GEM熱中子探測器中硼轉(zhuǎn)換體研制

宋仔峰 葉樹蓁 陳子瑜 沈 激

(中國科學技術(shù)大學近代物理系 合肥 230026)

隨著散裂中子源的不斷興建[1]，如美國橡樹嶺國家實驗室SNS、日本J-PARK、英國ISIS、歐洲ESS、韓國KOMAC、印度ISNS及中國正在興建的CSNS。大面積的位置靈敏熱中子探測器成為重要研究課題。

1997年，CERN的Sauli F等[2]發(fā)明氣體電子倍增器GEM(Gas Electron Multiplier)。與同樣能制造大面積氣體探測器多絲正比室MWPC[3]相比，前者提高了位置分辨，避免了后者斷絲報廢等缺點。

基于GEM的位置靈敏熱中子探測器中需一層熱中子轉(zhuǎn)換體，將電中性的熱中子轉(zhuǎn)換成帶電粒子，在工作氣體中產(chǎn)生電離而得以探測。德國Heidelberg大學[4]和韓國的Hanyang大學[5]等機構(gòu)用電子束濺射方法制成10B中子轉(zhuǎn)換體。本文介紹用脈沖激光沉積PLD(Pulsed Laser Deposition)法制作硼中子轉(zhuǎn)換體。

1 硼的物理化學性質(zhì)

天然硼中19%是10B，可跟熱中子產(chǎn)生核反應(yīng)，放出帶電粒子，反應(yīng)截面較大：

截面σ =3836 b，吸收長度λ=19.9 μm。帶電粒子可引起物質(zhì)電離，因此硼可用來探測中子。

單質(zhì)硼是高熔點(2570℃)、高沸點 (3931℃)固體，用CVD(Chemical Vapor Deposition)或電阻加熱蒸發(fā)等鍍膜工藝難以制成硼膜[6]。熱膨脹系數(shù)～5.6×10–6/℃，使襯底選擇存在困難。

硼與氧在～1000℃時反應(yīng)，與氮在1050℃–1200℃反應(yīng)生成氮化硼，與碳纖維2200℃–2350℃反應(yīng)。這三種物質(zhì)是中子轉(zhuǎn)換體制作過程中主要污染源。

2 硼靶制作

硼熔點高，無法用鑄造工藝制造硼靶，且商品硼以粉狀為主，所以本實驗選擇粉末冶金法制造靶材[7]。

選用材料為硼含量 93%–95%、粒度(D50)≤1.0 μm的硼粉。制作過程包括造粒、成型、燒結(jié)和表面修整。造粒是對硼粉進行必要的研磨；成型分兩步，先用千斤頂在40 MPa壓強下保壓30 min，再用冷等靜壓機在300 MPa壓強下保壓5 min；燒結(jié)在真空退火爐進行，步驟為從室溫以10℃/s速率升溫至600℃，保溫90 min，再以10℃/s速率升溫至1300℃，并保溫 120 min，再讓靶材自然降溫至室溫，整個過程耗時～20 h；最后表面修整，用激光束對靶材表面轟擊，去除表面硼化合物。圖1為制成靶材。

圖1 制成的靶材Fig.1 The prepared boron target.

3 中子轉(zhuǎn)換體襯底研究

中子轉(zhuǎn)換體襯底需符合四個條件：(1) 中子反應(yīng)截面盡可能小，不顯著影響中子探測效率；(2) 襯底與作中子轉(zhuǎn)換體的物質(zhì)能牢固結(jié)合；(3) 襯底與中子轉(zhuǎn)換體物質(zhì)的熱脹系數(shù)相接近，在溫度改變的情況下不發(fā)生薄膜剝落；(4) 襯底有良好的機械性能，不易皺褶，不易破損，與框架粘合良好。

海德堡大學的GEM中子探測器CASCADE系在GEM表面上鍍硼，用銅作襯底。但鋁、硅與銅均適合作襯底[6,8]，材料屬性見表1。其中鋁中子反應(yīng)截面小，熔點較低，與硼是同族元素，易形成穩(wěn)定的化學鍵而結(jié)合，我們用鍍鋁聚酰亞胺薄膜作襯底。傳統(tǒng)電阻加熱蒸發(fā)鍍膜方法制得襯底，見圖2。

表1 材料Al、Cu和Si的性質(zhì)Table 1 Properties of Al, Cu and Si.

圖2 鍍鋁聚酰亞胺薄膜襯底Fig.2 The Al-coated polyimide film substrate.

4 中子轉(zhuǎn)換體鍍膜實驗

PLD可在瞬時將能量沉積在局部區(qū)域上使靶材升溫蒸發(fā)，可實現(xiàn)對高熔點材料的濺射[9]。PLD制備硼膜的激光器為德國 Lambda Physik公司的Lambda Physik LPX KrF受激準分子激光器，激光輸出波長為248 nm，頻率5 Hz，能量為250 mJ/脈沖。

圖3 脈沖激光沉積制備硼膜的實驗裝置圖(a)和示意圖(b)Fig.3 The experimental set-up (a) and the schematic diagram (b) used for pulsed laser deposition of the boron film.

PLD激光鍍膜實驗裝置如圖3。靶材為經(jīng)高溫燒結(jié)的硼靶。實驗前，襯底用丙酮、無水乙醇和超聲清洗30 min，去離子水沖洗，吹干，固定于真空腔中的樣品臺上。靶材放在真空腔中的可轉(zhuǎn)動平臺上，轉(zhuǎn)動可避免激光束長時間打在靶材同一位置，造成表面鈍化，影響濺射效率。靶材與襯底間距5 cm。抽真空至2.45×10–5Pa，緩慢加熱襯底到100℃，預(yù)熱激光器，輸出激光。由爐內(nèi)明亮余暉推測是硼靶表面硼化物蒸發(fā)，余暉漸漸減弱，最終僅觀察到硼熔融處發(fā)出的光亮。

鍍膜時間 100 min，鍍膜完成后保持真空讓襯底緩慢降溫，防止硼熱脹系數(shù)與襯底不一致導致硼膜剝落[10]。

5 中子轉(zhuǎn)換體樣品表征

對制得樣品進行厚度測量和表面化學成分鑒定。用橢偏儀測得樣品厚度為(56±10) nm，從而在此制備條件下算得用 PLD技術(shù)硼薄膜的生長速率為0.56 nm/min。用X射線光電子能譜(XPS)鑒定樣品表面成分。XPS射線源是Al的Kα射線(1486 eV)，全譜和元素精細譜的掃描步長分別為1和0.05 eV，恒定分析能分別為70和20 eV，所有元素的結(jié)合能均以C1s結(jié)合能定標，并經(jīng)過荷電校正。全譜掃描能譜和精細掃描能譜結(jié)果見圖 4，數(shù)據(jù)分析結(jié)果見表2。

圖4 XPS全區(qū)掃描能譜(a)；B1s峰XPS精細掃描能譜(b)Fig.4 The full-scan spectrum of sample (a) and the detailed-scan spectrum of the B1s peak (b) by XPS.

表2 XPS數(shù)據(jù)分析Table 2 XPS analysis of the sample.

由圖4(a)，樣品表面存在明顯的氧峰和碳峰。薄膜在沉積過程中，受到真空腔中殘余氣體分子的撞擊，使薄膜表面受到污染。本實驗真空條件下，殘余氣體分子的沖擊率很大，薄膜表面吸附大量殘余氣體，因此圖中有很強的氧峰。碳元素也是XPS實驗中易引入的污染源。由表2計算得，樣品表面硼元素的含量為～23.87%。同時，將圖 4(b)的數(shù)據(jù)結(jié)果與XPS標準數(shù)據(jù)手冊[11]比較分析，圖中4個被記錄的峰A、B、C、D分別對應(yīng)硼化物、B2O3、單質(zhì)態(tài)硼和BN中的硼元素。分析可得，樣品表面硼與硼化物的比例約為 1:2.08。硼化物的形成是由于在真空燒結(jié)過程中燒結(jié)溫度(1300℃)超過了硼與殘留空氣中氧和氮的反應(yīng)溫度。因此制備的硼轉(zhuǎn)換體薄膜含有氧化硼和氮化硼，但兩者都可實現(xiàn)對中子的轉(zhuǎn)換。

Park Se-Hwan等[5]提到用電子束濺射制備的硼膜并不穩(wěn)定，置于空氣中10–20 min硼膜就會從襯底上脫落。為解決此問題，他們借鑒McGregor等[12]方法，制備過程中在襯底前加不銹鋼微網(wǎng)制備成分塊的硼膜，但這樣會明顯降低熱中子轉(zhuǎn)換效率。為觀察所制轉(zhuǎn)換體硼薄膜的穩(wěn)定性，將樣品置于空氣中三個月，并未觀察到膜脫落。這說明與電子束濺射相比，脈沖激光沉積法制成的硼膜有更好的穩(wěn)定性。

6 小結(jié)

本實驗介紹了硼靶制作的工藝過程，探討了作中子轉(zhuǎn)換體襯底的條件，并制備鍍鋁的聚酰亞胺薄膜作襯底，研究脈沖激光沉積PLD技術(shù)制備轉(zhuǎn)換體硼膜的方法。實驗結(jié)果表明，PLD技術(shù)制備轉(zhuǎn)換體硼膜方法克服了電子束濺射成膜帶來的硼膜易脫落的問題。用 XPS分析樣品表面的化學成分，表面23.87%的硼含量偏低，所以提高厚度和純度將是實驗下一步進展的方向。

致謝 國家同步輻射實驗室徐彭壽教授提供 PLD激光鍍膜設(shè)備并給予指導；中國科學技術(shù)大學王玉霞、廖源教授及等中科院物質(zhì)科學研究院王曉明教授分別為本工作提供支持；CERN的 Sauli F與Dangendorf V、海德堡大學Klein M為本工作提供幫助。在此，謹致衷心感謝。

1 Gebauer B. Nucl Instrum Methods in Phys Res A, 2004, 535: 65–78

2 Sauli F. Nucl Instrum Methods in Phys Res A, 1997, 386: 531–534

3 沈 激, 陳子瑜, 葉云秀, 等. 強激光與粒子束, 2006, 18(4): 663–666

SHEN Ji, CHEN Ziyu, YE Yunxiu, et al. High Power Laser Part Beams, 2006, 18(4): 663–666

4 Klein M, Abele H, Fiolka D, et al. AIP Conf Proc, 2001, 596: 193–198

5 Park Se-Hwan, Kim Han-Soo, Kim Yong-Kyun, et al. J Korean Phys Soc, 2006, 49(5): 1939–1943

6 Klepper C C, Hazelton R C, Williams J M, et al. J Vac Sci Technol A, 2002, 20(3): 725–732

7 Hausner Henry H. 粉末冶金手冊. 北京市粉末冶金研究所 譯. 北京: 冶金工業(yè)出版社, 1982

Hausner Henry H. The handbook of powder metallurgy. Beijing Research Institute of Powder Metallurgy Co. translated. Beijing: Metallurgical Industry Press, 1982

8 Kemi H, Sasaki C, Kitamura M, et al. J Nucl Mater, 1999, 266–269: 1108–1112

9 Xiao S G, Yang X L, Yang L W, et al. J Mater Sci Lett, 2002, 21: 1139–1141

10 Reisse G, Weissmantel S, Rost D. Appl Phys A—Mater Sci Proc, 2004, 79: 1275–1278

11 Moulder J F, Stickle W F, Sobol P E, et al. Handbook of X-ray photoelectron spectroscopy. 2nded. Chastain: Perkin Elmer Corporation, 1992

12 McGregor D S, Hammig M D, Yang Y H, et al. Nucl Instrum Method in Phys Res A, 2003, 500: 272–308