靶膜對中子管中子產(chǎn)額的影響分析

郤方華，王志全，陳路，丁柱，崔杰

（大慶鉆探工程公司測井公司，黑龍江 大慶163412）

0 引 言

靶膜在中子管內(nèi)部是用來儲存氚氣，但它又是發(fā)生氘氚核反應的界面，當氘核被電離后產(chǎn)生氘離子，氘離子被加速后轟擊靶膜中的氚核發(fā)生氘氚核反應而產(chǎn)生中子。靶膜質(zhì)量的好壞，直接影響到中子管中子產(chǎn)額的高低。多年來圍繞靶膜的相關問題進行了較為深入的研究和分析，并在實際應用中加以驗證。本文從靶膜材料的選擇、靶膜鍍制的工藝和靶膜厚度的確定等3個方面技術問題進行分析論述。

1 靶結(jié)構及靶材料選用

中子管靶結(jié)構是由靶基和靶膜2部分組成（見圖1）。靶基結(jié)構是圓柱形，靶面可以設計為平面型，也可以為圓錐凹面型，如采用圓錐凹面型靶結(jié)構，則其表面積比平面靶擴大近1倍左右，承受離子束的轟擊面積也將擴大1倍，有利于提高中子產(chǎn)額。靶基體材料應選擇熔點高、在氫氣氛圍中強度好和吸收氫同位素少的金屬，常用材料有鉬、鎢和銅等，此外，還有銀、金、鉑、鉭、鎳基不銹鋼和鋁等。由于無氧銅材料的氧含量極少，而且其散熱效果好于其他材料，可以有效防止靶過熱而釋氣，所以選用無氧銅作為中子管的靶基材料較為適宜。

圖1 靶結(jié)構示意圖

靶膜就是在圖1中靶面上鍍制的一層金屬薄膜，用這層金屬薄膜吸附氚氣，中子管工作時，氘與這層薄膜表面或一定深度內(nèi)的氚發(fā)生核反應D＋T→42He＋10n＋17.6MeV，而產(chǎn)生14.1MeV的單色快中子。

2 靶膜材料對中子產(chǎn)額的影響

T（d，n）4He反應在靶上產(chǎn)生的中子產(chǎn)額表達式為［1］

式中，j為氘離子束密度；e為電子能量；σ［E（x）］為氘離子能量E（x）所對應的氘氚反應截面；C（x）為x深度氚靶的氚核密度；R為氘離子在氚靶中射程；Y為中子產(chǎn)額。

式（1）表明，中子產(chǎn)額與靶中氘離子射程和氚濃度緊密相關，而氚濃度與原子吸氚系數(shù)有關，所以選用一種吸氚系數(shù)高的靶膜材料，對提高中子產(chǎn)額將起到關鍵作用。

常用吸氚靶膜材料有鈦和鋯，此外，還有鈧、鉺、釔、鑭等元素也可作吸氚靶膜材料。由于鈦是迄今為止發(fā)現(xiàn)的吸氫（氚氣）密度最高的單質(zhì)金屬材料，且價格便宜，制備容易，一般用它作為中子管氚靶的靶膜材料，且其純度可以達到99.99%，這樣有利于靶膜吸附更多的氚氣，增加氘氚核反應的概率，從而提高中子產(chǎn)額。同時在Ti膜表面鍍一層幾納米的Ni膜能在一定范圍內(nèi)有效阻止Ti膜氧化和碳污染，并提高Ti膜的吸氫（氚）能力和氫（氚）在Ti膜中分布均勻性［2］。除高純鈦外，還有選用高純鋯材料用作靶膜材料，鋯靶的使用溫度不超過300℃，而鈦靶的使用溫度不超過200℃［3］，雖然鋯靶的熱穩(wěn)定性好于鈦靶，但是在實際使用中不及高純鈦普遍。

單質(zhì)金屬作為吸氚膜材料不可避免地存在一些材料性能帶來的固有缺陷。例如高純鈦在吸氫（氚）后脆性氫化物會不斷析出，使材料的塑性和韌性及抗拉強度大大下降，表現(xiàn)出特有氫脆現(xiàn)象，由此引起材料表面甚至體內(nèi)產(chǎn)生大量裂紋，使材料力學性能惡化，導致靶膜掉粉，嚴重影響材料的使用［3］。針對這種現(xiàn)象，復旦大學現(xiàn)代物理研究所施立群［2］等人開展了Ti－Mo合金用作靶膜材料的研究，靶膜的抗氫脆性能有了顯著提高，并大大減少碳污染，同時，這種靶膜可以獲得很高的氫（氚）濃度。雖然合金化的靶膜目前使用甚少，不及高純鈦和高純鋯普遍，但是它特有的性能將會引起人們重視，在不久的將來會替代單質(zhì)金屬靶膜。

3 靶膜鍍制工藝對中子產(chǎn)額的影響

3.1 靶基表面處理

首先要對靶基材料經(jīng)過機械拋光后分別用汽油、重鉻酸鉀洗液和去離子水清洗，以除去表面吸附的油脂和氧化層；然后對要鍍膜的靶面進行機械噴砂粗化處理，既能增加靶膜的附著力，增大靶面表面積，又能減小靶內(nèi)二次電子的發(fā)射；同時，再在900℃的高溫爐中進行預除氣，在真空爐中進行真空除氣處理，除去靶基表面的一切雜氣。

3.2 鍍膜過程控制

以往靶基表面經(jīng)過處理后，往往需要很長時間才能鍍制，少則1個月，多則3～4個月，這樣在靶膜鍍制之前，靶面已經(jīng)被氧化，導致靶膜的附著力差，靶膜很容易脫落，同時由于鍍膜設備本底真空度只有10－1Pa量級，鍍制的靶膜也往往被氧化，靶膜呈現(xiàn)黑色而不是膜材料的本色。顯然，靶膜的脫落直接降低了氘氚核反應的概率，而靶膜被氧化后，靶膜吸附氚氣量就減少，產(chǎn)生的中子就少，兩者都將導致中子產(chǎn)額降低。

據(jù)此，開展了鍍膜工藝研究，建立了1套鍍膜工藝體系：①保證鍍膜時的系統(tǒng)本底真空度高于10－4Pa，氬氣的純度達到99.99%，最大限度保護靶面不被氧化；②在鍍制靶膜過程中給靶基加以400℃高溫，一方面給靶基除氣，使靶面保持潔凈，另一方面增加靶膜的附著力；③給靶基加以200V直流偏壓，防止有害離子進人靶面，保證靶膜更純凈；④即鍍即用，也就是說靶膜鍍制完成的靶，盡可能縮短在空氣中的暴露時間，避免靶膜被氧化。表1列出近幾年用2種鍍膜工藝鍍制的靶膜和相應中子產(chǎn)額的數(shù)據(jù)，分別取10個靶進行靶膜鍍制情況對比，2008—2009年期間為原始鍍膜情況，其平均靶膜厚為1.32mg／cm2，相對中子產(chǎn)額為36n／s；2010—2011年期間則為改進鍍膜工藝后鍍膜情況，其平均靶膜厚為1.15mg／cm2，相對中子產(chǎn)額為47.8n／s，與原始鍍膜工藝相比，靶膜厚度減少了12.9%，相應的中子產(chǎn)額卻增加了32.8%，這個結(jié)果表明采用2種不同的靶膜鍍制工藝，對中子產(chǎn)額的影響是顯著的，說明了靶膜鍍制工藝在中子管制造中的重要性。采用新的靶膜鍍制工藝后，可以減少靶膜厚度，減少靶膜吸附氘氚氣體的總量，有利于延長中子管的使用壽命，更重要的是中子產(chǎn)額得到了大幅度提高。

表1 近幾年2種工藝鍍膜和相應中子產(chǎn)額情況對比

4 靶膜厚度對中子產(chǎn)額的影響

在選定靶材料的條件下，一定范圍內(nèi)靶膜厚度與中子產(chǎn)額成線性關系。為了確定這種關系，封接了不同厚度靶膜的中子管，在相同的測量條件下，測試了它們的相對中子產(chǎn)額，實測數(shù)據(jù)見表2。分析表2可知，隨著靶膜厚度的增加，相對中子產(chǎn)額以不同的比例系數(shù)隨之增長，也就是說適當增加靶膜厚度，可以提高中子管的中子產(chǎn)額。但是在實驗中發(fā)現(xiàn)了另外一個問題，當靶膜厚度超過2.0mg／cm2時，中子管內(nèi)部的氘氚氣體消耗很快，幾小時后管內(nèi)的氘氚氣體就不能維持中子管的正常工作。分析認為對于自成靶中子管，因為靶膜厚度的增加，達到靶飽和所需的氘氚氣體量也在增加，需要氘氚氣體的總量也就更多了。

表2 不同厚度靶膜的相對中子產(chǎn)額實測數(shù)據(jù)

由式（1）可知，中子產(chǎn)額不但與靶中氚濃度緊密相關，而且與氘離子射程也直接相關，除了選用高純膜材料鍍制靶膜外，膜厚也是至關重要的參數(shù)。當膜厚小于氘離子射程時，有一部分氘離子將穿透膜層，損失掉與氚發(fā)生反應的機會，影響了中子產(chǎn)額；當膜厚超過氘離子射程的2倍以上時，靶內(nèi)深層的氚不能與氘發(fā)生核反應，既對中子產(chǎn)額沒有貢獻，同時還浪費了氚氣。因此，靶膜厚度既不能太薄，又不能太厚。由于發(fā)生氘氚核反應時氘核的能量為100～150keV，而這個能量的氘核的氘離子射程為0.5mg／cm2［1］左右，基于上面的實驗分析和氘離子的射程，同時考慮到氚氣在靶膜中分布不均勻性及留有一定余量的靶膜深度，靶膜厚度選用在1.0～1.5mg／cm2之間較為合適。經(jīng)過近2年的實際應用證明，這種膜厚度的靶應用效果非常理想。

5 結(jié)束語

靶膜材料純度決定了靶膜吸附氚氣的數(shù)量，鍍制靶膜工藝決定了靶膜質(zhì)量優(yōu)劣，而合理的靶膜厚度決定了氘離子參與氘氚核反應的概率。因此，只有選擇高純度的靶膜材料、良好的靶膜鍍制工藝和合理的靶膜厚度，中子管才能輸出高的中子產(chǎn)額。

［1］ 樸禹伯，牛占歧，王學智，等.分析束強流中子發(fā)生器中子比產(chǎn)額及靶壽命［J］.原子能科學技術，1993，27（3）：194－196.

［2］ 施立群，周筑穎，趙國慶.Ti－Mo合金薄膜的儲氫特性和抗氫脆能力［J］.金屬學報，2000，36（5）：530.

［3］ 羅順忠，楊本福，龍興貴.中子發(fā)生器用氚靶的研究進展［J］.原子能科學技術，2002，36（4／5）：291－294.