CN109119179A - 一种新型亚微米级放射性薄膜源及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型亚微米级放射性薄膜源及其制备方法，属于薄膜制备技术领域。所述薄膜源由石墨烯层和亚微米级放射性薄膜组成，亚微米级放射性薄膜沉积附着在石墨烯层表面；所述的亚微米级放射性薄膜中放射性物质为含β放射性同位素或α放射性同位素的单质、化合物或混合物。所述方法步骤如下：首先在衬底材料上沉积石墨烯，然后在石墨烯层上沉积制备亚微米级放射性薄膜，之后将衬底材料置于衬底溶解液中，溶解衬底材料，最后冲洗，干燥后得到。所述薄膜源满足自支撑薄膜的使用要求且不影响放射源性能。本发明所述的制备方法简单，极大促进亚微米级薄膜放射源的应用范围。

Description

一种新型亚微米级放射性薄膜源及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种新型亚微米级放射性薄膜源及其制备方法，属于薄膜制备技术领域。

背景技术

放射性薄膜源作为实验的核靶、气体靶薄窗及各种放射性源等，在核物理实验及核能领域中有着广泛地应用。特别地，随着同位素核电池技术的迅速发展，作为其核心的放射性同位素源微型化也备受关注。

亚微米放射性薄膜源，顾名思义放射性核素源的膜层厚度小于1μm，在同位素电池中作为能量源能最大限度地降低放射源薄膜对衰变粒子的自吸收效应。对于同位素电池中使用的放射同位素薄膜源来说，薄膜源会尽量采用双面发射结构，要求无衬底或衬底材料尽可能薄，而且机械性能良好，能保证同位素电池长期稳定运行。满足这些要求的亚微米放射性薄膜源可增大放射源的能量转换效率，提高放射性核素的利用率。

对于亚微米级薄膜来说，制备无衬底的自支撑薄膜，采用物理方法或化学方法均较难实现。物理机械方法将亚微米级薄膜从衬底上剥离下来几乎不太可能，而利用溶解衬底的化学方法，即使亚微米级薄膜能完整脱附下来，由于溶液表面具有内禀张力，薄膜很容易被破坏。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于一种新型亚微米级放射性薄膜源及其制备方法，所述薄膜源可降低放射源对衰变粒子的自吸收效应，提高了放射源的利用率，增强了亚微米级放射性薄膜源的机械性能，促进了亚微米级放射性薄膜源的应用范围领域，所述方法操作简单。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下。

一种新型亚微米级放射性薄膜源，所述薄膜源由石墨烯层和亚微米级放射性薄膜组成，亚微米级放射性薄膜沉积附着在石墨烯层表面；所述亚微米级放射性薄膜中放射性物质为含β放射性同位素或α放射性同位素的单质、化合物或混合物。

优选的，所述β放射性同位素为³H、⁶³Ni、⁹⁰Sr、¹³⁷Cs、¹⁴⁴Ce或¹⁴⁷Pm；α放射性同位素为²¹⁰Po、²²⁶Ra、²³⁸Pu、²⁴¹Am或²⁴⁴Cm。

优选的，所述的亚微米级放射性薄膜厚度为100～1000nm，薄膜面积为1～100cm²。

优选的，所述的石墨烯层厚度为0.3～20nm。

本发明所述的一种新型亚微米级放射性薄膜源的制备方法，所述方法步骤如下：

A：采用薄膜沉积制备方法在衬底材料上沉积石墨烯层，得到沉积有石墨烯层的衬底材料；所述衬底材料为本领域中常规可用于沉积石墨烯的材料；

B：采用薄膜沉积制备方法在步骤A中得到的衬底材料的石墨烯层上沉积制备亚微米级放射性薄膜，得到沉积有亚微米级放射性薄膜和石墨烯层的衬底材料；

C：将步骤B中得到的衬底材料置于衬底溶解液中，溶解衬底材料，得到溶解衬底后的材料；所述衬底溶解液为本领域中常规可用于溶解衬底材料的溶液；

D：将步骤C中溶解衬底后的材料，漂洗，干燥后得到一种新型亚微米级放射性薄膜源。

优选的，所述薄膜沉积制备方法为物理气相沉积法、化学沉积法或化学气相沉积方法。

优选的，物理气相沉积法为磁控溅射或电子束蒸发，化学沉积法为电镀或化学镀。

优选的，步骤D中将溶解衬底后的材料放入用去离子水稀释5-10倍的衬底溶解液中漂洗1～5次后再置于去离子水中漂洗。

有益效果：

本发明所述的一种新型亚微米级放射性薄膜源，充分利用了亚微米级薄膜能最大限度地减小源对衰变粒子的自吸收效应，提高放射源利用率；石墨烯作为已知强度最高的材料之一，具有优良的导电性能(导电率与铜相近)和力学性能(单层石墨烯的抗拉强度是同等厚度钢片的100倍)，单层石墨烯厚度仅为0.3nm左右，即使采用多层石墨烯，其厚度也仅为nm量级，选用石墨烯作为放射性薄膜源的支撑材料不仅可以忽略其对放射源的自吸收效应，而且还能有效地增强放射性薄膜源的机械强度，满足自支撑薄膜的使用要求的同时又不影响放射源性能。本发明所述的制备方法简单，极大促进亚微米级薄膜放射源的应用范围。

附图说明

说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为一种新型亚微米级放射性薄膜源的制备方法流程图。

1-亚微米级放射性薄膜；2-石墨烯层；3-衬底材料；4-容器；5-衬底溶解液。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例只是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明提供的技术方案及所给出的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

一种新型亚微米级放射性薄膜源的制备方法，所述方法步骤如下，其流程如图1所示：

A：选用合适的衬底材料3：铜箔(压延无氧铜，厚度0.05mm，纯度99.95％，表面抛光)，在衬底材料3上采用化学气相沉积法(CVD)生长制备石墨烯层2：将需要生长石墨烯的铜箔分别在丙酮、乙醇、去离子水中超声清洗10min，然后用质量分数为25％的盐酸超声清洗10min，最后用去离子水超声清洗铜箔三次，每次5min。将清洗后的铜箔放置于CVD管式炉内，在氢氩混合气(体积比H₂:Ar＝1:9)，流速100sccm(mL/min)下升温至1000℃，保持温度和气体流量不变,退火30min，随后通入5sccm乙炔，30min后，关闭乙炔，在氢氩混合气氛下降温至室温，即成功实现在铜箔基底表面上制备石墨烯层。石墨烯层总层数10层，总厚度约为4nm；

B：采用电镀的方法在步骤A中得到的衬底材料3的石墨烯层2上沉积制备亚微米级放射性薄膜1：亚微米级放射性⁶³Ni薄膜的制备采用电化学工作站进行，电镀液配方为20g/L氯化镍+5g/L硼酸+10g/L硫酸钾混合溶液，pH值约为3左右。将生长有石墨烯薄膜的铜基底用电极夹夹持作为阴极，对阴极为2×2cm²的铂片电极，两极间距约1cm，采用恒流源模式(电流密度25mA/cm²)进行电镀亚微米级放射性⁶³Ni薄膜。60s后，取出样品，经去离子水冲洗后再自然环境下干燥，即可以利用电镀法在生长有石墨烯薄膜的铜基底上成功制备均匀光亮的亚微米级放射性⁶³Ni薄膜。亚微米级放射性薄膜1厚度约150nm；

C：将步骤B中沉积有亚微米级放射性薄膜1和石墨烯层2的衬底材料3置于装有衬底溶解液5的容器4中，数小时后，衬底材料3溶解。衬底溶解液5为三氯醋酸铵溶解液，配比为：三氯乙酸：氨水：去离子水＝1g：5mL：10mL；

D：将步骤C中衬底溶解后的由石墨烯层2和亚微米级放射性薄膜1组成的材料打捞起来，放入去离子水稀释了5倍的三氯醋酸铵溶解液中漂洗2次后再置于去离子水中漂洗，晾干后即得到一种新型亚微米级放射性薄膜源。

测量得到，所述新型亚微米级放射性薄膜源中亚微米级放射性薄膜1的厚度为130nm，面积为15cm²，所述新型亚微米级放射性薄膜源经过300℃高温加热退火后，通过万能材料试验机测试得到所述薄膜源的延伸率大于10％，表明其机械性能可达到一般自支撑薄膜使用要求。

实施例2

一种新型亚微米级放射性薄膜源的制备方法，所述方法步骤如下：

A：选用合适的衬底材料3：铝箔(铝箔厚度0.05mm，纯度大于99.9％，表面抛光)，在衬底材料3上采用化学气相沉积法(CVD)生长制备石墨烯层2：将需要生长石墨烯的铝箔分别在丙酮、乙醇、去离子水中超声清洗10min，然后用质量分数为25％的盐酸超声清洗10min，最后用去离子水超声清洗铝箔三次，每次5min。将清洗后的铝箔放置于CVD管式炉内，在氢氩混合气(体积比H₂:Ar＝1:9)，流速100sccm(mL/min)下升温至1000℃，保持温度和气体流量不变,退火30min，随后通入5sccm乙炔，30min后，关闭乙炔，在氢氩混合气氛下降温至室温，即成功实现在铝箔基底表面上制备石墨烯层。石墨烯层总层数20层，总厚度约为8nm；

B：采用电镀的方法在步骤A中得到的衬底材料3的石墨烯层2上沉积制备亚微米级放射性薄膜1：亚微米级放射性⁶³Ni薄膜的制备采用电化学工作站进行，电镀液配方为30g/L氯化镍+5g/L硼酸+10g/L硫酸钾混合溶液，pH值约为3左右。将生长有石墨烯薄膜的铜基底用电极夹夹持作为阴极，对阴极为2×2cm²的铂片电极，两极间距约1cm，采用恒电压模式(电压设置3V)进行电镀⁶³Ni薄膜。100s后，取出样品，经去离子水冲洗后再自然环境下干燥，即可以在生长有石墨烯薄膜的铝箔基底上成功制备均匀光亮的亚微米级放射性⁶³Ni薄膜，亚微米级放射性薄膜1厚度约200nm；

C：将步骤B中沉积有亚微米级放射性薄膜1和石墨烯层2的衬底材料3置于装有衬底溶解液5的容器4中，大约2-3小时后，衬底材料3溶解；衬底溶解液5为氢氧化钠溶解液，浓度为3mol/L；

D：将步骤C中衬底溶解后的由石墨烯层2和亚微米级放射性薄膜1组成的材料打捞起来，放入去离子水稀释了10倍的氢氧化钠溶解液中漂洗1次后再置于去离子水中漂洗，晾干后即得到一种新型亚微米级放射性薄膜源。

测量得到，所述新型亚微米级放射性薄膜源中亚微米级放射性薄膜1的厚度为200nm，面积为15cm²，所述新型亚微米级放射性薄膜源经过300℃高温加热退火后，通过万能材料试验机测试得到所述薄膜源的延伸率大于15％，表明其机械性能可达到一般自支撑薄膜使用要求。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种新型亚微米级放射性薄膜源，其特征在于：所述薄膜源由石墨烯层(2)和亚微米级放射性薄膜(1)组成，亚微米级放射性薄膜(1)沉积附着在石墨烯层(2)表面；所述亚微米级放射性薄膜(1)中放射性物质为含β放射性同位素或α放射性同位素的单质、化合物或混合物。

2.如权利要求1所述的一种新型亚微米级放射性薄膜源，其特征在于：所述β放射性同位素为³H、⁶³Ni、⁹⁰Sr、¹³⁷Cs、¹⁴⁴Ce或¹⁴⁷Pm；所述α放射性同位素为²¹⁰Po、²²⁶Ra、²³⁸Pu、²⁴¹Am或²⁴⁴Cm。

3.如权利要求1所述的一种新型亚微米级放射性薄膜源，其特征在于：所述的亚微米级放射性薄膜(1)厚度为100～1000nm，薄膜面积为1～100cm²。

4.如权利要求1所述的一种新型亚微米级放射性薄膜源，其特征在于：所述的石墨烯层(2)厚度为0.3～20nm。

5.一种如权利要求1～4任意一项所述的新型亚微米级放射性薄膜源的制备方法，其特征在于：所述方法步骤如下：

A：采用薄膜沉积制备方法在衬底材料(3)上沉积石墨烯层(2)，得到沉积有石墨烯层(2)的衬底材料(3)；

B：采用薄膜沉积制备方法在步骤A中得到的衬底材料(3)的石墨烯层(2)上沉积制备亚微米级放射性薄膜(1)，得到沉积有亚微米级放射性薄膜(1)和石墨烯层(2)的衬底材料；

C：将步骤B中得到的衬底材料置于衬底溶解液(5)中，溶解衬底材料(3)，得到溶解衬底后的材料；

D：将步骤C中溶解衬底后的材料，漂洗，干燥后得到一种新型亚微米级放射性薄膜源。

6.如权利要求5所述的一种新型亚微米级放射性薄膜源的制备方法，其特征在于：所述薄膜沉积制备方法为物理气相沉积法、化学沉积法或化学气相沉积方法。

7.如权利要求6所述的一种新型亚微米级放射性薄膜源的制备方法，其特征在于：物理气相沉积法为磁控溅射或电子束蒸发，化学沉积法为电镀或化学镀。

8.如权利要求5所述的一种新型亚微米级放射性薄膜源的制备方法，其特征在于：步骤D中将溶解衬底后的材料放入用去离子水稀释5～10倍的衬底溶解液(5)中漂洗1～5次后再置于去离子水中漂洗。