CN113823433B - 一种中子源锂靶及其制备方法和车载加速器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种中子源锂靶及其制备方法和车载加速器，中子源锂靶包括衬底和设置于衬底上的锂靶，锂靶包括锂样品和包覆于锂样品表面的金属膜，金属膜采用金膜、铂膜、银膜或者钯膜。本发明中金属将锂样品包覆后，这将极大防止锂样品被反应性气体腐蚀而变质，稳定性好，能够延长锂靶的使用寿命。这样在将锂靶设置于衬底上时不用担心锂样品的腐蚀问题，极大地降低了锂样品与衬底的装配难度，并且能够有效的避免如现有技术中锂样品与衬底装配时锂样品极易氧化的问题。金、铂、银或者钯薄膜在质子轰击锂靶下对中子产额和能谱分布的影响很低，保证了本发明中子源锂靶的使用性能。
Description
技术领域
本发明属于中子源领域，具体涉及一种中子源锂靶及其制备方法和车载加速器。
背景技术
靶系统是车载加速器中子源的关键部件之一。考虑到中子产额和放射性辐射等问题，采用直线加速器加速质子轰击锂靶或者铍靶是最合适用于小型加速器中子源。对于车载加速器中子源，由于受重量和体积及辐射屏蔽要求高的限制，质子直线加速器必须控制在很低的能量级(比如3.5MeV以下)。在该低能范围内，锂靶的中子产额至少是铍靶的2.5倍以上。其中，7Li(p,n)7Be的反应阈能较低，为1.88MeV。对于能量在7MeV以下的质子束，锂靶比铍靶具有更高的中子产额。但是锂是一种化学性质非常活泼的金属，常温下能迅速与空气中的H2O、N2、CO2等发生发应，这为锂靶的保存、运输和更换等带来了一定的难度。锂的熔点是180.6℃，锂靶在质子束流轰击下会产生大量热，可能导致锂熔化和锂蒸气的扩散。同时，锂靶在工作过程中会产生半衰期为53.4天的放射性核素Be-7，给妥善处理废靶的工作带来了难度和挑战。特别是固态锂靶暴露在外可能在生产、存放过程中被空气氧化腐蚀，引起锂层脱落、产额降低等后果。目前锂靶在加工和使用过程中，需要大型的手套箱与镀膜装置相匹配，锂靶在制备过程中，不能与H2O、N2、CO2等接触，这无疑大大增加了系统的成本和复杂性。比如，锂靶通常需要采用热等静压等方法固定在衬底上，但是在锂靶的转移过程中，为了降低反应性气体对锂靶的影响，常常需要在热等静压设备与镀膜设备之间设置真空连接设备，这大大增加了系统的复杂性和成本。
综上，锂靶存在高化学活泼性、低熔点的问题。因此，在锂靶的加工、制备、安装和工作过程中，需要解决锂靶的稳定性问题，降低氧化反应概率。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种中子源锂靶及其制备方法和车载加速器，本发明中子源锂靶稳定性好、制备过程简便并且能够有效避免金属锂发生氧化。
本发明采用的技术方案如下：
一种中子源锂靶，包括衬底和设置于所述衬底上的锂靶，所述锂靶包括锂样品和包覆于锂样品表面的金属膜，所述金属膜采用金膜、铂膜、银膜或者钯膜。
优选的，所述金属膜的厚度为2～3000nm。
优选的，所述衬底的内部设有冷却通道。
本发明还提供了一种车载加速器，包括中子源，所述中子源的靶系统采用的锂靶为本发明如上所述的中子源锂靶。
本发明如上所述中子源锂靶的制备方法，包括如下过程：
在锂样品的表面制备金属膜，金属膜包覆于锂样品的表面，所述金属膜采用金膜、铂膜、银膜或者钯膜；
将表面具有金属膜的锂样品装配于衬底上，得到所述中子源锂靶。
优选的，在锂样品的表面制备金属膜时，在惰性气体氛围中，在锂样品的表面沉积金膜、铂膜、银膜或者钯膜。
优选的，所述惰性气体采用氩气和氪气中的一种或两种的混合气体。
优选的，将表面具有金属膜的锂样品通过热等静压的方法压制于衬底上。
本发明具有如下有益效果：
本发明的中子源锂靶中，锂样品表面包覆有金属膜，金属膜采用金膜、铂膜、银膜或者钯膜，金或者铂、银或者钯化学稳定性好，能够有效隔绝空气，降低锂靶的氧化；因此本发明中金膜、铂膜、银膜或者钯膜将锂样品包覆后，这将极大防止锂样品被反应性气体腐蚀而变质，稳定性好，能够延长锂靶的使用寿命。这样在将锂靶设置于衬底上时不用担心锂样品的腐蚀问题，极大地降低了锂样品与衬底的装配难度，并且能够有效的避免如现有技术中锂样品与衬底装配时锂样品极易氧化的问题。此外，金、铂、银或者钯的熔点高，热传导系数高，能够经受质子束轰击时所产生的热冲击，因此金、铂、银或者钯薄膜在质子轰击锂靶下对中子产额和能谱分布的影响很低，保证了本发明中子源锂靶的使用性能。综上，本发明中子源锂靶稳定性好、制备过程简便并且能够有效避免金属锂发生氧化。
附图说明
图1为本发明在制备锂靶时采用的预处理系统；
图2为本发明实施例中涂层(即金属膜)对锂靶中子产额的影响建模模型；
图3为本发明实施例中镀有不同厚度金涂层的锂靶中子产额计算结果；
图4(a)-图4(c)分别为本发明实施例中质子在金、铂和钯膜中的能量损失；
图5为本发明中子源锂靶的结构示意图。
图中，1-真空靶室，2-抽气系统，3-电源控制系统，4-样品制备区，5-惰性气体箱，6-锂样品，7-记录卡，8-质子束，9-金属膜，10-衬底，11-冷却通道。
具体实施方式
下面结合附图和实施例来对本发明做进一步的说明。
参照图5，本发明中子源锂靶包括衬底10和设置于所述衬底10上的锂靶，所述锂靶包括锂样品6和包覆于锂样品6表面的金属膜9，所述金属膜9采用金膜、铂膜、银膜或者钯膜。
作为本发明优选的实施方案，所述金属膜9的厚度为2～3000nm，在该厚度下，金属膜9对锂靶中子产额的影响甚微，使得本发明中子源锂靶满足使用要求。
作为本发明优选的实施方案，所述衬底10的内部设有冷却通道11，冷却通道11中可以通入冷却剂，确保本发明中子源锂靶在使用时处在合适的温度范围，保证本发明中子源锂靶结构的稳定。
本发明还提供了一种车载加速器，包括中子源，所述中子源的靶系统采用的锂靶为本发明如上所述的中子源锂靶。
本发明如上所述中子源锂靶的制备方法，包括如下过程：
在锂样品6的表面制备金属膜9，金属膜9包覆于锂样品6的表面，所述金属膜9采用金膜、铂膜、银膜或者钯膜；
将表面具有金属膜9的锂样品6装配于衬底10上，得到所述中子源锂靶。
作为本发明优选的实施方案，在锂样品6的表面制备金属膜9时，在惰性气体氛围中，在锂样品6的表面沉积金膜、铂膜、银膜或者钯膜。
作为本发明优选的实施方案，所述惰性气体采用氩气、氪气等不与锂金属发生反应的惰性气体。
作为本发明优选的实施方案，将表面具有金属膜9的锂样品6通过热等静压的方法压制于衬底10上。
实施例
如图5所示，本实施例的中子源锂靶包括衬底10和设置于所述衬底10上的锂靶，所述锂靶包括锂样品6和包覆于锂样品6表面的金属膜9，衬底10的内部设有冷却通道11。
本实施例中子源锂靶的制备过程包括：首先通过如图1所示的预处理系统，将金、铂或钯金属在氩气、氪气等不与锂金属发生反应的惰性气体氛围中沉积在锂样品6表面，在锂样品6的表面形成一层金属膜9，最终锂样品6的全表面被金膜、铂膜或钯膜这些惰性金属包裹起来，这将极大防止锂样品6被反应性气体腐蚀而变质。将预处理之后的锂样品6(即表面包覆有金属膜9的锂样品)通过热等静压的方法压制在带有冷却通道11的衬底10的表面，如此制备的锂靶系统在转移至中子源设备上时，可以极大防止锂靶被腐蚀，从而提高了锂靶的使用寿命。同时，该方案成本低；氢鼓泡阈值高，可以有效降低氢脆发生的概率；金、铂、银或者钯的熔点高，热传导系数高，能够经受质子束轰击时所产生的热冲击；金、铂、银或者钯薄膜在质子轰击锂靶下对中子产额和能谱分布的影响很低。
具体的：
如图1所示，本发明采用的锂靶预处理系统包括真空靶室1、抽气系统2、电源控制系统3和惰性气体箱5，惰性气体箱5中具有样品制备区4，在对锂样品6进行预处理时，将其置于样品制备区4，并利用真空靶室1在锂样品6的表面制备金属膜9。为了降低锂靶的反应概率，锂靶表面镀金、铂或钯膜需要在氩气、氪气等惰性气体环境中进行。为了便于后期对锂靶进行加工，可对锂靶的全表面进行镀膜。
考虑到锂靶全表面都镀了金、铂或钯涂层，因此模拟了两面分别喷2nm、5nm、100nm和不喷金的锂靶中子产额。模拟所用的参数为：入射质子能量为2.5MeV，入射质子束流强为1mA，模型如图2所示。每1mA的中子产额如图3所示。
由图3可知，当入射质子能量为2.8MeV时，当中子能量为1.2MeV时，未镀金的锂靶的产额为5.0×1010，当锂样品全表面的金涂层分别为2nm、5nm和100nm时，锂靶的中子产额分别为4.35×1010，4.26×1010，4.09×1010n s-1。也就是说随着金属膜厚度的增加，锂靶的中子产额呈缓慢下降的趋势。2nm-3000nm的金涂层对锂靶中子产额的影响甚微。
由图4(a)-图4(c)可知，当金膜和铂膜的厚度从0nm增加至900nm，能量为2.5MeV和2.8MeV的质子能量损失从0eV增加至550eV左右。这表明金膜或者铂膜对质子能量的影响非常小，基本可以忽略，这也表明金属膜对中子产额的影响甚小。也就是说这种全表面金膜、铂膜、银膜或钯膜的预处理新方案，具有对锂靶中子产额影响小的优点。
综上可以看出，本发明方案的特点是：成本低；氢鼓泡阈值高，可以有效降低氢脆发生的概率；金、铂、银或者钯的熔点高，热传导系数高，能够经受质子束轰击时所产生的热冲击；金、铂、银或者钯薄膜在质子轰击锂靶下对中子产额和能谱分布的影响很低；金、铂、银或者钯化学稳定性好，能够有效隔绝空气，降低锂靶的氧化，延长锂靶的使用寿命；将物理沉积镀膜设备与自主设计的氩气、氪气等惰性气体控制系统相结合，极大降低了锂靶与反应性气体(如空气中的H2O、N2、CO2)发生发应的概率。
Claims (6)
1.一种中子源锂靶的制备方法，其特征在于，包括如下过程：
在锂样品（6）的表面制备金属膜（9），金属膜（9）包覆于锂样品（6）的表面，所述金属膜（9）采用金膜、铂膜、银膜或者钯膜；
将表面具有金属膜（9）的锂样品（6）装配于衬底（10）上，得到所述中子源锂靶；
在锂样品（6）的表面制备金属膜（9）时，在惰性气体氛围中，在锂样品（6）的全表面沉积金膜、铂膜、银膜或者钯膜；
将表面具有金属膜（9）的锂样品（6）通过热等静压的方法压制于衬底（10）上。
2.根据权利要求1所述的一种中子源锂靶的制备方法，其特征在于，所述惰性气体采用氩气和氪气中的一种或两种的混合气体。
3.根据权利要求1所述的一种中子源锂靶的制备方法，其特征在于，所述金属膜（9）的厚度为2~3000nm。
4.根据权利要求1所述的一种中子源锂靶的制备方法，其特征在于，所述衬底（10）的内部设有冷却通道（11）。
5.一种中子源锂靶，其特征在于，该中子源锂靶通过权利要求1-4任意一项所制备方法制得。
6.一种车载加速器，其特征在于，包括中子源，所述中子源的靶系统采用权利要求5所述的中子源锂靶。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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