CN111479377A - 一种d-d中子管靶膜保护层 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种D‑D中子管靶膜保护层，包括以下步骤：第一，制备氘代乙炔，选用碳化钙与重水反应制取氘代乙炔。第二，制备氘气，采取电解重水制取氘气，所用的电解池为石英玻璃制作的，电极为铂金制作。第三，制备氘代聚乙烯，选择催化剂催化氘代乙炔加氘气反应，使反应停留在生产氘代乙烯的阶段。加入引发剂，使氘代乙烯发生聚合反应生产氘代聚乙烯。第四，制备氘代聚乙烯靶膜，用溶液蒸发法制备氘代聚乙烯靶膜。第五，使用真空蒸镀技术为氘代聚乙烯靶膜镀氮化硼保护层，厚度为0.25μm。本发明通过选择合适的中子管靶膜保护层材料，即氮化硼，有效的解决了氘代聚乙烯靶中子产额高，但寿命短的问题。

Description

一种D-D中子管靶膜保护层
技术领域
本发明属于氘靶制备领域，具体涉及一种适用于中子管、中子发生器靶膜保护层的制备。
背景技术
中子管应用广泛，可用于原子核物理、中子物理、反应堆物理、放射化学和放射医学等基础科学研究，中子测量和防护材料的实验研究，中子辐照生物效应和中子医疗诊断等研究试验工作。也可直接用于工农业生产，例如中子探矿、中子测井、中子辐照养蝉、反应堆点火，也可开展中子水分测量和活化分析等试验研究工作。
中子管是一种小型加速器中子源，它把离子源、加速系统、靶、气压调节系统密封在一个陶瓷管内，构成一支结构紧凑的电真空器件。中子管的中子产额和寿命受靶性能影响。
中子管实际运行中，很多因素会影响中子产额。在离子束的轰击下，靶表面逐渐形成氧化物，氧化层随束流强度变大而更致密，氧化层越厚中子产额越低。离子能量不断沉积，靶表面发生烧蚀，导致靶升温释放氚气，原子比和中子产额下降；离子源发射的束流中存在杂质离子，损坏靶也会降低中子产额。靶膜在中子管内部用来储存氘气气，它也是发生氘氘核反应的界面，其制作工艺、材料、厚度等因素直接决定中子管产额和寿命。目前吸氢靶膜材料有钛、锆、钪等元素，钛是迄今为止发现的吸氢密度最高的单质金属料，用钛金属制靶利于靶膜吸附更多氚气或氘气，增加氘氘核反应概率，进而提高中子产额，是理想的中子管靶膜材料。单质钛作中子管薄膜材料不可避免地存在材料性能引起的固有缺陷，如钛吸氢后塑性、柔韧性及抗拉强度大大下降，出现氢脆现象，甚至在体内产生大量裂纹，影响使用。纯钛靶抗溅射性能不理想，C+、N+、O+等杂质离子降低氢在膜表面的吸附几率，并影响薄膜体内的氢分布，不易满足长寿命、高产额的要求。
国内外学者采用在钛靶膜上镀保护层，如钯、镍、钛，防止薄膜氧化和杂质离子污染，提高钛膜吸氢能力。向钛中掺杂其他金属，可以改善金属单质的性能，具有良好的塑性。但也存在一些缺陷，钯膜的原子质量越大，阻止能力越强，能量损失越大，造成中子产额下降。
对于氘代聚乙烯靶膜，吸氘比大，能量损失小，是良好的靶膜材料，然而氘代聚乙烯熔点低，造成靶膜融化，中子管寿命短。
发明内容
针对目前现有技术存在的缺陷，本发明提出了一种新的靶膜保护层材料，选择合适的中子管靶膜保护层材料，降低高原子序数材料带来的能量损失，增加中子产额。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案实施:提供一种中子管靶材料。包括以下步骤：
(1)制备氘代乙炔。
在步骤(1)中，选用碳化钙与重水反应制取氘代乙炔，实验装置使用广口瓶和分液漏斗。并使用硫酸铜除去杂质，用向下排空气法收集氘代乙炔。
(2)制备氘气。
在步骤(2)中，采取电解重水制取氘气，所用的电解池为石英玻璃制作的，电极为铂金制作，并用精馏的方法分离提纯氘气。
(3)制备氘代聚乙烯。
在步骤(3)中，选择催化剂催化氘代乙炔加氘气反应，使反应停留在生产氘代乙烯的阶段，所述催化剂为金属钯与银形成的合金催化剂负载在载体二氧化钛上。加入引发剂，使氘代乙烯发生聚合反应生产氘代聚乙烯。
(4)制备氘代聚乙烯靶膜。
在步骤(4)中，用溶液蒸发法制备氘代聚乙烯靶膜，所述溶液蒸发法的原理是将氘代聚乙烯溶解在二甲苯中，然后在漫长的蒸发过程中重新聚合成为氘代聚乙烯膜。将氘代聚乙烯和二甲苯放在烧杯中，然后将此烧杯加热到二甲苯的沸点，所述二甲苯的沸点为140摄氏度，加热所用的仪器为带有搅拌器的加热炉。为使氘代聚乙烯充分溶解，将溶液保持沸腾状态6分钟。进一步将沸腾的二甲苯溶液倒在处理好的玻璃片上，使二甲苯缓慢蒸发，形成氘代聚乙烯膜。进一步，将上述带有氘代聚乙烯膜的玻璃片放在烘箱中，使氘代聚乙烯膜充分融合。进一步，将上述玻璃片慢慢的插入到去离子水中，便可获得氘代聚乙烯靶膜。最后控制氘代聚乙烯靶膜的厚度为0.23μm。
(5)镀膜
采用真空蒸镀技术镀膜，在氘代聚乙烯靶上镀氮化硼保护层，氮化硼膜厚0.25μm，所述厚度0.25μm为最佳靶膜保护层厚度，既保证了中子管的高产额，又提高了中子管的寿命，当靶膜保护层厚度低于0.25μm时，中子管产额高，但中子管寿命短，靶膜保护层厚度高于025μm时，虽然中子管寿命显著提升，但是中子产额大幅度下降，因此，靶膜保护层厚度为0.25μm，保证了中子管高产额的同时，提高了氘代聚乙烯靶的中子管的寿命。
本发明的有益效果在于：本发明通过选择合适的中子管靶膜保护层材料，即氮化硼保护层，提高了氘代聚乙烯靶的中子管的寿命。氘代聚乙烯靶膜，提高了氢化物原子比，解决了有些金属氢原子比高但阻止本领高，导致总体中子产额降低，例如钍的氢原子比可达到3.75。而参杂金属原子的钛膜阻止本领小但氢原子比低。中子产生效率主要取决于靶材阻止本领和氢原子比。靶膜元素的原子质量越大，物质的阻止本领越高，能量损失越大。氮化硼保护层解决了氘代聚乙烯靶膜熔点低，中子管寿命短的缺点，本发明所用的厚度为0.25μm的氮化硼保护层，在保证了氘代聚乙烯靶膜的高产额，延长了中子管的使用寿命。本发明提出的氮化硼靶膜保护层，在其厚度为0.25μm，氘代聚乙烯靶中子管理论中子产额为1.2×108n/s。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进一步做出详细的描述。
应用于D-D中子管靶膜保护层的设计：首先，使用碳化钙与重水反应制取氘代乙炔，因反应放出大量的热，容易发生爆炸，所以使用分液漏斗逐滴滴加，可使反应平稳进行。乙炔发生装置用广口瓶或者烧瓶与插有分液漏斗及直角导气管的双孔塞组成.检查装置的气密性良好后把几块电石放入烧瓶，从分液漏斗滴加重水即产生氘代乙炔。烧瓶口要放棉花，以防止泡沫溢出，电石中含有少量钙的硫化物和磷化物，致使生成物中含有硫化氢、磷化氢等，使用硫酸铜溶液除杂，尾气用点燃的方法处理，收集乙炔时，用排硫酸铜溶液的方法，因为乙炔和空气密度接近，所以不适用排空气法收集。
在制备氘气时，使用电解重水的方法，所用的电解池为石英玻璃制作的，电极为铂金制作，电解得到的氘气含有杂质如H2、HD，因为D2、HD、H2三者的沸点相差不大，所以用精馏的方法分离提纯氘气。然后使用催化剂催化氘代乙炔与氘气的加成反应，使反应停留在生产氘代乙烯的阶段，所用的催化剂为金属钯与银形成的合金催化剂负载在载体二氧化钛上，乙炔加氢生成乙烯的程度取决于三个因素：金属催化剂对乙烯的加氢活性，催化剂对乙烯的吸附程度和催化剂使加氢停留在乙烯阶段的选择性。钯催化剂具有很大的活性和优良的选择性，通过添加金属银，优化负载型钯金属催化剂的选择加氢催化活性，以达到提高乙烯选择性和收率的目的。然后加入引发剂，使氘代乙烯发生聚合反应生产氘代聚乙烯。
将上述制备的氘代聚乙烯用溶液蒸发法制成氘代聚乙烯靶膜。所述溶液蒸发法的原理是将氘代聚乙烯溶解在二甲苯中，然后在漫长的蒸发过程中重新聚合成为氘代聚乙烯膜。将氘代聚乙烯和二甲苯放在烧杯中，然后将此烧杯加热到二甲苯的沸点，所述二甲苯的沸点为140摄氏度，加热所用的仪器为带有搅拌器的加热炉。,为使氘代聚乙烯充分溶解，将溶液保持沸腾状态6分钟。进一步将沸腾的二甲苯溶液倒在处理好的玻璃片上，让它均匀散开后,用一只玻璃培养皿扣住,使二甲苯缓慢蒸发，15min后形成氘代聚乙烯膜。进一步，将上述带有氘代聚乙烯膜的玻璃片放在烘箱中，在110℃下烘烤20min,使氘代聚乙烯膜充分融合。进一步，将上述玻璃片慢慢的插入到去离子水中，便可获得氘代聚乙烯靶膜。最后，氘代聚乙烯靶膜的厚度为0.23μm。最后，使用真空蒸镀技术为氘代聚乙烯靶膜镀氮化硼保护层，保护层厚度为0.25μm。

Claims (2)

1.一种D-D中子管靶膜保护层，其特征在于：中子管所用的靶膜材料为氘代聚乙烯，保护层材料为氮化硼。
2.根据权利要求1所述的一种D-D中子管靶膜保护层，其特征在于：氮化硼保护层厚度为0.23μm。
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