同位素10B靶的制备

樊启文，王 华，孟 波

(中国原子能科学研究院 核物理研究所，北京 102413)

10B材料被广泛应用于核工程领域与核物理研究中，10B(n，α)7Li反应在中子核反应中占有特殊重要的地位。各种反应堆(核电站、核动力堆等)在初装燃料时，需在堆芯布置由B-B化合物制成的可燃毒物组件，用10B(n，α)7Li反应来补偿部分过剩反应，抑制功率峰，该反应截面的精度会影响过剩反应性的计算与控制精度。基于上述反应，含B物质对慢中子有较大的吸收截面，常被用作中子的防护与屏蔽材料[1]。几乎所有与中子有关的核装置(如反应堆、加速器、防中子辐射的坦克等)的设计都需要中子与10B发生核反应的准确截面信息。中子不带电，中子与10B发生核反应10B(n，α)7Li产生带电粒子，通过测量带电粒子即可间接测量中子。在核物理研究、核能开发与裂变材料的检查中，常利用10B(n，α)7Li反应对中子进行探测。在生物医学研究中，用10B(n，α)7Li反应产生的带电粒子治疗癌症(BNCT)[2]。基于长期的实验测量、理论计算与评价工作，由热中子到1 MeV能量范围的10B(n，α)7Li反应截面已被准确确定下来，成为IAEA推荐中子核反应的一级标准截面。在标准中子场测量和中子核数据测量[3-7]中，10B也是重要的探测介质材料，主要是针对MeV以下低能区的测量，一般是在几十μm的薄衬底上镀10B靶。

在同位素核靶研制领域，10B靶是最难制备的稳定同位素靶之一，适合制备10B靶的方法很少。10B材料是一种昂贵的同位素核材料，国外采购的10B通常为粉末形态，且数量稀少(百mg级别)，显然不适合采用磁控溅射等需大块靶材料的制备方法。10B材料熔点高(约2 075 ℃)，蒸发温度也高(约2 300 ℃)，采用电阻加热蒸发技术也难以制备10B靶。10B材料为脆性半导体，在高温受热过程中极易分裂、飞溅，采用商业大电子枪轰击法也难以成功制备满足实验要求的10B靶，同时造成材料的极大浪费。10B材料的溅射速率极低，采用聚焦重离子溅射法制备10B靶时间效率非常低，且聚焦重离子溅射法难以制备大面积的10B靶(均匀性极差)。为此，针对10B靶的特点，课题组自主研制一台间歇式静电聚焦微调电子轰击装置，本文介绍利用该装置制备同位素10B靶的技术方法。

1 实验装置

采用间歇式静电聚焦微调电子轰击法制备10B靶，其装置如图1所示，该装置主要由电子枪、灯丝电源、高压电源和真空系统组成。该设备中的电子枪及其配套电源均为自行加工和组装，镀膜室及过渡法兰均在现有镀膜机上改造。该电子枪与商用电子枪[8]的主要区别为：1) 本文电子枪的功率(灯丝电源0～120 W、高压电源0～900 W)可间歇式连续微调，而商用电子枪为档位调节，档位功率大(3 kW、6 kW)，不适合制备10B这样的半导体易飞溅的贵重同位素材料；2) 本文电子枪可调控电子束轰击的x、y和z3个方位的位置。间歇式静电聚焦微调电子轰击与热蒸发的区别为：热蒸发为自下而上加热，电子枪自上而下加热，且普通热蒸发难以达到10B的蒸发温度(约2 300 ℃)。

图1 间歇式静电聚焦微调电子枪装置示意图Fig.1 Schematic diagram of intermittent electrostatic aggregation fine-tuning electron gun device

2 工艺方法

采用间歇式静电聚焦微调电子轰击法制备同位素10B靶，总体工艺为三步法：压片-烧结-蒸发。

首先，将粉末状同位素10B材料通过特定的模具在压力机上压成10B柱，长度通常为12 mm，直径由模具的内径确定。10B柱的直径越大，所需蒸发功率越大。10B柱直径对应的蒸发功率如图2所示。

图2 10B柱直径与功率的关系Fig.2 Relationship between 10B column diameter and power

其次，安装电子枪灯丝(直径为0.5 mm的W丝弯成直径为30 mm的圈)，将压好的10B柱放入特制的BN/C坩埚并装进电子枪中，在高真空(低于2×10-4Pa)下启动电子枪将10B柱自上至下烧结。

最后，将灯丝圈平面与10B柱之间的垂直距离调至10.5～11 mm。若该距离过大，会导致蒸发时高压电源功率大，从而使电子枪法兰温度过高，损坏绝缘材料，蒸发无法持续；若该距离过小，会导致电子束聚焦到10B柱下半部分、坩埚位置甚至W支撑杆上，最终导致10B柱塌陷或W支撑杆熔断，蒸发失败。将真空抽至低于2×10-4Pa，再次启动电子枪，逐步升高高压(即间歇式微调升压)使10B柱顶端温度升高至蒸发温度(约2 300 ℃)，使10B开始蒸发并沉积在基衬上。蒸发速率必须控制在0～0.02 μg/(cm2·s)(通常为0.01 μg/(cm2·s))，蒸发速率若大于0.02 μg/(cm2·s)，将导致10B材料飞溅，致使生长的10B靶表面出现大量宏观液滴甚至将薄基衬击破，如图3所示。

图3 蒸发速率大于0.02 μg/(cm2·s)时制备的10B靶SEM图Fig.3 SEM picture of 10B target with evaporation rate greater than 0.02 μg/(cm2·s)

3 基片温度对10B靶结构和性能的影响

采用间歇式静电聚焦微调电子轰击法制备10B靶时，基片温度是影响10B靶生长过程和10B靶与基衬之间结合力的关键因素。在4片2英寸的Si片上分别沉积约500 nm厚的10B靶，沉积过程中分别对4片Si片作不加温、加温100 ℃、加温200 ℃和加温300 ℃处理。不同基片温度下沉积的10B靶生长过程变化如图4所示。由图4可见：基片不加温时靶表面呈现颗粒沉积，不结晶；基片加温100 ℃时，靶表面呈现团聚状，并开始结晶；基片加温200 ℃时，靶表面呈现明显的枝状晶；基片加温300 ℃时，沉积的10B靶呈现明显的岛状晶和管状晶。

划痕法是一种广泛应用于表征膜-基界面结合强度的方法[9]，本工作通过微划痕测试仪所测的声发射数据评定膜基结合力。在划擦过程中，当膜基出现结合失效时，声发射信号会突然增强，因此声发射信号突变峰所对应的法向载荷可作为临界载荷的判定值。图5示出10B靶声发射信号强度与法向载荷的关系。由图5可见，样品的声发射信号强度均发生突变，对应的法向载荷即为该样品的膜基结合力。

图4 不同基片温度下沉积的10B靶SEM图Fig.4 SEM picture of 10B target deposited at different substrate temperatures

a——常温；b——100 ℃；c——200 ℃；d——300 ℃图5 10B靶声发射信号强度与法向载荷的关系Fig.5 Relationship between 10B target acoustic signal strength and normal load

由图4、5可判断，随基片温度的升高，生长的10B靶逐步结晶，越来越致密，膜基结合力也越好，但基片温度是有边际效应的。首先，随基片温度升高到一定程度后，膜基结合力的增长率是递减的；其次，基片温度升高到一定程度后，生长的薄膜与基片材料会产生互相渗透效应。

4 不均匀性计算与测试

4.1 不均匀性计算

衬底转动蒸发沉积，衬底上任意一点生长的薄膜归一化质量厚度由下式[10]给出：

(1)

其中：h为源-衬距，cm；r为源-轴距，cm；s为衬底中心至衬底上任意一点的距离，cm；d(s)为衬底上任意一点的归一化质量厚度，μg/(cm2·mg)。分别选取不同的源-衬距和源-轴距，通过Matlab计算厚度分布，并计算φ100 mm的靶在不同h-r匹配值下对应的最大不均匀性，计算结果如图6所示。根据图6计算结果和物理实验对均匀性的要求，即可确定最佳的h和r匹配参数，从而为实际制靶中选取几何参数提供依据。

4.2 不均匀性测试

在满足物理实验对均匀性要求的前提下，为尽量提高同位素材料的利用率，源-衬距h应尽量选择较小值。确定h后，再根据上述计算结果匹配对应的源-轴距r。不均匀测试选取近几年实际制备同位素10B靶时常用的参数组合(h=15 cm、r=13.5 cm)，在100 mm×100 mm的铝板上均匀分布36片铝膜，在铝膜上沉积约120 μg/cm2的10B靶(φ8 mm)。用千万分之一天平测量10B靶的质量，并计算出每片10B靶的质量厚度，最后统计36个位置10B靶的质量厚度分布，并以此来表征100 mm×100 mm范围内的10B靶不均匀性，测试结果列于表1。10B靶质量厚度的总平均值为112.0 μg/cm2，去除四角后的平均值为116.8 μg/cm2。

图6 不均匀性计算结果Fig.6 Calculation result of inhomogeneity

由表1可知：1) 在上述工艺条件下得到的10B靶平均质量厚度为112 μg/cm2，厚度分布中间厚、周围薄、四角位置的10B靶最薄；2) 对于在有效尺寸为100 mm×100 mm的基衬上制备10B靶，最大不均匀性为14.8%；3) 若考虑φ100 mm的范围(即舍弃四角的4片10B靶)，则最大不均匀性为12.4%；4) 若选取φ80 mm区域，最大不均匀性小于10%。图7为同位素10B靶照片。

5 总结与讨论

1) 利用间歇式静电聚焦微调电子轰击法系统研究了制备同位素10B靶的工艺，确定了“压片-烧结-蒸发”三步法制备10B靶。

表1 质量厚度分布测试结果Table 1 Result of mass thickness distribution

图7 同位素10B靶照片Fig.7 Photo of 10B target

2) 基片温度对10B靶的生长过程、结构和结合力等性能有重要影响，随基片温度的升高，生长的10B靶逐步结晶，越来越致密，膜基结合力也越好，温度升高到一定值后，靶基结合力的增长率呈递减趋势。制备10B靶的最佳基片温度约300 ℃。

3) 通过对工艺中的参数变量研究，显示最佳的蒸发速率为0～0.02 μg/(cm2·s)，灯丝平面与10B柱的最佳距离为10.5～11 mm。对于尺寸为φ80 mm同位素10B靶的制备，不均匀性可控制在10%以内。