[发明专利]一种纳米梯度化中子靶及其制备方法

说明书

本发明涉及一种纳米梯度化中子靶及其制备方法，纳米梯度中子靶包括衬底、纳米梯度层以及纳米膜层，所述纳米梯度层位于所述衬底和所述纳米膜层之间，所述纳米梯度层包括多层纳米级厚度的薄膜；从衬底到纳米膜层，所述薄膜的成分呈现纳米级梯度渐变。本发明纳米梯度化中子靶所采用的纳米梯度结构能够有效提高中子靶结合力。本发明创新的将纳米梯度化结构引入中子靶，通过在衬底和纳米膜层之间引入在成分上纳米梯度变化的过渡层，缓解了衬底材料与纳米膜层晶格匹配度差造成膜基结合力不强的问题。同时由于纳米层状结构形成的纳米晶减缓中子靶吸氘或/和吸氚后的体积膨胀问题。

技术领域

本发明涉及中子靶制备领域，具体涉及一种适用于中子应用技术相关中子源的靶片及其制备方法。

背景技术

中子作为重要的研究工具已广泛应用于中子治疗、中子照相、石油勘探、地质和矿物勘探等诸多领域。目前，常用的中子源有核反应堆、粒子加速器、放射源和密封中子管。其中粒子加速器和密封中子管是两种常用的中子发生器，其原理是通过加速氘离子束轰击氚靶片，发生氘氚聚变反应产生14.1MeV的单色中子。

在氘氚中子源中，中子靶是直接产生中子的核心部件，其由纳米膜层(即吸氘或/和吸氚膜)和衬底组成。常用的纳米膜层材料为钛、锆、钪、铒、钇等元素，常用的衬底材料钼、钨、铜等具有吸收氢同位素少并且在氢气气氛中强度良好的材料。其中由于钛具有较高的吸氢密度，并且钛的价格便宜、钛膜容易制备，国内外目前使用的氚靶片通常是在基底上镀制单一钛膜，通过钛膜吸氘或/和吸氚获得中子靶。例如中国原子能科学研究院、中国工程物理研究院以及法国Soderna公司等单位采用钼基氚钛靶的形式；美国加利福尼亚大学核能工程系等单位采用无氧铜基氚钛靶的形式。

目前中子靶的结构多为衬底表面制备一定厚度的单一钛膜作为吸氘或/和吸氚膜，此类中子靶尚存在以下不足：1)衬底材料与钛膜晶格匹配度差，造成膜基结合力不强。由于衬底材料和钛膜晶体类型存在差异、晶格常数存在较大的差异性。晶格匹配性差导致钛膜在基底上无法很好的外延生长，引起缺陷过多，最终造成衬底材料与钛膜之间结合力较弱，易脱落。2)钛膜吸氘或/和吸氚后体积膨胀，造成膜内内应力累积损伤，最终膜开裂脱落而失效。钛膜吸氢后体积最大膨胀率可达到17.2％。并且随着钛膜中氢含量增加，逐步形成具有CaF₂结构的面心立方的单一γ相以及四方晶系δ相，这两相均为脆性相。若吸氢后造成的体积膨胀不能及时缓解，则会造成应力累积损伤，造成脆性相开裂脱落失效。

因此，如何提高衬底材料和钛膜的匹配度、缓解吸氘或/和吸氚后钛膜体积膨胀造成的内应力损伤，从而提高膜基结合力，延长中子靶寿命和稳定性是亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是目前常用中子靶存在的衬底材料与钛膜晶格匹配度差造成膜基结合力不强，以及钛膜吸氘或/和吸氚后体积膨胀造成膜内内应力累积损伤，最终膜开裂脱落而失效。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种纳米梯度化中子靶，包括衬底、纳米梯度层以及纳米膜层，所述纳米梯度层位于所述衬底和所述纳米膜层之间，所述纳米梯度层包括多层纳米级厚度的薄膜；从衬底到纳米膜层，所述薄膜的成分呈现纳米级梯度渐变。

本发明的有益效果是：本发明纳米梯度化中子靶所采用的纳米梯度结构能够有效提高中子靶结合力。本发明创新的将纳米梯度化结构引入中子靶，通过在衬底和纳米膜层之间引入在成分上纳米梯度变化的过渡层，缓解了衬底材料与纳米膜层晶格匹配度差造成膜基结合力不强的问题。同时由于纳米层状结构形成的纳米晶减缓中子靶吸氘或/和吸氚后的体积膨胀问题。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述薄膜在结构上形成纳米晶，所述纳米晶的晶粒尺寸＜50nm。

采用上述进一步方案的有益效果是：中子靶纳米晶结构使中子靶在提高膜基结合力同时，减缓吸氘或/和吸氚后的体积膨胀造成粉化脱落问题，为提高中子靶使用寿命和稳定性提供一种有效的途径。