设置多个溅射阱凹坑，使中子靶表面溅射飞出的原子可被溅射阱凹坑的内壁阻挡并重新沉积在溅射阱凹坑中，从而无法脱离耐溅射层的材料表面，大幅度降低耐溅射层的材料的溅射率，大大提高了中子靶使用寿命；
[0028](2)本专利技术的基于原位生长的中子靶，在基底的凹坑上原位生长得到溅射阱凹坑，不是单纯的在耐溅射层的表面设置凹坑，使耐溅射层保持均匀的厚度，保证中子靶的寿命；
[0029](3)本专利技术的基于原位生长的中子靶，基底、储氢同位素层和耐溅射层之间通过凹坑的结构互相咬合，与一般的中子靶各层之间平面连接相比，具有更强的界面结合力，有效防止在强应力作用下的脱落和分离情况；
[0030](4)本专利技术的基于原位生长的中子靶，与一般的中子靶相比，中子靶的寿命可提高200～300％；
[0031](5)本专利技术的基于原位生长的中子靶制备方法，采用原位生长的方式，先在基底上加工凹坑，再制备储氢同位素层和耐溅射层，可以使基底上的凹坑结构得以保留，有效避免了后制作溅射阱凹坑时对膜层界面结合强度的影响，提高了中子靶综合力学性能；
[0032](6)本专利技术的基于原位生长的中子靶制备方法，在制备储氢同位素层和耐溅射层后，进行了原位热处理，使基底与储氢同位素层之间、储氢同位素层与耐溅射层之间互相扩散，并形成固本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于原位生长的中子靶，其特征在于，包括基底(4)，所述基底(4)的一侧设有多个凹坑；所述基底(4)的一侧表面依次设有储氢同位素层(3)和耐溅射层(1)；所述储氢同位素层(3)和所述耐溅射层(1)在对应多个所述凹坑的位置向所述基底(4)凹陷，使所述耐溅射层(1)的表面具有多个溅射阱凹坑(2)。2.根据权利要求1所述一种基于原位生长的中子靶，其特征在于，所述溅射阱凹坑(2)为倒置的圆锥形，其大端直径D与深度h的关系为D/h≥0.38。3.根据权利要求2所述一种基于原位生长的中子靶，其特征在于，相邻的所述溅射阱凹坑(2)的大端圆心之间的距离a与大端直径D之间的关系为4.根据权利要求2所述一种基于原位生长的中子靶，其特征在于，所述大端直径D的值为0.2～2mm。5.根据权利要求1～4任意一项所述一种基于原位生长的中子靶，其特征在于，所述耐溅射层(1)的材料包括陶瓷、钨合金、钯合金、钽合金、镍合金中的一种或多种，所述耐溅射层(1)的厚度范围为100
‑
500nm；所述储氢同位素层(3)的材料包括钛、镍、锆、镁、钼、铝、钒、钽、稀土元素中的一种或多种，所述储氢同位素层(3)的厚度为0.5
‑
5μm；所述基底(4)的材料为铜、铜合金、银、银合金、钼或钼合金。6.一种如权利要求1～5任意一项所述的基于原位生长的中子靶制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、在所述基底(4)的一侧加工多个所述凹坑；S2、在所述基底(4)的一侧通过原位生长的方式依次制备储氢同位素层(3)和耐溅射层(1)，使所述储氢同位素层(3)形成与所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：ꢀ七四专利代理机构，
申请(专利权)人：青岛元动芯能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：