强流脉冲中子发生器预制靶中的氢同位素置换效应研究

Following the development of neutron prompt gamma diagnostic method and pulsed neutron-neutron diagnostic method, higher requirements are needed for high current short pulse neutron beam (pulse width is microsecond or even sub-microsecond, neutron intensity >5E6/pulse). Under the traction of these demands in high performance index, the lifetime of the high current short pulse neutron generator has become a key technical problem that needs to be solved urgently. The limiting factor of lifetime is a series of problems such as irradiation damage of target and tritium dilution caused by high energy deuterium ion implantation into tritium prefabricated target. Thus far, a large number of studies have been carried out on neutron generator beam-target interaction, mainly focusing on the problem of ion irradiation damage, but is lack of the research results on hydrogen isotope replacement effect of ion irradiated hydrogen prefabricated targets. In this study, we aims at improving the lifetime of prefabricated target of high current short pulse neutron generator, ion beam deposition and ion irradiation damage in prefabricated target films. The effect of hydrogen isotope replacement on tritium dilution in prefabricated target films was investigated. It reveals that the physical mechanism of hydrogen isotope replacement effect in the prefabricated target of neutron generator. The research results will provide key technical support for the development of high performance high current short pulse neutron generator.

基于中子瞬态伽马测试方法和脉冲中子-中子测试方法的发展，对强流短脉冲中子束提出了更高的要求（脉宽为微秒甚至亚微秒，中子强度>5E6/脉冲）。在这些苛刻的高性能指标需求牵引下，强流短脉冲中子发生器的寿命问题成为了当前亟需解决的关键技术问题。寿命的制约因素主要是高能氘离子注入氚预制靶膜将引起靶膜材料辐照损伤、氚稀释等一系列问题。国内外已经针对中子发生器束靶相互作用开展了大量研究，主要关注于离子辐照损伤的问题，缺少离子辐照氢预制靶的氢同位素置换效应的相关研究。本项目针对提升强流短脉冲中子发生器预制靶膜使用寿命的迫切需求，开展预制靶膜中的离子束沉积行为和离子辐照损伤研究，探索预制靶膜中氢同位素置换效应对氚浓度稀释的影响规律，揭示中子发生器预制靶膜中氢同位素置换效应作用机理及物理机制，研究成果将为高性能指标强流短脉冲中子发生器的研制提供关键技术支撑。

本项目开展中子发生器预制靶中氢同位素置换效应的研究，采用实验研究的方法，利用氕离子（H+）注入氘化锆靶膜（ZrD1.6），通过诱发X射线发射分析（PIXE）、卢瑟福背散射分析及弹性反冲核探测分析、飞行时间二次离子质谱分析、SEM/EDS分析、慢正电子束湮灭谱分析和纳米划痕测试表征分析，研究氕离子在氘化锆靶膜中的沉积行为以及氘化锆靶膜的辐照损伤影响，并针对氕氘置换效应开展定量分析，认识清楚氕离子注入金属氘化物靶膜后的关键物理问题。通过实验研究获得了氕离子在氘化锆靶膜中的沉积行为以及氘化锆靶膜的辐照损伤影响，并获得了氕氘置换效应的定量分析结果。实验结果显示，氕离子注入量达到1018 ions/cm2时，体内氕-锆原子数目比值增加了约5%，这表明注入氕离子在氘化锆薄膜体内出现滞留现象，说明材料中发生了氢-氘置换现象，氕氘置换率为3-3.5%。在实验中还发现一种新型的剥离损伤机制，这源于氢原子扩散至界面层复合成氘气分子后协同热应力的微喷作用。此外，为了能够更清楚的认识氕离子注入金属氘化物靶膜后的关键物理问题，我们还开展了氢离子注入氢化钛薄膜过程模拟计算研究，获得了氕离子的注入剂量对靶膜中空位浓度的影响及靶膜中空位与入射氕离子之间相互作用的能量学和动力学性质，并提出了氕离子注入靶膜后造成氢气泡形成的微观机理：高能质子辐照导致材料损伤，产生空位。空位为氢原子聚集提供场所，随着空位中氢原子数目的增加，空位近邻的格点发射而形成新的空位，新空位为更多的氢原子聚集提供场所，依此再导致双空位附近再形成空位，再捕获更多的氢原子，从而最终空位团簇不断生长导致氢气泡的形成。该气泡形成机制定性解释了TiH2薄膜在高能质子辐照下的产生气泡的原因。