[发明专利]一种低应力中子转换薄膜元件及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于精密光学元件制作技术领域，涉及一种低应力中子转换薄膜元件及其制备方法。

背景技术

中子探测器是构成中子谱仪、便携式探雷器等中子检测装置的核心部件，其基本原理是将中子转换为带电粒子，通过测量带电粒子的空间和时间分布来实现中子探测。由于常用中子转换物质(³He)的产量严重不足，导致探测器价格日益增高，极大的限制了中子探测器的应用范围。为了解决巴尔干战争中地雷清除问题，欧盟制定了DIAMINE工程(2001年～2004年)，利用中子背散射技术实现地雷的探测和成像。为了研制这种新型的、便携式中子探雷装置，必须降低所用探测器的尺寸和造价，而原有的³He探测器无法满足这种需求；“9·11”事件以后，美国制定了在全面港口和机场增设爆炸物检测装置，其中中子探测器是必须的仪器设备；近年来，随着先进中子源的不断新建，众多中子束线正在或计划建设，每个中子束线都需要精密的中子探测器。一方面，国家安全、军事及科学应用对中子探测的需求不断增长，另一方面，由于生产常用中子转换物质(³He)的主要材料为核武器制作的主要材料之一，而被限制生产，因此导致了基于³He的中子探测器造价不断攀升，近10年来，中子探测器的价格增加了一个数量级。

2006年，为了解决因³He产量不足而导致的中子探测器价格的快速增长，从而降低散裂中子源用中子谱仪的造价，美国科学家提出了一种新型的中子探测器。该探测器将镀制了碳化硼薄膜的铝箔制作成直径为4mm、长度为5cm的稻草管结构，将许多这种稻草管拼装成新型的面阵中子探测器，并实现了0.1nm～1nm波长范围中子的探测，为解决³He探测器造价问题提供了一条有效途径。但是，在制作这种中子源用新型探测器的过程中，必须解决1～2微米厚的碳化硼薄膜的高效制作问题，并保证薄膜不脱落、不碎裂，这就要求碳化硼薄膜具有较小的应力，且与基板之间有良好的粘附性。

为了确保制作好的碳化硼薄膜不脱落、不碎裂，主要解决思路有两个：其一是在基板与碳化硼薄膜之间增加一个粘附层薄膜，提高碳化硼薄膜与基板的粘附性；其二是减小碳化硼薄膜自身的应力。第二种方法是目前国际上制作1～2微米厚的碳化硼薄膜的主要思路。

由于碳化硼薄膜的微结构呈非静态，因而具有较大的负应力，而且应力大小随膜层厚度的增长而保持不变，所以碳化硼薄膜越厚，其对基板的作用力就越大。为了控制碳化硼薄膜的应力，国际上许多科研人员开展了长时间的研究工作，有文献报道的方法主要有以下三种：

1、在镀制碳化硼薄膜过程中，提升基板的温度，可以降低碳化硼薄膜的应力。根据M.J.Zhou等人在2007年的报道(Thin Solid Films 516(2007)336)，当基板的温度高达750摄氏度时，采用离子束溅射方法制作的0.3微米厚的碳化硼薄膜的应力在3.5～4.0GPa之间。虽然，从实验结果看，进一步提升基板温度可以降低碳化硼薄膜的应力，但是，这样的应力水平显然无法满足中子探测器的制作需求。

2、Mei-Ling Wu(Thin Solid Films 449(2004)120)和Kulikovsky(Diam.& Rel.Mater.18(2009)27)等人先后提出了在镀制碳化硼薄膜过程中，采用在基板上加负偏压的方法来减小碳化硼薄膜的应力。但是，采用这种方法，仅能将磁控溅射方法制作的11～1.5微米厚的碳化硼薄膜的应力减小到3GPa左右，仍然无法满足中子探测器的应用需求。

3、Mei-Ling Wu等人(Thin Solid Films 449(2004)120)提出了在很高的溅射气压条件下制作低应力的碳化硼薄膜。当溅射气压达到1.33帕斯卡时，制作的6纳米厚的碳化硼薄膜的应力接近于零。这种方法虽然可以获得几乎零应力的碳化硼薄膜，但是由于高的溅射气压，导致碳化硼薄膜的生长速度极慢，而且靶材料的消耗很大。采用这种方法来生产中子探测器用中子转换薄膜元件，效率低，成本高，不利于产业化。

因此，寻找低应力、生产效率高、价格较低的中子探测器用中子转换薄膜元件及其制作方法，从而降低产品的生产成本，提高生产效率，是实现进一步拓展中子探测器应用范围的有效方法。

发明内容