CN112930018A - 一种基于多主元设计的含镁中子靶及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多主元设计的含镁中子靶及其制备方法。采用铜、钼及其合金作为衬底材料，在其表面镀制包括镁在内的三种及以上储氢材料元素作为主元的合金膜。本发明针对常用钛靶片存在的吸氢密度低、膜与衬底结合力不强以及易氢脆粉化等问题，将具有高吸氢密度的镁元素引入，利用多主元设计的鸡尾酒效应、晶格畸变效应以及高熵效应，充分发挥镁元素吸氢密度高的特性，提高吸氢靶膜整体吸氢量。并通过高温热扩散处理，增强界面结合力。本发明技术方法使中子靶在提高吸氢密度的同时具有良好的稳定性以及界面结合力，为提高中子源强以及中子靶使用寿命提供一种有效的途径。

Description

一种基于多主元设计的含镁中子靶及其制备方法

技术领域

本发明涉及中子靶制备领域，具体涉及一种适用于中子应用技术相关中子源的中子靶及其制备方法。

背景技术

核聚变能以其能量密度高、低污染及运行安全等优点，成为未来最具潜力的新型清洁能源。其中，中子学相关性能研究是实现聚变反应堆应用的关键技术之一，涉及到聚变反应堆各个环节，如氚增殖、材料中子辐照损伤以及能量传输等。因此，在聚变研究的各个阶段中，均必须通过实验验证材料及设计方案的中子学性能。在国际热核聚变实验堆(ITER)计划中，包层材料在聚变中子环境下的辐照损伤、产氚率等研究均是重点方向。强流氘氚中子源通过加速氘离子束轰击中子靶，发生氘氚聚变反应产生14.1MeV的聚变中子，与聚变反应堆的中子能量相同，可真实模拟聚变堆中子环境，开展聚变堆相关中子实验研究。

在氘氚中子源中，中子靶是直接产生中子的核心部件。由于钛具有较高的吸氢密度和稳定性，国内外目前使用的中子靶通常是在基底上镀制单一钛膜，通过钛膜吸氚获得氚钛靶。例如中国原子能科学研究院、中国工程物理研究院以及法国Soderna公司等单位采用钼基氚钛靶的形式；美国加利福尼亚大学核能工程系等单位采用无氧铜基氚钛靶的形式。

然而采用单一钛膜作为吸氢膜尚存在以下不足：

1)吸氢密度低限制了中子源强。中子靶的吸氢密度是决定中子源强的重要因素之一。钛膜作为吸氢膜，其理论氢钛比最高可达2。但由于制备工艺限制，目前多数钛靶的氢钛比低于1.5，限制了中子源强进一步提高。

2)钛膜吸氢后易出现氢脆现象，造成中子靶失效。高浓度的氢与钛反应会生成氢化钛脆性相，使钛膜力学性能恶化，甚至粉化脱落，造成靶片失效。脱落的钛粉甚至会损伤中子源装置。

3)钛膜与衬底的结合力不强。目前中子靶中钛膜的制备多采用磁控溅射方法制备，该方法钛膜与衬底之间属于机械结合，结合力相对较弱，在强应力作用下将发生钛膜与衬底分离脱落现象，影响钛靶使用。

因此如何提高中子靶吸氢密度、改善靶片稳定性及界面结合力，从而提高中子源强以及中子靶寿命和稳定性是亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明提出一种基于多主元设计的含镁中子靶及其制备方法。针对目前常用钛靶存在的吸氢密度低、膜与衬底结合力不强以及易氢脆粉化等问题，首先将具有高吸氢密度的镁元素引入吸氢靶膜，通过多主元的靶膜设计思想，利用鸡尾酒效应，充分发挥镁元素吸氢密度高的特性，提高吸氢靶膜整体吸氢密度。其次，基于多主元设计的晶格畸变效应，使靶膜中存在大量的缺陷阱，有助于氢驻留，可进一步提高靶膜吸氢量。再次，基于多主元设计的高熵效应，形成单一稳定相，解决单一镁、钛金属易氧化和氢脆的问题。最后通过高温热扩散处理，使靶膜材料与衬底之间相互扩散形成冶金结合的过度层，增强界面结合力。本发明技术方法使中子靶在提高吸氢密度的同时具有良好的稳定性以及界面结合力，为提高中子源强以及中子靶使用寿命提供一种有效的途径。

本发明的技术方案如下：

一种基于多主元设计的含镁中子靶，采用铜、钼及其合金作为中子靶衬底材料，在衬底表面镀制含镁吸氢靶膜；靶膜为包括镁在内的三种及以上储氢材料元素作为主元的合金膜，组成多主元合金膜元素包括但不限于锆、钴、钛、铝、铁、钒、铌、镍以及稀土元素。

可选的，多主元合金吸氢靶膜化学式为Mg_aCo_bTi_cFe_dNi_e，式中a、b、c、d、e分别表示对应金属元素的原子百分含量，其中15≤a≤40，5≤b≤20，10≤c≤35，15≤d≤30，5≤e≤20，且a+b+c+d+e＝100，多主元合金吸氢靶膜厚度为2-5μm。

基于多主元设计的含镁中子靶的制备方法，包含以下步骤：

S1：将衬底表面打磨平整，并依次在丙酮、酒精中超声清洗，随后在500-800℃温度下进行烧氢处理，时间为10-100min；

S2：衬底表面处理完毕后，采用磁控溅射方法在衬底表面镀制多主元合金吸氢靶膜，在惰性气体环境下，镀膜压力＜10Pa，功率＜500W。

S3：将镀膜后的靶片放置于真空加热炉中，进行高温扩散处理，高温扩散处理温度为300-1000℃，时间为30-600min，真空度小于10^-4Pa；所形成相互扩散固溶过渡层厚度为0.1-2μm；通过高温扩散处理，使主元合金吸氢靶膜与铜合金衬底相互扩散固溶，形成冶金结合的过渡层；

S4：随后对靶片进行吸氢处理，首先抽真空至5×10^-4Pa以下，将靶片加热至500-1000℃，活化30-120min；随后通入氢气至1-20kPa，进行吸氢直至饱和。

本发明的优点在于：

(1)具有高吸氢密度，有效提高中子源强。提高中子源强可有效拓宽中子源的应用范围。中子靶是氘氚中子源的关键部件之一，其吸氢密度高低直接关系到中子源强的高低。本发明将具有高等效吸氢密度的镁元素引入吸氢靶膜，通过多主元的靶膜设计思想，利用鸡尾酒效应，充分发挥镁元素等效吸氢密度高的特性(是钛的30％以上)，有效提高吸氢靶膜整体吸氢密度。同时基于多主元设计的晶格畸变效应，使靶膜中存在大量的缺陷阱，有助于氢驻留，可进一步提高靶膜吸氢量。故通过本发明提出一种基于多主元设计的含镁中子靶，有效提高靶片吸氢密度，从而提高中子源强。

(2)具有良好的稳定性，防止氢脆粉化。高浓度的氢与钛、镁等单一金属元素反应会生成金属氢化物脆性相，使吸氢膜力学性能恶化，甚至粉化脱落，造成靶片失效。更有甚者，脱落的吸氢膜粉末甚至会损伤中子源装置。本发明基于多主元设计的高熵效应，形成单一稳定相，解决单一镁、钛金属易氧化和氢脆的问题。

(3)通过高温热扩散，形成冶金结合过渡层，提高界面结合力。目前中子靶中钛膜的制备多采用磁控溅射方法制备，该方法钛膜与衬底之间属于机械结合，结合力相对较弱，在强应力作用下将发生钛膜与衬底分离脱落现象，影响钛靶使用。本发明通过高温热扩散处理，使靶膜材料与衬底之间相互扩散形成冶金结合的过度层，从而有效增强界面结合力。

具体实施方法：

下面结合实施例对本发明做进一步的说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的研究人员或者技术人员来说，在不脱离本发明构想的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

采用CrZrCu合金作为中子靶衬底材料，在衬底表面镀制多主元合金含镁吸氢靶膜，其化学式为Mg₃₅Co₁₀Ti₃₀Fe₂₀Ni₅。采用真空熔炼法将Mg₃₅Co₁₀Ti₃₀Fe₂₀Ni₅按照设计比例冶炼成型，并加工成适用于磁控溅射设备的靶材尺寸。中子靶的具体制备过程如下：

S1：将CrZrCu合金合金衬底表面打磨平整，使其表面粗糙度低于2μm；随后，依次在丙酮、酒精以及去离子水中分别超声清洗20min。

S2：将清洗后的CrZrCu合金在在700±50℃温度下进行烧氢处理，时间为30±15min；

S3：CrZrCu合金衬底表面处理完毕后，采用磁控溅射方法在铜合金衬底表面镀制多主元合金吸氢靶膜，采用直流电源模式在惰性气体环境下，镀膜压力＜0.3Pa，镀膜功率＜300W，时间＞60min，得到厚度为4-6μm多主元合金含镁吸氢靶膜。

S4：将镀膜后的靶片放置于真空加热炉中，进行高温扩散处理，高温扩散处理温度为600±50℃，时间为400±20min，真空度小于10^-4Pa；所形成相互扩散固溶过渡层厚度为0.5-1μm；通过高温扩散处理，使主元合金吸氢靶膜与铜合金衬底相互扩散固溶，形成冶金结合的过渡层；

S5：随后对靶片进行吸氢处理，首先抽真空至5×10^-4Pa以下，将靶片加热至600±50℃，活化30±5min；随后通入氢同位素气体至5kPa，直至饱和。

多主元含镁中子靶制备完成后采用热解吸谱装置(TDS)测量中子靶的吸氢量，多主元含镁中子靶较相同厚度纯钛靶片吸氢量提高了40％。同时利用压痕法测试中子靶界面结合力，结果表明，主元含镁中子靶较相同厚度纯镁靶片界面结合力提高了150％。

实施例2

采用钼作为中子靶衬底材料，在衬底表面镀制多主元合金含镁吸氢靶膜，其化学式为Mg₃₀Co₁₀Ti₃₀Fe₂₀V₁₀。采用真空熔炼法分别将MgTi、Fe₂CoV按照设计比例冶炼成型，并加工成适用于磁控溅射设备的靶材尺寸以备用。中子靶的具体制备过程如下：

S1：将钼衬底表面打磨平整，使其表面粗糙度低于1.6μm；随后，依次在丙酮、酒精以及去离子水中分别超声清洗20min。

S2：将清洗后的钼在800±50℃温度下进行烧氢处理，时间为20±5min；

S3：钼衬底表面处理完毕后，采用磁控溅射方法在铜合金衬底表面镀制多主元合金吸氢靶膜；镀膜时采用双靶头共溅射，通过调整不同靶头的溅射功率控制溅射速率，得到Mg₃₀Co₁₀Ti₃₀Fe₂₀V₁₀比例的多主元合金含镁吸氢膜；采用射频电源模式，在惰性气体环境下，镀膜压力＜3Pa，镀膜功率＜200W，时间＞60min，得到厚度为3-5μm多主元合金含镁吸氢靶膜。

S4：将镀膜后的靶片放置于真空加热炉中，进行高温扩散处理，高温扩散处理温度为1000±50℃，时间为300±20min，真空度小于10^-4Pa；所形成相互扩散固溶过渡层厚度为0.5-1μm；通过高温扩散处理，使主元合金吸氢靶膜与铜合金衬底相互扩散固溶，形成冶金结合的过渡层；

S5：随后对靶片进行吸氢处理，首先抽真空至5×10^-4Pa以下，将靶片加热至600±50℃，活化30±5min；随后通入氢同位素气体至5kPa，直至饱和。

多主元含镁中子靶制备完成后采用热解吸谱装置(TDS)测量中子靶的吸氢量，多主元含镁中子靶较相同厚度纯钛靶片吸氢量提高了20％。同时利用压痕法测试中子靶界面结合力，结果表明，主元含镁中子靶较相同厚度纯镁靶片界面结合力提高了200％。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种基于多主元设计的含镁中子靶，其特征在于采用铜、钼或其合金作为中子靶衬底材料，在衬底表面镀制含镁吸氢靶膜。

2.根据权利要求1所述及的基于多主元设计的含镁中子靶，其特征在于：所述含镁吸氢靶膜为包括镁在内的三种及以上储氢材料元素作为主元的多主元合金吸氢靶膜，组成所述多主元合金吸氢靶膜的储氢材料元素至少包括锆、钴、钛、铝、铁、钒、铌、镍以及稀土元素。

3.根据权利要求2所述及的基于多主元设计的含镁中子靶，其特征在于：所述多主元合金吸氢靶膜化学式为Mg_aCo_bTi_cFe_dNi_e，式中a、b、c、d、e分别表示对应金属元素的原子百分含量，其中15≤a≤40，5≤b≤20，10≤c≤35，15≤d≤30，5≤e≤20，且a+b+c+d+e＝100，多主元合金吸氢靶膜厚度为2-5μm。

4.权利要求1-3中任一项所述基于多主元设计的含镁中子靶的制备方法，其特征在于制备方法包含以下步骤：

S1：将衬底表面打磨平整，并依次在丙酮、酒精中超声清洗，随后在500-800℃温度下进行烧氢处理；

S2：在处理后的衬底表面镀制多主元合金吸氢靶膜，得到镀膜的靶片；

S3：将镀膜后的靶片放置于真空加热炉中，进行高温扩散处理，使主元合金吸氢靶膜与衬底相互扩散固溶，形成冶金结合的过渡层；

S4：高温扩散处理后的靶片进行活化，并吸氢同位素气体至饱和状态。

5.根据权利要求4所述的基于多主元设计的含镁中子靶的制备方法，其特征在于采用磁控溅射方法在衬底表面镀制多主元合金吸氢靶膜，在惰性气体环境下，镀膜压力＜10Pa，功率＜500W。

6.根据权利要求4所述的基于多主元设计的含镁中子靶的制备方法，其特征在于：所述高温扩散处理的温度为300-1000℃，时间为30-600min，真空度小于10^-4Pa；相互扩散固溶所形成的过渡层厚度为0.1-2μm。

7.根据权利要求4所述的基于多主元设计的含镁中子靶的制备方法，其特征在于步骤S4中靶片吸氢时，首先抽真空至5×10^-4Pa以下，将靶片加热至500-1000℃，活化30-120min；随后通入氢同位素气体至1-20kPa，直至饱和。