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)生氘氚核反應而產生中子。靶膜質量的好壞，直接影響到中子管中子產額的高低。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 靶結構及靶材料選用

中子管靶結構是由靶基和靶膜2部分組成（見圖1）。靶基結構是圓柱形，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的氚發(fā)生核反應D＋T→42He＋10n＋17.6MeV，而產生14.1MeV的單色快中子。

2 靶膜材料對中子產額的影響

T（d，n）4He反應在靶上產生的中子產額表達式為［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為中子產額。

式（1）表明，中子產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，從而提高中子產額。同時在Ti膜表面鍍一層幾納米的Ni膜能在一定范圍內有效阻止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產生大量裂紋，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金屬靶膜。

3 靶膜鍍制工藝對中子產額的影響

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，產生的中子就少，兩者都將導致中子產額降低。

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%，相應的中子產額卻增加了32.8%，這個結果表明采用2種不同的靶膜鍍制工藝，對中子產額的影響是顯著的，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額情況對比

4 靶膜厚度對中子產額的影響

在選定靶材料的條件下，一定范圍內靶膜厚度與中子產額成線性關系。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，中子管內部的氘氚氣體消耗很快，幾小時后管內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額實測數(shù)據(jù)

由式（1）可知，中子產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，影響了中子產額；當膜厚超過氘離子射程的2倍以上時，靶內深層的氚不能與氘發(fā)生核反應，既對中子產額沒有貢獻，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.