氚化钛中He－3深度分布NDP测量关键技术研究

The He-3 produced from tritium decay can degrade the performance of materials, as of titanium-tritide that is widely used as tritium-barriers. The content and distribution for He-3 in the materials are difficult to measure and analyze by the routine method because He-3 and tritium both have the same mass. the Neutron Depth Profiling (NDP) technique solves this pivotal problem efficiently by utilizing secondary ions emitted in neutron induced reaction. It is an advanced non destructive testing method by which the content and distribution information of He-3 can be obtained so as to distinguish the tritium from He-3, which will give support for such researches as He-3 evolvement, the tritium-titanium material surface disposal technique as well as storage conditions. In this research, several key issue are studied, including the proton and recoil triton transportation simulation, the experimental measurement of TiTx sample, and the He-3 distribution evaluation. We aim at to solve the pivotal technique of measuring He-3 by NDP equipment, and to provide a reliable method of measuring He-3 in TiTx.

氚化钛是使用较为广泛的储氚材料，在存储过程中氚衰变产生He-3，会导致材料性能下降。由于He-3与氚原子质量相同，常规的分析方法难以对储氚材料中He-3的含量和分布进行测量分析。中子深度分析（NDP）是利用核反应来确定某些特定元素在材料近表面深度分布的一种非破坏性检测技术，可以对样品中的的氚和He-3进行有效地区分，从而为氚化钛材料中He-3的含量和深度分布提供可靠的实验测量数据，为氚化钛材料中He-3的演化机理研究、表面处理工艺探索、储存环境对样品中He-3的行为影响研究提供一种非破坏性测量方法。本课题通过开展质子和反冲氚核在氚化钛中输运过程的模拟计算，氚化钛样品的NDP实验测量技术研究以及对He-3分布测量结果评价工作，解决采用NDP技术分析储氚材料He-3含量的关键技术问题，为氚化钛中He-3深度分布测量提供可靠的技术手段。

氚化钛是使用较为广泛的储氚材料，在存储过程中氚衰变产生He-3，会导致材料性能下降。由于He-3与氚原子质量相同，常规的分析方法难以对储氚材料中He-3的含量和分布进行测量分析。中子深度分析（NDP）是利用核反应来确定某些特定元素在材料近表面深度分布的一种非破坏性检测技术，可以对样品中的的氚和He-3进行有效地区分，从而为氚化钛材料中He-3的含量和深度分布提供可靠的实验测量数据，为氚化钛材料中He-3的演化机理研究、表面处理工艺探索、储存环境对样品中He-3的行为影响研究提供一种非破坏性测量方法。本项目利用NDP技术对含氚化钛材料中的He-3分布进行测量，首次直接测量到He-3的深度分布，为材料的寿命评估和失效机理研究提供了直接的测量数据。项目研究过程中，实现NDP中离子输运全过程蒙特卡洛模拟，结合现有模拟技术的优点，研究了离子在固体物质中输运过程的快速模拟方法，耦合前后端处理，实现离子输运简便、高效的全过程模拟，并将模拟方法应用于氚化钛的NDP测量过程中质子输运过程的模拟计算，得到响应能谱。研究了NDP中离子能谱的反演方法，根据NDP的物理原理及技术特点，选择了适用的反演方法。将多种反演算法相互结合，以实现对超定方程、欠定方程及病态问题的求解，得较为理想的反演结果，并将其用于氚化钛材料测量质子能谱的反演计算。在原有NDP装置基础上，通过理论分析，设计并完成了NDP装置的升级改造与安装调试，与瞬发伽马活化分析(PGNAA)装置和冷中子照相(CNR)装置共用一条中子束流，提高了束流的使用效率。改造完成后，提高了装置的信噪比，并开展了实验测量研究。通过对硼标准样品SRM-2137、典型氚化钛样品的测量，结合样品信息，验证了测量方法的正确性。通过本项目的研究，掌握了完整的基于NDP技术的氚化钛样品中He-3深度分布测量的数值模拟、能谱反演和实验测量方法，并验证了其可行性。首次直接测量到氚化钛材料中He-3的深度分布，对氚化钛样品中He-3的深度分辨率约为100nm，测试结果已应用于氚化钛样品性能的分析评估。