同位素10B靶的制備

樊啟文，王 華，孟 波

(中國原子能科學研究院 核物理研究所，北京 102413)

10B材料被廣泛應用于核工程領域與核物理研究中，10B(n，α)7Li反應在中子核反應中占有特殊重要的地位。各種反應堆(核電站、核動力堆等)在初裝燃料時，需在堆芯布置由B-B化合物制成的可燃毒物組件，用10B(n，α)7Li反應來補償部分過剩反應，抑制功率峰，該反應截面的精度會影響過剩反應性的計算與控制精度?；谏鲜龇磻?，含B物質對慢中子有較大的吸收截面，常被用作中子的防護與屏蔽材料[1]。幾乎所有與中子有關的核裝置(如反應堆、加速器、防中子輻射的坦克等)的設計都需要中子與10B發(fā)生核反應的準確截面信息。中子不帶電，中子與10B發(fā)生核反應10B(n，α)7Li產生帶電粒子，通過測量帶電粒子即可間接測量中子。在核物理研究、核能開發(fā)與裂變材料的檢查中，常利用10B(n，α)7Li反應對中子進行探測。在生物醫(yī)學研究中，用10B(n，α)7Li反應產生的帶電粒子治療癌癥(BNCT)[2]?；陂L期的實驗測量、理論計算與評價工作，由熱中子到1 MeV能量范圍的10B(n，α)7Li反應截面已被準確確定下來，成為IAEA推薦中子核反應的一級標準截面。在標準中子場測量和中子核數(shù)據(jù)測量[3-7]中，10B也是重要的探測介質材料，主要是針對MeV以下低能區(qū)的測量，一般是在幾十μm的薄襯底上鍍10B靶。

在同位素核靶研制領域，10B靶是最難制備的穩(wěn)定同位素靶之一，適合制備10B靶的方法很少。10B材料是一種昂貴的同位素核材料，國外采購的10B通常為粉末形態(tài)，且數(shù)量稀少(百mg級別)，顯然不適合采用磁控濺射等需大塊靶材料的制備方法。10B材料熔點高(約2 075 ℃)，蒸發(fā)溫度也高(約2 300 ℃)，采用電阻加熱蒸發(fā)技術也難以制備10B靶。10B材料為脆性半導體，在高溫受熱過程中極易分裂、飛濺，采用商業(yè)大電子槍轟擊法也難以成功制備滿足實驗要求的10B靶，同時造成材料的極大浪費。10B材料的濺射速率極低，采用聚焦重離子濺射法制備10B靶時間效率非常低，且聚焦重離子濺射法難以制備大面積的10B靶(均勻性極差)。為此，針對10B靶的特點，課題組自主研制一臺間歇式靜電聚焦微調電子轟擊裝置，本文介紹利用該裝置制備同位素10B靶的技術方法。

1 實驗裝置

采用間歇式靜電聚焦微調電子轟擊法制備10B靶，其裝置如圖1所示，該裝置主要由電子槍、燈絲電源、高壓電源和真空系統(tǒng)組成。該設備中的電子槍及其配套電源均為自行加工和組裝，鍍膜室及過渡法蘭均在現(xiàn)有鍍膜機上改造。該電子槍與商用電子槍[8]的主要區(qū)別為：1) 本文電子槍的功率(燈絲電源0～120 W、高壓電源0～900 W)可間歇式連續(xù)微調，而商用電子槍為檔位調節(jié)，檔位功率大(3 kW、6 kW)，不適合制備10B這樣的半導體易飛濺的貴重同位素材料；2) 本文電子槍可調控電子束轟擊的x、y和z3個方位的位置。間歇式靜電聚焦微調電子轟擊與熱蒸發(fā)的區(qū)別為：熱蒸發(fā)為自下而上加熱，電子槍自上而下加熱，且普通熱蒸發(fā)難以達到10B的蒸發(fā)溫度(約2 300 ℃)。

圖1 間歇式靜電聚焦微調電子槍裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of intermittent electrostatic aggregation fine-tuning electron gun device

2 工藝方法

采用間歇式靜電聚焦微調電子轟擊法制備同位素10B靶，總體工藝為三步法：壓片-燒結-蒸發(fā)。

首先，將粉末狀同位素10B材料通過特定的模具在壓力機上壓成10B柱，長度通常為12 mm，直徑由模具的內徑確定。10B柱的直徑越大，所需蒸發(fā)功率越大。10B柱直徑對應的蒸發(fā)功率如圖2所示。

圖2 10B柱直徑與功率的關系Fig.2 Relationship between 10B column diameter and power

其次，安裝電子槍燈絲(直徑為0.5 mm的W絲彎成直徑為30 mm的圈)，將壓好的10B柱放入特制的BN/C坩堝并裝進電子槍中，在高真空(低于2×10-4Pa)下啟動電子槍將10B柱自上至下燒結。

最后，將燈絲圈平面與10B柱之間的垂直距離調至10.5～11 mm。若該距離過大，會導致蒸發(fā)時高壓電源功率大，從而使電子槍法蘭溫度過高，損壞絕緣材料，蒸發(fā)無法持續(xù)；若該距離過小，會導致電子束聚焦到10B柱下半部分、坩堝位置甚至W支撐桿上，最終導致10B柱塌陷或W支撐桿熔斷，蒸發(fā)失敗。將真空抽至低于2×10-4Pa，再次啟動電子槍，逐步升高高壓(即間歇式微調升壓)使10B柱頂端溫度升高至蒸發(fā)溫度(約2 300 ℃)，使10B開始蒸發(fā)并沉積在基襯上。蒸發(fā)速率必須控制在0～0.02 μg/(cm2·s)(通常為0.01 μg/(cm2·s))，蒸發(fā)速率若大于0.02 μg/(cm2·s)，將導致10B材料飛濺，致使生長的10B靶表面出現(xiàn)大量宏觀液滴甚至將薄基襯擊破，如圖3所示。

圖3 蒸發(fā)速率大于0.02 μg/(cm2·s)時制備的10B靶SEM圖Fig.3 SEM picture of 10B target with evaporation rate greater than 0.02 μg/(cm2·s)

3 基片溫度對10B靶結構和性能的影響

采用間歇式靜電聚焦微調電子轟擊法制備10B靶時，基片溫度是影響10B靶生長過程和10B靶與基襯之間結合力的關鍵因素。在4片2英寸的Si片上分別沉積約500 nm厚的10B靶，沉積過程中分別對4片Si片作不加溫、加溫100 ℃、加溫200 ℃和加溫300 ℃處理。不同基片溫度下沉積的10B靶生長過程變化如圖4所示。由圖4可見：基片不加溫時靶表面呈現(xiàn)顆粒沉積，不結晶；基片加溫100 ℃時，靶表面呈現(xiàn)團聚狀，并開始結晶；基片加溫200 ℃時，靶表面呈現(xiàn)明顯的枝狀晶；基片加溫300 ℃時，沉積的10B靶呈現(xiàn)明顯的島狀晶和管狀晶。

劃痕法是一種廣泛應用于表征膜-基界面結合強度的方法[9]，本工作通過微劃痕測試儀所測的聲發(fā)射數(shù)據(jù)評定膜基結合力。在劃擦過程中，當膜基出現(xiàn)結合失效時，聲發(fā)射信號會突然增強，因此聲發(fā)射信號突變峰所對應的法向載荷可作為臨界載荷的判定值。圖5示出10B靶聲發(fā)射信號強度與法向載荷的關系。由圖5可見，樣品的聲發(fā)射信號強度均發(fā)生突變，對應的法向載荷即為該樣品的膜基結合力。

圖4 不同基片溫度下沉積的10B靶SEM圖Fig.4 SEM picture of 10B target deposited at different substrate temperatures

a——常溫；b——100 ℃；c——200 ℃；d——300 ℃圖5 10B靶聲發(fā)射信號強度與法向載荷的關系Fig.5 Relationship between 10B target acoustic signal strength and normal load

由圖4、5可判斷，隨基片溫度的升高，生長的10B靶逐步結晶，越來越致密，膜基結合力也越好，但基片溫度是有邊際效應的。首先，隨基片溫度升高到一定程度后，膜基結合力的增長率是遞減的；其次，基片溫度升高到一定程度后，生長的薄膜與基片材料會產生互相滲透效應。

4 不均勻性計算與測試

4.1 不均勻性計算

襯底轉動蒸發(fā)沉積，襯底上任意一點生長的薄膜歸一化質量厚度由下式[10]給出：

(1)

其中：h為源-襯距，cm；r為源-軸距，cm；s為襯底中心至襯底上任意一點的距離，cm；d(s)為襯底上任意一點的歸一化質量厚度，μg/(cm2·mg)。分別選取不同的源-襯距和源-軸距，通過Matlab計算厚度分布，并計算φ100 mm的靶在不同h-r匹配值下對應的最大不均勻性，計算結果如圖6所示。根據(jù)圖6計算結果和物理實驗對均勻性的要求，即可確定最佳的h和r匹配參數(shù)，從而為實際制靶中選取幾何參數(shù)提供依據(jù)。

4.2 不均勻性測試

在滿足物理實驗對均勻性要求的前提下，為盡量提高同位素材料的利用率，源-襯距h應盡量選擇較小值。確定h后，再根據(jù)上述計算結果匹配對應的源-軸距r。不均勻測試選取近幾年實際制備同位素10B靶時常用的參數(shù)組合(h=15 cm、r=13.5 cm)，在100 mm×100 mm的鋁板上均勻分布36片鋁膜，在鋁膜上沉積約120 μg/cm2的10B靶(φ8 mm)。用千萬分之一天平測量10B靶的質量，并計算出每片10B靶的質量厚度，最后統(tǒng)計36個位置10B靶的質量厚度分布，并以此來表征100 mm×100 mm范圍內的10B靶不均勻性，測試結果列于表1。10B靶質量厚度的總平均值為112.0 μg/cm2，去除四角后的平均值為116.8 μg/cm2。

圖6 不均勻性計算結果Fig.6 Calculation result of inhomogeneity

由表1可知：1) 在上述工藝條件下得到的10B靶平均質量厚度為112 μg/cm2，厚度分布中間厚、周圍薄、四角位置的10B靶最??；2) 對于在有效尺寸為100 mm×100 mm的基襯上制備10B靶，最大不均勻性為14.8%；3) 若考慮φ100 mm的范圍(即舍棄四角的4片10B靶)，則最大不均勻性為12.4%；4) 若選取φ80 mm區(qū)域，最大不均勻性小于10%。圖7為同位素10B靶照片。

5 總結與討論

1) 利用間歇式靜電聚焦微調電子轟擊法系統(tǒng)研究了制備同位素10B靶的工藝，確定了“壓片-燒結-蒸發(fā)”三步法制備10B靶。

表1 質量厚度分布測試結果Table 1 Result of mass thickness distribution

圖7 同位素10B靶照片F(xiàn)ig.7 Photo of 10B target

2) 基片溫度對10B靶的生長過程、結構和結合力等性能有重要影響，隨基片溫度的升高，生長的10B靶逐步結晶，越來越致密，膜基結合力也越好，溫度升高到一定值后，靶基結合力的增長率呈遞減趨勢。制備10B靶的最佳基片溫度約300 ℃。

3) 通過對工藝中的參數(shù)變量研究，顯示最佳的蒸發(fā)速率為0～0.02 μg/(cm2·s)，燈絲平面與10B柱的最佳距離為10.5～11 mm。對于尺寸為φ80 mm同位素10B靶的制備，不均勻性可控制在10%以內。