一种含多浓度抗氢脆层的加速器中子源靶及其制备方法与流程

本发明涉及中子源靶领域，尤其涉及一种含多浓度抗氢脆层的加速器中子源靶及其制备方法。

背景技术：

1、硼中子俘获疗法（bnct）是一种肿瘤治疗方法，其中使用中子源将硼-10同位素引入肿瘤细胞中，当硼-10被中子俘获时，产生α粒子和锂核，从而破坏周围的癌细胞。在bnct中，中子源通常来自中子发生器或核反应堆。中子源的选择和性能直接影响治疗效果和安全性。近年来，基于加速器的中子源日渐成熟，目前已成为临床首选的中子源。

2、中子源靶是产生中子的部件，对加速器中子源来说，发生核反应并产生中子的靶是最关键、同时也是最容易损坏的部件之一，一般由锂或铍组成主要的核反应层（即靶材层）。通常要求靶能够经受住严重的热机械、辐射和氢气破坏条件，但靶材在使用过程中易在金属内部吸收质子导致脆性断裂现象。

3、为了解决上述问题，目前通常在中子源靶的基体（通常为cu）和靶材层之间设有抗氢脆层。钒（v）和钽（ta）是一种重要的结构材料，在高温高压环境中具有较好的耐蚀性和稳定性，且具有较高的氢扩散系数，可作为加速器硼中子俘获疗法（ab-bnct）中子产靶的抗氢脆层。但是，单一钒膜需要厚度达到30μm才可有效防止质子进入铜基体，单一钽膜也需要厚度达到20μm才可避免质子沉积产生氢脆。

4、目前，抗氢脆层的制备方法主要有真空等离子喷涂（vps）、熔盐电镀、化学气相沉积（cvd）、物理气相沉积（pvd）和磁控溅射等。其中，磁控溅射具有溅射速度快、形成薄膜较为致密、附着力优异、可精确控制薄膜形成等优点。但是当使用磁控溅射设备制备单一元素薄膜时，随薄膜厚度的增加容易沉积应力，从而导致薄膜开裂或脱落。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，首先，本发明提供了一种含多浓度抗氢脆层的加速器中子源靶，本发明加速器中子源靶中的抗氢脆层以v-ta复合材质作为原料，并控制ta含量由基体至靶材层方向在特定范围内递增，可在抗氢脆层较厚情况下仍具有较低的应力，因此可有效避免抗氢脆层的开裂或脱落；其次，本发明提供了一种含多浓度v-ta抗氢脆层的加速器中子源靶的制备方法，本发明通过溅射功率的差异化设置来构建形成ta含量递增的多浓度v-ta抗氢脆层。在此基础上，本发明还通过小车速率来优化抗氢脆层不同厚度中ta、v原子的混乱程度以及物相结构，从而有利于获得性能更佳的抗氢脆层。

2、本发明的具体技术方案为：

3、第一方面，本发明提供了一种含多浓度抗氢脆层的加速器中子源靶，其包括：基体；通过磁控共溅射技术沉积于基体表面的多浓度v-ta抗氢脆层；沉积于多浓度v-ta抗氢脆层表面的靶材层。所述多浓度v-ta抗氢脆层由基体至靶材层方向，ta含量在10-100wt%（进一步优选为20-90wt%）区间内递增。

4、现有技术中，抗氢脆层的材质通常为v或ta。单一钒膜或单一钽膜均需要在较厚情况下才可有效防止质子进入基体、避免质子沉积产生氢脆。而通过磁控溅射形成的金属薄膜，在薄膜厚度较大情况下容易沉积应力，从而导致薄膜开裂或脱落。

5、为此，本发明通过研究发现，以v-ta复合材质作为抗氢脆层，并控制ta含量由基体至靶材层方向在特定范围内递增，可在抗氢脆层较厚情况下仍具有较低的应力，因此可有效避免抗氢脆层的开裂或脱落。

6、本发明抗氢脆层通过磁控共溅射工艺获得。磁控共溅射工艺所制得的薄膜与传统单一镀膜所不同的是其原子排布更为混乱。在磁控共溅射过程中，每种元素在未形成连续薄膜时就被第二种元素打断，混乱程度越高其原子堆积越紧密，所形成的晶界也就越多，在沉积过程中，薄膜能够通过形成界面、位错或其他缺陷来弛豫应变，因此应力也可得到更好地释放。

7、作为优选，由基体至靶材层方向，所述多浓度v-ta抗氢脆层中ta的含量呈线性递增或呈阶梯递增。

8、线性递增模式下的ta原子层过渡均匀，但在制备过程中需要精准控制两个溅射靶的功率参数，制备难度较高；而阶梯递增可以很好地应对质子在抗氢脆层分布不均的现象，在质子减速区采用低ta浓度，而质子大规模分布区域采用中ta浓度，而质子阻断区采用高ta浓度。

9、作为优选，所述多浓度v-ta抗氢脆层的厚度为15-40微米（进一步优选为15-30微米）。

10、本发明多浓度v-ta抗氢脆层的厚度与常规抗氢脆层的厚度相当，但是可有效降低抗氢脆层应力，降低开裂或脱落的风险。

11、进一步优选，在呈阶梯递增下，所述多浓度v-ta抗氢脆层由多层v-ta薄膜叠加形成。

12、再进一步优选，在呈阶梯递增下，所述多浓度v-ta抗氢脆层由低ta浓度v-ta薄膜、中ta浓度v-ta薄膜和高ta浓度v-ta薄膜叠加形成；且低ta浓度v-ta薄膜、中ta浓度v-ta薄膜和高ta浓度v-ta薄膜中ta含量分别为10-30wt%，30-60wt%和60-90wt%（进一步优选为10-20wt%、50-60wt%、80-90wt%）。

13、本发明发现，在呈阶梯递增情况下，将多浓度v-ta抗氢脆层设计为三层阶梯递增结构，并将三层薄膜中ta浓度分别限定在上述范围内，对于降低抗氢脆层的应力的效果最佳。

14、再进一步优选，所述低ta浓度v-ta薄膜的厚度为1-2微米，所述中ta浓度v-ta薄膜的厚度为10-15微米，所述高ta浓度v-ta薄膜的厚度为3-9微米。

15、本发明将低浓度层的厚度设计为最薄，中浓度层设计为最厚，而高浓度层厚度居中的原因在于：当一定能量的质子注入到靶面时，其在抗氢脆层的分布是不均匀的，低浓度层的厚度最薄，可先将质子减速，而中浓度层最厚，可吸收容纳大部分的质子，而高浓度层厚度居中，这是阻断剩余质子继续基体扩散。

16、作为优选，所述基体的材质为铜。

17、作为优选，所述靶材层的材质为锂或铍。

18、第二方面，本发明提供了一种上述含多浓度抗氢脆层的加速器中子源靶的制备方法，在该加速器中子源靶的多浓度v-ta抗氢脆层中，由基体至靶材层方向，所述多浓度v-ta抗氢脆层中ta的含量呈阶梯递增；该加速器中子源靶的制备方法包括：

19、s1：将ta靶和v靶固定于两个靶位上；将基体固定于移动夹具小车上。

20、 s2：调节ta靶和v靶的溅射功率分别为50-100w和100-300w，在惰性氛围下磁控共溅射，控制移动夹具小车在ta靶和v靶之间以10-15mm/s的速率往复位移，镀膜后，形成低ta浓度v-ta薄膜。

21、 s3：调节ta靶和v靶的溅射功率分别为100-300w和100-300w，小车速率为15-20mm/s，形成中ta浓度v-ta薄膜。

22、 s4：调节ta靶和v靶的溅射功率分别为300-600w和100-300w，小车速率为20-25mm/s，形成高ta浓度v-ta薄膜。

23、 s5：在高ta浓度v-ta薄膜表面沉积靶材层。

24、本发明通过磁控共溅射使惰性气体例如氩气在电场作用下电离，电离出的氩离子轰击ta靶以及v靶的表面，靶材溅射出大量靶材原子，沉积于基体表面。具体地，在上述磁控共溅射过程中，本发明主要通过溅射功率的差异化设置来构建形成ta含量呈阶梯递增的多浓度v-ta抗氢脆层。

25、此外，本发明发现小车速率对于各层薄膜中ta、v原子的混乱程度以及薄膜的物相结构具有重要影响。如前文所述，磁控共溅射工艺所制得的薄膜中原子排布更为混乱。在磁控共溅射过程中，每种元素在未形成连续薄膜时就被第二种元素打断，混乱程度越高其原子堆积越紧密，所形成的晶界也就越多，从而应力也可得到更好地释放。因此，理论上小车速率越高，ta、v原子的混乱程度也就越高。

26、而本发明将低ta浓度层的小车速率设置在最慢（即原子混乱程度最低），中ta浓度层小车速率设置在居中（即原子混乱程度居中），而高ta浓度层小车速率设置在最快（即原子混乱程度最高）的原因在于：在低ta浓度层将小车速率设置为最慢，如此镀膜可以近似看为两种元素的交替镀膜，这一层是与基体相连接的，多层膜相较于单一膜与基体的结合力更高；中ta浓度层小车速率设置在居中，这是因为大量的质子在这个区域分布，原子混乱程度增大，提供了更多的异质界面，可吸收大量的氢质子；而高ta浓度层小车速率设置在最快，当薄膜沉积到一定厚度时，容易收到应力影响产生开裂，而移动速度更高，原子混乱程度高，晶界密度高，从而应力小，薄膜不易开裂。

27、第三方面，本发明提供了一种上述含多浓度抗氢脆层的加速器中子源靶的制备方法，在该加速器中子源靶的多浓度v-ta抗氢脆层中，由基体至靶材层方向，所述多浓度v-ta抗氢脆层中ta的含量呈线性递增；该加速器中子源靶的制备方法包括：

28、s1：将ta靶和v靶分别安装于磁控溅射镀膜机的两个靶位上；将基体固定于移动夹具小车上，向溅射室内通惰性气体，关闭溅射室。

29、 s2：调节ta靶的初始溅射功率为50-100w，功率增速为50~100w/h，v靶的初始溅射功率为100-300w，功率增速为20-50w/h，在惰性氛围下磁控共溅射，控制移动夹具小车以10-15mm/s的初始速率，1.5-2.5mm/h的增速在ta靶和v靶之间往复位移，镀膜后，形成多浓度v-ta抗氢脆层。

30、 s3：在多浓度v-ta抗氢脆层表面沉积靶材层。

31、与阶梯递增方式的制备工艺所不同的是，当抗氢脆层中ta含量呈线性递增时，本发明相应地采用上述溅射功率线性递增以及小车速率同步线性递增的工艺来构建多浓度v-ta抗氢脆层。

32、作为优选，磁控共溅射期间，调节溅射室内的气压为0.5-2pa，占空比为30-90%，偏置电压为-100v至-200v。

33、作为优选，所述ta靶和v靶的间距为10-30cm，且ta靶与溅射室进样口的距离小于v靶与溅射室进样口的距离。

34、作为优选，所述移动夹具小车的往复位移方向与ta靶和v靶所构成的直线平行，且间距为10-30cm；往复位移的起点和终点分别与ta靶和v靶齐平。

35、与现有技术对比，本发明的有益效果是：

36、（1）本发明加速器中子源靶以v-ta复合材质作为抗氢脆层，并控制ta含量由基体至靶材层方向在特定范围内递增，可在抗氢脆层较厚情况下仍具有较低的应力，因此可有效避免抗氢脆层的开裂或脱落。

37、 （2）本发明通过磁控共溅射工艺在基体表面构建多浓度v-ta抗氢脆层。磁控共溅射与传统镀膜工艺相比，可获得应力更低的抗氢脆层。

38、 （3）本发明通过溅射功率的差异化设置来构建形成ta含量呈阶梯递增的多浓度v-ta抗氢脆层。在此基础上，本发明还通过小车速率来优化抗氢脆层不同厚度中ta、v原子的混乱程度以及物相结构，从而有利于获得性能更佳的抗氢脆层。