核靶制备技术

[拼音]:heBa zhibei jishu

[外文]:nuclear target technique

含有被轰击原子核的实体称为核靶,简称靶。

主要技术要求

核靶制备的主要技术要求是:适当的靶厚、靶面积,化学纯度或同位素纯度高,均匀性好,机械强度高,耐束流轰击效能好。

其中靶厚通常用面密度表示(单位是微克/厘米2或毫克/厘米2),由对能量解析度和反应率的要求决定,靶太厚会使能量分辨变坏,太薄又会延长实验时间。靶面积指靶的能够接受入射束流轰击的面积,要大于入射束流的横截面。一般也可用靶框架的中心孔直径来表示。

纯度指核靶中所含被研究物质的成分比。化学纯度或同位素纯度高会减少杂质对所研究的核反应测量的干扰。杂质来源于原始靶材料的不纯和制靶过程中的污染。所以,一般核靶制备中都用高纯材料并且十分注意清洁处理。用真空传递器可有效地避免空气对靶的氧化作用。

均匀性指一块靶上各处厚度的变化量。均匀性不好可能带来较大的实验误差。

机械强度指靶的牢固性。机械强度弱的靶在运输和安装过程中容易损坏。薄靶一般只是一层很薄的膜,用仪器进行定量测量是比较困难的,一般只是定性地给出“好”或“坏”的评价。

耐束流轰击效能指靶能耐入射束流轰击而不破损或变质的程度。用入射束流的通量、能量和轰击时间来表示。

核靶类别

分为自支撑靶、有衬底靶和气体靶三类。

自支撑靶

单纯由核靶材料组成的一层薄膜靶,用一个金属框架(靶框)支撑著。其优点是没有衬底材料的干扰。

有衬底靶

有的靶物质很难或不可能制备成自支撑靶,必须使这种物质附著在其他材料制成的薄膜或片上才能形成所需要的核靶。这种靶称为有衬底靶。用来支撑靶膜的金属片或薄膜称为衬底。常用的衬底材料是钽片等金属片、碳膜和有机膜。选择衬底材料的原则是尽量降低衬底材料对所研究核反应实验的干扰。

气体靶

大致分为两种,一种是一个金属小室里充以一定气压的靶材料气体,在小室的壁上开“窗”,让入射束流穿入,出射产物穿出。它的关键是选择一种适当的薄膜(箔)封窗,即能耐住室内外的气压差,又能使粒子在穿过薄窗时能量损耗最小,而且还能在束流轰击下不损坏。常用的封窗物质是铝、镍,钼、钽和有机薄膜。另一种是无窗气体靶,它的束流出入口处没有封窗,利用所谓的差分抽气系统来维持靶室和加速器管道真空之间的压力差。它避免了由于入射束流和反应产物穿过封窗薄膜而产生的问题,可以提高实悬a href=’http://www.baiven.com/baike/222/323577.html’ target=’_blank’ >榈木取5牵淖爸酶丛樱惺夷诘钠共荒芴折5币欢ㄆ沟陌形镏势宕优缱旖氲驼婵涨毙纬沙俚纳淞鳎馐切路⒄蛊鹄吹囊恢制灏小Ⅻ/p>

制备方法

靶的制备方法很多。常用的方法有真空蒸发法、电镀法、滚压法、重离子溅射法和电磁同位素分离器制靶法等。

真空蒸发法

将核靶物质放在真空室中加热蒸发,蒸气凝结在放置于适当位置的衬底上形成一层薄膜,这就是有衬底靶,如果将其从衬底上剥离下来支撑在靶框下,就可制成自支撑靶。常用的加热手段是电阻加热法和电子轰击加热法。

(1)电阻加热法。在一对电极之间连线一个用高熔点金属(如钽片)做成的坩埚,由一个低电压(6~30V)大电流(可达几百安)电源供电。电流通过坩埚时产生热量,从而将核靶材料加热。温度可达到2000℃)。这种加热法对于低熔点材料有效、装置简单、容易操作、成本低。

(2)电子轰击加热法。由一个电子枪发射出的高速电子束轰击坩埚中的核靶材料来加热,它对于制备高熔点物质核靶效果好,可大大减少坩埚物质对靶的污染。用这种方法也可制备低熔点物质靶。

真空蒸发法制靶技术能制备出面密度为微克/厘米2到毫克/厘米2量级的核靶。

电镀法

只限于制备金属靶。用电镀法每次只能制备一块核靶。将核靶材料配成电解液,阳极一般是用铂片做,用抛光的金属片做阴极。在电场的作用下,靶材料的正离子飞向阴极,并在它的表面形成一层薄膜,将这层薄膜剥离下来就可以作为自支撑核靶。易制备面密度大于1毫克/厘米2的核靶。它的优点是靶材料的利用率高,缺点是电解液中的其他成分可能造成对靶的污染。

滚压法

用滚压机将核靶材料滚压成薄箔的方法。可以制备厚度大于几百微克/厘米2的靶,这种方法仅适用于延展性较好的核靶材料。其优点是生产过程中产生的碎片主要部分可以回收,而且可以将用过的靶重新制成新靶。这对于制备量少价高的浓缩同位素靶是十分有利的。

重离子溅射法

利用加速的重离子(如氩离子)轰击靶物质使其分子被溅射出来而淀积到衬底上形成薄膜。这种方法对于制备某些低蒸气压物质靶比较有效。

电磁同位素分离器法

可以用来制备同位素核靶。它是用电磁同位素分离器将分离开的同位素离子束流减速,而直接淀积到衬底上形成靶膜。用它可以生产出高纯度的同位素靶。尤其对丰度很低的同位素更有意义。

核靶的制备方法很多,原则上讲,工业上制薄膜的方法都能借用来制备核靶。然而,由于要满足核反应实验的特殊要求,核靶制备比工业生产薄膜更为复杂困难。另外,不同的核反应实验所要求的核靶的品种及技术指标不同,要针对具体核靶选择适当的制备方法。

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