靶膜对中子管中子产额的影响分析

郤方华，王志全，陈路，丁柱，崔杰

（大庆钻探工程公司测井公司，黑龙江 大庆163412）

0 引 言

靶膜在中子管内部是用来储存氚气，但它又是发生氘氚核反应的界面，当氘核被电离后产生氘离子，氘离子被加速后轰击靶膜中的氚核发生氘氚核反应而产生中子。靶膜质量的好坏，直接影响到中子管中子产额的高低。多年来围绕靶膜的相关问题进行了较为深入的研究和分析，并在实际应用中加以验证。本文从靶膜材料的选择、靶膜镀制的工艺和靶膜厚度的确定等3个方面技术问题进行分析论述。

1 靶结构及靶材料选用

中子管靶结构是由靶基和靶膜2部分组成（见图1）。靶基结构是圆柱形，靶面可以设计为平面型，也可以为圆锥凹面型，如采用圆锥凹面型靶结构，则其表面积比平面靶扩大近1倍左右，承受离子束的轰击面积也将扩大1倍，有利于提高中子产额。靶基体材料应选择熔点高、在氢气氛围中强度好和吸收氢同位素少的金属，常用材料有钼、钨和铜等，此外，还有银、金、铂、钽、镍基不锈钢和铝等。由于无氧铜材料的氧含量极少，而且其散热效果好于其他材料，可以有效防止靶过热而释气，所以选用无氧铜作为中子管的靶基材料较为适宜。

图1 靶结构示意图

靶膜就是在图1中靶面上镀制的一层金属薄膜，用这层金属薄膜吸附氚气，中子管工作时，氘与这层薄膜表面或一定深度内的氚发生核反应D＋T→42He＋10n＋17.6MeV，而产生14.1MeV的单色快中子。

2 靶膜材料对中子产额的影响

T（d，n）4He反应在靶上产生的中子产额表达式为［1］

式中，j为氘离子束密度；e为电子能量；σ［E（x）］为氘离子能量E（x）所对应的氘氚反应截面；C（x）为x深度氚靶的氚核密度；R为氘离子在氚靶中射程；Y为中子产额。

式（1）表明，中子产额与靶中氘离子射程和氚浓度紧密相关，而氚浓度与原子吸氚系数有关，所以选用一种吸氚系数高的靶膜材料，对提高中子产额将起到关键作用。

常用吸氚靶膜材料有钛和锆，此外，还有钪、铒、钇、镧等元素也可作吸氚靶膜材料。由于钛是迄今为止发现的吸氢（氚气）密度最高的单质金属材料，且价格便宜，制备容易，一般用它作为中子管氚靶的靶膜材料，且其纯度可以达到99.99%，这样有利于靶膜吸附更多的氚气，增加氘氚核反应的概率，从而提高中子产额。同时在Ti膜表面镀一层几纳米的Ni膜能在一定范围内有效阻止Ti膜氧化和碳污染，并提高Ti膜的吸氢（氚）能力和氢（氚）在Ti膜中分布均匀性［2］。除高纯钛外，还有选用高纯锆材料用作靶膜材料，锆靶的使用温度不超过300℃，而钛靶的使用温度不超过200℃［3］，虽然锆靶的热稳定性好于钛靶，但是在实际使用中不及高纯钛普遍。

单质金属作为吸氚膜材料不可避免地存在一些材料性能带来的固有缺陷。例如高纯钛在吸氢（氚）后脆性氢化物会不断析出，使材料的塑性和韧性及抗拉强度大大下降，表现出特有氢脆现象，由此引起材料表面甚至体内产生大量裂纹，使材料力学性能恶化，导致靶膜掉粉，严重影响材料的使用［3］。针对这种现象，复旦大学现代物理研究所施立群［2］等人开展了Ti－Mo合金用作靶膜材料的研究，靶膜的抗氢脆性能有了显著提高，并大大减少碳污染，同时，这种靶膜可以获得很高的氢（氚）浓度。虽然合金化的靶膜目前使用甚少，不及高纯钛和高纯锆普遍，但是它特有的性能将会引起人们重视，在不久的将来会替代单质金属靶膜。

3 靶膜镀制工艺对中子产额的影响

3.1 靶基表面处理

首先要对靶基材料经过机械抛光后分别用汽油、重铬酸钾洗液和去离子水清洗，以除去表面吸附的油脂和氧化层；然后对要镀膜的靶面进行机械喷砂粗化处理，既能增加靶膜的附着力，增大靶面表面积，又能减小靶内二次电子的发射；同时，再在900℃的高温炉中进行预除气，在真空炉中进行真空除气处理，除去靶基表面的一切杂气。

3.2 镀膜过程控制

以往靶基表面经过处理后，往往需要很长时间才能镀制，少则1个月，多则3～4个月，这样在靶膜镀制之前，靶面已经被氧化，导致靶膜的附着力差，靶膜很容易脱落，同时由于镀膜设备本底真空度只有10－1Pa量级，镀制的靶膜也往往被氧化，靶膜呈现黑色而不是膜材料的本色。显然，靶膜的脱落直接降低了氘氚核反应的概率，而靶膜被氧化后，靶膜吸附氚气量就减少，产生的中子就少，两者都将导致中子产额降低。

据此，开展了镀膜工艺研究，建立了1套镀膜工艺体系：①保证镀膜时的系统本底真空度高于10－4Pa，氩气的纯度达到99.99%，最大限度保护靶面不被氧化；②在镀制靶膜过程中给靶基加以400℃高温，一方面给靶基除气，使靶面保持洁净，另一方面增加靶膜的附着力；③给靶基加以200V直流偏压，防止有害离子进人靶面，保证靶膜更纯净；④即镀即用，也就是说靶膜镀制完成的靶，尽可能缩短在空气中的暴露时间，避免靶膜被氧化。表1列出近几年用2种镀膜工艺镀制的靶膜和相应中子产额的数据，分别取10个靶进行靶膜镀制情况对比，2008—2009年期间为原始镀膜情况，其平均靶膜厚为1.32mg／cm2，相对中子产额为36n／s；2010—2011年期间则为改进镀膜工艺后镀膜情况，其平均靶膜厚为1.15mg／cm2，相对中子产额为47.8n／s，与原始镀膜工艺相比，靶膜厚度减少了12.9%，相应的中子产额却增加了32.8%，这个结果表明采用2种不同的靶膜镀制工艺，对中子产额的影响是显著的，说明了靶膜镀制工艺在中子管制造中的重要性。采用新的靶膜镀制工艺后，可以减少靶膜厚度，减少靶膜吸附氘氚气体的总量，有利于延长中子管的使用寿命，更重要的是中子产额得到了大幅度提高。

表1 近几年2种工艺镀膜和相应中子产额情况对比

4 靶膜厚度对中子产额的影响

在选定靶材料的条件下，一定范围内靶膜厚度与中子产额成线性关系。为了确定这种关系，封接了不同厚度靶膜的中子管，在相同的测量条件下，测试了它们的相对中子产额，实测数据见表2。分析表2可知，随着靶膜厚度的增加，相对中子产额以不同的比例系数随之增长，也就是说适当增加靶膜厚度，可以提高中子管的中子产额。但是在实验中发现了另外一个问题，当靶膜厚度超过2.0mg／cm2时，中子管内部的氘氚气体消耗很快，几小时后管内的氘氚气体就不能维持中子管的正常工作。分析认为对于自成靶中子管，因为靶膜厚度的增加，达到靶饱和所需的氘氚气体量也在增加，需要氘氚气体的总量也就更多了。

表2 不同厚度靶膜的相对中子产额实测数据

由式（1）可知，中子产额不但与靶中氚浓度紧密相关，而且与氘离子射程也直接相关，除了选用高纯膜材料镀制靶膜外，膜厚也是至关重要的参数。当膜厚小于氘离子射程时，有一部分氘离子将穿透膜层，损失掉与氚发生反应的机会，影响了中子产额；当膜厚超过氘离子射程的2倍以上时，靶内深层的氚不能与氘发生核反应，既对中子产额没有贡献，同时还浪费了氚气。因此，靶膜厚度既不能太薄，又不能太厚。由于发生氘氚核反应时氘核的能量为100～150keV，而这个能量的氘核的氘离子射程为0.5mg／cm2［1］左右，基于上面的实验分析和氘离子的射程，同时考虑到氚气在靶膜中分布不均匀性及留有一定余量的靶膜深度，靶膜厚度选用在1.0～1.5mg／cm2之间较为合适。经过近2年的实际应用证明，这种膜厚度的靶应用效果非常理想。

5 结束语

靶膜材料纯度决定了靶膜吸附氚气的数量，镀制靶膜工艺决定了靶膜质量优劣，而合理的靶膜厚度决定了氘离子参与氘氚核反应的概率。因此，只有选择高纯度的靶膜材料、良好的靶膜镀制工艺和合理的靶膜厚度，中子管才能输出高的中子产额。

［1］ 朴禹伯，牛占歧，王学智，等.分析束强流中子发生器中子比产额及靶寿命［J］.原子能科学技术，1993，27（3）：194－196.

［2］ 施立群，周筑颖，赵国庆.Ti－Mo合金薄膜的储氢特性和抗氢脆能力［J］.金属学报，2000，36（5）：530.

［3］ 罗顺忠，杨本福，龙兴贵.中子发生器用氚靶的研究进展［J］.原子能科学技术，2002，36（4／5）：291－294.