[发明专利]一种基于多主元设计的含镁中子靶及其制备方法

说明书

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。

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。