宋仔峰 叶树蓁 陈子瑜 沈 激

(中国科学技术大学近代物理系 合肥 230026)

随着散裂中子源的不断兴建[1]，如美国橡树岭国家实验室SNS、日本J-PARK、英国ISIS、欧洲ESS、韩国KOMAC、印度ISNS及中国正在兴建的CSNS。大面积的位置灵敏热中子探测器成为重要研究课题。

1997年，CERN的Sauli F等[2]发明气体电子倍增器GEM(Gas Electron Multiplier)。与同样能制造大面积气体探测器多丝正比室MWPC[3]相比，前者提高了位置分辨，避免了后者断丝报废等缺点。

基于GEM的位置灵敏热中子探测器中需一层热中子转换体，将电中性的热中子转换成带电粒子，在工作气体中产生电离而得以探测。德国Heidelberg大学[4]和韩国的Hanyang大学[5]等机构用电子束溅射方法制成10B中子转换体。本文介绍用脉冲激光沉积PLD(Pulsed Laser Deposition)法制作硼中子转换体。

1 硼的物理化学性质

天然硼中19%是10B，可跟热中子产生核反应，放出带电粒子，反应截面较大：

截面σ =3836 b，吸收长度λ=19.9 μm。带电粒子可引起物质电离，因此硼可用来探测中子。

单质硼是高熔点(2570℃)、高沸点 (3931℃)固体，用CVD(Chemical Vapor Deposition)或电阻加热蒸发等镀膜工艺难以制成硼膜[6]。热膨胀系数～5.6×10–6/℃，使衬底选择存在困难。

硼与氧在～1000℃时反应，与氮在1050℃–1200℃反应生成氮化硼，与碳纤维2200℃–2350℃反应。这三种物质是中子转换体制作过程中主要污染源。

2 硼靶制作

硼熔点高，无法用铸造工艺制造硼靶，且商品硼以粉状为主，所以本实验选择粉末冶金法制造靶材[7]。

选用材料为硼含量 93%–95%、粒度(D50)≤1.0 μm的硼粉。制作过程包括造粒、成型、烧结和表面修整。造粒是对硼粉进行必要的研磨；成型分两步，先用千斤顶在40 MPa压强下保压30 min，再用冷等静压机在300 MPa压强下保压5 min；……