Page 42 - 《真空与低温》2026年第1期

王维海等：紧凑型氘氘中子发生器中氧化铝涂层阻氘实验研究 39

850 K，and 950 K，respectively，demonstrating good deuterium-resistant stability at high temperatures. Finally，practical ap-
plication tests in neutron generator targets show that under irradiation conditions with a deuterium ion beam energy of 60 kV
and a beam intensity of 4.82 mA，the total neutron count of the target without a deuterium-resistant layer is 24 255，while that
with the coating increases to 28 335，with a neutron count increase of approximately 17%，verifying the effectiveness and en-
gineering application potential of the alumina deuterium-resistant layer in improving the performance of neutron generators.
Key words：neutron generator；alumina coating；penetration reduction factor；magnetron sputtering coating

0 引言 要由以下子系统构成：由溅射源与靶材组成的溅射
系统，由加热丝与红外测温仪组成的温控系统以及
中子作为一种中性粒子，在医学诊疗、核能技
由气源与流量计控制的充气系统。磁控溅射沉积
术及材料科学等领域具有重要应用价值。早期中
子源主要依赖天然放射性元素，但其存在中子产额 铝膜的工作原理是通过氩气等离子体轰击铝靶材
低、辐射防护要求高、难以实现可控释放等问题， 表面，使铝原子获得足够能量后从靶材表面溅射出，
[1]
无法满足现代科研与工业应用的需求 。因此，兼 最终在基底表面沉积形成涂层。为提升涂层与基
具建设成本可控与运行灵活性优势的小型加速器 底的结合力及涂层质量，对无氧铜基底进行表面预
中子源逐渐成为研究热点。该类装置通常利用氘 处理：首先去除表面氧化层，随后依次使用无水乙
离子轰击氘靶，通过氘-氘（DD）聚变反应产生中子。 醇擦拭和去离子水超声清洗以去除有机及离子污

其中，DD 中子源因不涉及放射性氚靶材，在操作 染物。实验选用纯度为 99.9%（质量分数）、直径
安全性与适用广泛性方面更具优势。中子发生器 为 75 mm、厚度为 6 mm 的高纯铝作为溅射靶材。
的性能核心指标在于其中子产额与运行稳定性。 在完成基底装夹后，将沉积腔室本底压力抽至 1×
−5
提升中子产额的关键路径集中于两方面：一是优化 10 Pa。为优化铝涂层沉积效果，先将基底加热至
靶体散热结构设计；二是改进氘粒子沉积靶材料体 120 ℃，再采用氩离子束对基底表面进行二次轰击
系。当前常用的储氢材料包括钛、锆、钒及镁基合 清洗，以彻底去除残留氧化层与表面吸附杂质。
金等，但氘原子半径小，其在靶材与衬底界面间易 表 1 详细列出了铝涂层沉积的关键工艺参数。

发生渗透扩散，导致靶中氘浓度下降，进而引起中
表 1 磁控溅射制备涂层参数
子产额减少 。此外，氘的化学活性高，易与金属
[2]
Tab. 1 Thin coating deposition parameters
衬底发生反应，引发氢脆现象，影响结构完整性。
铝涂层参数 数值
为抑制氘渗透，需在靶材与衬底间设置阻氘涂层。
尽管铝、钨等金属具有较低的氘渗透系数，但其机 溅射气压/Pa 0.5
械强度与抗热冲击性能往往不足 [3-4] 。目前最有效 溅射功率/W 300
的解决方案是制备阻氘涂层，兼顾结构强度与阻氘 基底温度/℃ 120
性能。现有研究中，阻氘材料主要包括硅基材料与 溅射时间/s 1 200
[5]
[6]
金属氧化物等 。然而，Vincent 等 研究表明，硅 基底偏压/V 200
基材料在高温氘气中易发生半导体化并形成 Si-H 旋转速度/（r/min） 1
键，导致结构性能退化。相比之下，铝基氧化物展
[7]
现出更优的高温稳定性，胡立等 与 Masoudi 等 [8] 1.2 气体渗透系统
的研究均证实，氧化铝在高温环境下仍能维持 2～ 为评估阻氘涂层的阻氘性能，需通过气体渗透
3 个量级的阻氘下降因子（PRF）。基于上述分析， 实验测定其氘渗透通量。本研究采用气体驱动渗
本文选用氧化铝作为阻氘层材料，采用磁控溅射技 透平台进行测量，该系统主要由上游腔室与下游腔
术制备氧化铝涂层，并系统评估其在中子发生器中 室两部分构成：上游腔室包含氘气气源、正压真空
的阻氘性能与中子产额提升效果。 规管及相应泵组；下游腔室则由加热炉、VCR 连接
件、四极质谱仪（QMS）、高灵敏度真空规管及高真
1 实验
空泵组组成。气体渗透原理有：系统由上下游两个
1.1 阻氘涂层制备装置 腔室组成，被测样件放于 VCR 接头处将两个腔室
为制备高致密度阻氘涂层，本研究采用直流磁 隔绝开，待泵组将两腔室均抽至高真空后，在上游
控溅射技术沉积氧化铝阻氘层。磁控溅射系统主 腔室注入一定压力的氘气，从而使氘气在浓度梯度