CN107863173B - 高能粒子降能器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高能粒子降能器件及其制备方法。降能器件为石墨基底外包覆有致密的氮化硼涂层，致密氮化硼涂层的厚度为5‑800μm；制备方法采用气相沉积法，完成步骤如下：先将石墨基底置于真空室中，再按照氨气体、氯化硼气体和氮气体的体积比为0.8‑1.2：0.8‑1.2：40‑60的比例，将三种气体混合，得到混合气体，之后，先将真空室内的温度升至500‑2000℃，再向真空室通入流量为10‑100sccm的混合气体12‑36h，制得目的产物。它的放气率远低于石墨降能器件的放气率，高能粒子束在其和石墨降能器件上的穿透性能良好，可极易于广泛地商业化应用于回旋加速器的高精度高能粒子束降能领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种降能器件及制备方法，尤其是一种高能粒子降能器件及其制备方法。
背景技术
基于回旋加速器产生的粒子束的能量固定，而在某些特定的应用场合，要求快速的改变出射粒子束的能量，因此需要在能量固定的回旋加速器的前段配置粒子降能器件。粒子降能器件的设置建立在高能粒子束与物质发生作用的原理基础上，当粒子束照射在物体上，主要通过电离和激发过程损失能量，其电离损失用电子质量碰撞阻止本领、辐射损失用质量辐射阻止本领表示，计算公式分别如下：
根据公式(1)和(2)，选择降能器件的材料时，应当尽量选择平均原子量低的材料，同时该材料还要最大限度的降低轫致辐射的发生(即降低X线的沾污)。如中国发明专利申请公开说明书CN 1331903 A于2002年1月16日公开的一种改变从加速器中引出的粒子束的能量的装置。该装置中提及的降能器件之一为其厚度可呈梯级变化的石墨块体。这种石墨块体降能器件的使用虽可在回旋加速器的输出端得到连续可调的不同能量的粒子流，却也存在着因石墨块体的内部含有大量的孔洞，致使其在真空环境中放气量较大，以及由石墨粉体压制而成的石墨降能器件在工作过程中粉体极易脱落，影响了结构的稳定性，降低了粒子降能的预期效果之不足。为解决这一问题，人们在降能的低能量侧衰减区域，选择了稳定性更好的铍材料作为粒子降能器件，以极大的提高粒子在大幅度能量衰减时的稳定性，如中国发明专利申请CN 103582915 A于2014年2月12日所公布的一种降能器及具备该降能器的带电粒子束照射系统。可是，该系统中的降能器铍材料虽然具有粒子束下稳定性好的优点，但其价格较贵，且具有毒性，因此非常难于推广应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题为克服上述各种技术方案的局限性，提供一种结构简单、实用，使用方便的高能粒子降能器件。
本发明要解决的另一个技术问题为提供一种上述高能粒子降能器件的制备方法。
为解决本发明的技术问题，所采用的技术方案为，高能粒子降能器件包括石墨基底，特别是：
所述石墨基底外包覆有致密的氮化硼涂层；
所述致密氮化硼涂层的厚度为5-800μm。
作为高能粒子降能器件的进一步改进：
优选地，致密氮化硼涂层为厚度均匀的涂层。
优选地，包覆有致密氮化硼涂层的石墨基底为成对设置的楔形——配置成相互的斜面彼此相对，或厚度呈阶梯状变化的块形。
为解决本发明的另一个技术问题，所采用的另一个技术方案为，上述高能粒子降能器件的制备方法采用气相沉积法，特别是完成步骤如下：
步骤1，先将石墨基底置于真空室中，再按照氨气体、氯化硼气体和氮气体的体积比为0.8-1.2：0.8-1.2：40-60的比例，将三种气体混合，得到混合气体；
步骤2，先将真空室内的温度升至500-2000℃，再向真空室通入流量为10-100sccm的混合气体12-36h，制得高能粒子降能器件。
作为高能粒子降能器件的制备方法的进一步改进：
优选地，气相沉积法为物理气相沉积法，或化学气相沉积法。
优选地，物理气相沉积法为电子束蒸发法，或磁控溅射法。
相对于现有技术的有益效果是：
其一，对制得的目的产物使用扫描电镜进行表征，由其结果可知，目的产物的表面为厚度均匀的致密涂层，其中，致密涂层的厚度为5-800μm。这种由石墨基底外包覆致密氮化硼涂层组装成的目的产物，既由于石墨基底具有加工性能、纯度、成本等方面的优势，极易于加工成厚度连续梯级变化的复杂结构；又因氮化硼具有类似于碳材料的平均原子质量，在与粒子束相互作用的过程中，不会增加韧致辐射的发生和粒子束透射的散射率；还由于氮化硼具有类似于石墨的密排六方结构，其涂层在石墨基底的附着力较高；更因致密涂层不仅固定住了组成石墨基底的粉体，也杜绝了石墨基底在真空环境中的放气；从而使目的产物同时具备了石墨和铍材料的优点。
其二，对石墨降能器件和制得的目的产物分别使用材料放气率测试仪和质子束回旋加速束进行表征，由其结果可知，目的产物的放气率远低于石墨降能器件的放气率，质子束在两者上的能量分布均呈现出标准的布拉格分布。
其三，制备方法简单、科学、高效。不仅制得了结构简单、实用，使用方便的目的产物——高能粒子降能器件；还使其具有了无放气现象、稳定性好和降能精度高的特点；进而使目的产物极易于广泛地商业化应用于回旋加速器的高精度高能粒子束降能领域。
附图说明
图1是本发明的一种基本结构示意图。
图2是分别对石墨降能器件和制得的目的产物使用材料放气率测试仪进行表征的结果之一。由其可看出，目的产物的放气率比石墨降能器件的放气率低三个数量级；从而可得出：目的产物能提高降能器件的工作稳定性和降能精度。
图3是分别将石墨降能器件和制得的目的产物置于瑞士PSI的质子束回旋加速束上进行表征的结果之一。由其可看出，质子束在目的产物和石墨降能器件上的能量分布曲线基本一致，均呈现出标准的布拉格分布；因此，氮化硼涂层的引入并未影响质子束的传输。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选方式作进一步详细的描述。
首先从市场购得或自行制得：
石墨基底，其中，石墨基底的形貌为楔形，或厚度呈阶梯状变化的块形；
氨气体；
氯化硼气体；
氮气体。
接着：
实施例1
制备的具体步骤为：
步骤1，先将石墨基底置于真空室中。再按照氨气体、氯化硼气体和氮气体的体积比为0.8：1.2：40的比例，将三种气体混合，得到混合气体。
步骤2，先将真空室内的温度升至500℃。再向真空室通入流量为10sccm的混合气体36h，制得如图1所示，以及如图2和图3中的曲线所示的高能粒子降能器件。
实施例2
制备的具体步骤为：
步骤1，先将石墨基底置于真空室中。再按照氨气体、氯化硼气体和氮气体的体积比为0.9：1.1：45的比例，将三种气体混合，得到混合气体。
步骤2，先将真空室内的温度升至875℃。再向真空室通入流量为32.5sccm的混合气体30h，制得如图1所示，以及如图2和图3中的曲线所示的高能粒子降能器件。
实施例3
制备的具体步骤为：
步骤1，先将石墨基底置于真空室中。再按照氨气体、氯化硼气体和氮气体的体积比为1：1：50的比例，将三种气体混合，得到混合气体。
步骤2，先将真空室内的温度升至1250℃。再向真空室通入流量为55sccm的混合气体24h，制得如图1所示，以及如图2和图3中的曲线所示的高能粒子降能器件。
实施例4
制备的具体步骤为：
步骤1，先将石墨基底置于真空室中。再按照氨气体、氯化硼气体和氮气体的体积比为1.1：0.9：55的比例，将三种气体混合，得到混合气体。
步骤2，先将真空室内的温度升至1625℃。再向真空室通入流量为87.5sccm的混合气体18h，制得如图1所示，以及如图2和图3中的曲线所示的高能粒子降能器件。
实施例5
制备的具体步骤为：
步骤1，先将石墨基底置于真空室中。再按照氨气体、氯化硼气体和氮气体的体积比为1.2：0.8：60的比例，将三种气体混合，得到混合气体。
步骤2，先将真空室内的温度升至2000℃。再向真空室通入流量为100sccm的混合气体12h，制得如图1所示，以及如图2和图3中的曲线所示的高能粒子降能器件。
也可采用气相沉积法中的物理气相沉积法或其它的化学气相沉积法——等离子体辅助化学气相沉积法来制备目的产物，其中，物理气相沉积法为电子束蒸发法，或磁控溅射法，同样能制得如图1所示，以及如图2和图3中的曲线所示的高能粒子降能器件。
显然，本领域的技术人员可以对本发明的高能粒子降能器件及其制备方法进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (6)
1.一种高能粒子降能器件，包括石墨基底，其特征在于：
所述石墨基底外包覆有致密的氮化硼涂层；
所述致密氮化硼涂层的厚度为5-800μm。
2.根据权利要求1所述的高能粒子降能器件，其特征是致密氮化硼涂层为厚度均匀的涂层。
3.根据权利要求1所述的高能粒子降能器件，其特征是包覆有致密氮化硼涂层的石墨基底为成对设置的楔形，或厚度呈阶梯状变化的块形。
4.一种权利要求1所述高能粒子降能器件的制备方法，采用气相沉积法，其特征在于完成步骤如下：
步骤1，先将石墨基底置于真空室中，再按照氨气体、氯化硼气体和氮气体的体积比为0.8-1.2：0.8-1.2：40-60的比例，将三种气体混合，得到混合气体；
步骤2，先将真空室内的温度升至500-2000℃，再向真空室通入流量为10-100sccm的混合气体12-36h，制得高能粒子降能器件。
5.根据权利要求4所述的高能粒子降能器件的制备方法，其特征是气相沉积法为物理气相沉积法，或化学气相沉积法。
6.根据权利要求5所述的高能粒子降能器件的制备方法，其特征是物理气相沉积法为电子束蒸发法，或磁控溅射法。
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