一種散裂中子源用的粒子束影像涂層及其制備方法
【技術領域】
[0001]本申請涉及散裂中子源靶體粒子束成像領域，特別是涉及一種散裂中子源用的粒子束影像涂層及其制備方法。
【背景技術】
[0002]中國散裂中子源是國家重大科技基礎設施項目，它是一個用中子來了解微觀世界的工具；為我國在物理學、化學、生命科學、材料科學、納米科學、醫(yī)藥、國防科研和新型核能開發(fā)等學科前沿領域的基礎研宄和高新技術開發(fā)研宄提供一個新進、功能強大的大科學研宄平臺。中國散裂中子源是發(fā)展中國家擁有的第一臺散裂中子源，和正在運行的美國、日本與英國散裂中子源一起，構成世界四大脈沖散裂中子源。
[0003]其中，散裂中子源的中子是通過高能質子束流轟擊重金屬靶體產生，為了準確判斷高能質子束流轟擊到靶體的位置和束流分布，目前使用的方法是，在金屬靶體前窗表面增加一層影像涂層，入射的粒子束轟擊該影像涂層時，影像涂層會發(fā)出特定波長范圍的光，通過將影像涂層發(fā)出的光收集、引出并成像，可判斷高能質子束流轟擊到靶體前窗位置的分布和強度。
[0004]由于散裂中子源這種大型的大科學基礎設施相對較少，相關研宄報道也很有限，包括中國在內的四大脈沖散裂中子源中，也只有美國的散裂中子源中有影像涂層的相關介紹；并且也僅限于介紹可以通過影像涂層實現對轟擊靶體的準確判斷，至于其影像涂層的具體成分，影像涂層怎樣制備等都未曾公布。

【發(fā)明內容】

[0005]本申請的目的是提供一種新的特別適用于散裂中子源靶體的粒子束影像涂層，及其制備方法。
[0006]本申請采用了以下技術方案:
[0007]本申請公開了一種用于散裂中子源靶體的粒子束影像涂層，影像涂層涂覆于被轟擊的靶體前窗外表面，影像涂層的主要活性成份為Cr3+摻雜的Al 203粉體。
[0008]需要說明的是，由于目前世界上的散裂中子源設備很少，關于影像涂層的介紹僅僅只有美國的散裂中子源有提到，并且相關技術都處于保密狀態(tài)；因此，如何選擇合適的涂層材料，保障有效的發(fā)光效率，對得到準確影像是至關重要的。本申請經過大量的研宄和分析，最終認為Cr3+摻雜的Al 203粉體作為涂層，所產生的特定波長的紅光，能夠滿足散裂中子源的影像涂層需求?？梢岳斫猓罄m(xù)的光路引出和光學分析，采用傳統(tǒng)的光學系統(tǒng)即可，在此不累述。
[0009]優(yōu)選的，影像涂層中Cr3+的摻雜量為總重量的1% -5%。需要說明的是，根據本申請的研宄顯示，Cr3+的摻雜量會影響影像涂層的發(fā)光效率，本申請優(yōu)選的Cr3+的摻雜量為總重量的1% _5%。
[0010]優(yōu)選的，Al2O3粉體中86%以上為α相粉體。需要說明的是，根據本申請的研宄顯示，α相Al2O3對發(fā)光效率有重要影響，Al2O3粉體中α相的Al 203含量越多，發(fā)光效率越高；而α相Al2O3的含量除了取決于Al2O3粉體的生產工藝以外，研宄證實，涂覆形成影像涂層的方式也會影響最終影像涂層中α相Al2O3的含量；也就是說，即便涂覆的原料中Al2O3都是α相的，但是，在涂覆的過程中，采用不同的涂覆方式，會不同程度的，有部分α相的Al2O3轉換成其它相，從而影響最終制備的影像涂層的發(fā)光效率。本申請的研宄顯示，目前所有的涂覆方式，都無法避免α相的Al2O3轉換成其它相，并且，在最終的影像涂層中也很難達到86%以上為α相粉體。為此，本申請根據Cr3+摻雜的Al2O3粉體研宄出特別的噴涂方式，并在優(yōu)選的方案中對其噴涂條件進行優(yōu)化，從而使得最終的影像涂層中Al2O3粉體能夠達到86%以上為α相粉體，以保障發(fā)光效率，這將在后文詳細介紹。
[0011]本申請的另一面公開了一種本申請的影像涂層的制備方法，包括制備Cr3+摻雜的Al2O3粉體，然后，采用火焰噴涂的方式將Cr 3+摻雜的Al 203粉體噴涂到靶體前窗外表面，火焰噴涂為低功率噴涂。
[0012]需要說明的是，本申請經過大量研宄發(fā)現，火焰噴涂，特別是低功率的火焰噴涂能夠比較好的避免α相的Al2O3轉換成其它相。優(yōu)選的，低功率的火焰噴涂中，噴涂燃料乙炔和氧氣所占比例為40% -60%之間。
[0013]優(yōu)選的，噴涂燃料乙炔和氧氣所占比例為45% -50%之間。
[0014]優(yōu)選的，Cr3+摻雜的Al 203粉體采用共沉淀法合成。需要說明的是，本例制備的Cr3+摻雜的Al2O3粉體中，Al 203粉體基本都是α相Al 203，這能夠盡量提高最終的影像涂層中α相Al2O3的含量，配合本申請的低功率火焰噴涂，能夠使得最終的影像涂層中86%以上的Al2O3粉體為α相。
[0015]優(yōu)選的，化學合成法的原料為Al鹽和Cr鹽。需要說明的是，化學合成法制備Cr3+摻雜的Al2O3粉體，其鋁源和鉻源有很多種，本申請中，為了盡量有效的保障最終制備的Cr3+摻雜的Al2O3粉體中Al 203粉體為α相，優(yōu)選采用Al (NO 3) 39H20、Cr (NO3) 39Η20為原材料；并不排除其它的鋁源和鉻源也可以制備出能夠滿足本申請需要的Cr3+摻雜的Al 203粉體。
[0016]優(yōu)選的，Cr3+摻雜的Al 203粉體中，Cr 3+的摻雜量為總重量的1.5% _2%。需要說明的是，根據本申請的研宄，Cr3+摻雜是產生特定波長紅光的重要條件，但是，其含量過多或過少都不利于達到本申請所需要的發(fā)光效率，因此，本申請優(yōu)選的采用Cr3+的摻雜量為總重量的1% -5%，以保障所制備的影像涂層的發(fā)光效率。
[0017]本申請的再一面公開了，一種Cr3+摻雜的Al 203粉體在散裂中子源靶體的影像涂層中的應用，其中，Cr3+摻雜的量為粉體總重量的1% _5%，該應用包括，以Cr3+摻雜的Al 203粉體為原材料，通過低功率的火焰噴涂將Cr3+摻雜的Al 203粉體噴涂到被轟擊的靶體前窗外表面，形成影像涂層。
[0018]本申請的有益效果在于:
[0019]本申請的影像涂層特別針對散裂中子源研制，是繼美國散裂中子源之后，世界上第二個使用影像涂層的散裂中子源；本申請的影像涂層發(fā)光效率高，能夠滿足準確判斷高能質子束流在靶體位置的束流分布和強度的使用需求；為我國散裂中子源的進一步研宄和發(fā)展奠定了基礎。
【附圖說明】
[0020]圖1是本申請實施例中對Al2O3粉體的相結構進行分析的XRD分析圖，其中，11為實施例制備的Cr3+摻雜的Al 203粉體的分析曲線，12為高功率火焰噴涂制備的影像涂層的分析曲線，13為低功率火焰噴涂制備的影像涂層的分析曲線；
[0021]圖2是本申請實施例中影像涂層的發(fā)光強度的結果圖，其中，21為高功率火焰噴涂制備的影像涂層的發(fā)光強度，22為低功率火焰噴涂制備的影像涂層的發(fā)光強度；
[0022]圖3是本申請另一實施例中不同噴涂方式獲得的影像涂層的發(fā)光強度的結果圖，其中，31為等離子體噴涂制備的影像涂層的發(fā)光強度，32為爆炸噴涂制備的影像涂層的發(fā)光強度，33為火焰噴涂制備的影像涂層的發(fā)光強度。
【具體實施方式】
[0023]由于現有的散裂中子源設備很少，相關的研宄報道也很有限，散裂中子源靶體的影像涂層更是只有美國的散裂中子源有提到；這對我國研宄散裂中子源靶體的影像涂層帶來極大的困難。
[0024]本申請經過大量的研宄證實，Cr3+摻雜的Al 203粉體，被入射粒子束轟擊后發(fā)出的特定波長范圍的紅光，能夠適用于散裂中子源。但是，盡管Cr3+摻雜的Al 203粉體所制備的影像涂層能夠適用于散裂中子源；但現有生產技術所制備的Cr3+摻雜的Al 203粉體，所制備的影像涂層發(fā)光效率較低。
[0025]經過申請人的深入研宄發(fā)現，影像涂層的發(fā)光效率跟Al2O3粉體中α相氧化鋁的比例成正相關，也就是說，α相氧化鋁的含量越高，發(fā)光效率越強。為此，本申請?zhí)貏e對制備Cr3+摻雜的Al 203粉體的原料和制備方法進行了研宄，發(fā)現以Al (NO 3) 39Η20和Cr (NO3) 39Η20為原料，采用化學法合成的Cr3+ = Al2O3粉體中，α相氧化鋁的含量較高，基本上都是α相氧化鋁。本申請采用基本上都是α相氧化鋁的Cr3+ = Al2O3粉體制備了影像涂層，但是，結果仍然不理想，影像涂層的發(fā)光效率仍然偏低。
[0026]進一步的研宄發(fā)現，雖然采用的Cr3+ = Al2O3粉體中基本上都是α相氧化鋁，但是，經過涂覆后在最終制備得到的影像涂層中α相氧化鋁的含量相對較低，也就是說，在涂覆的過程中α相氧化鋁轉換為了其它相。為此，申請人對不同的涂覆方式進行試驗，結果發(fā)現，不同的涂覆方式，都會