加速器照射用的铑靶要求尺寸为100×10mm，根据103Pd产率图，铑镀层要求质量厚度大于150mg/cm2(图1)【1】，镀层与靶托要结合牢固（这样经加速器照射，可产出居里级的103Pd）。在制靶技术中，为了满足上述要求，可以采取真空镀膜技术，
但设备复杂、造价高、工艺条件苛刻；也可以选用电沉积的方法，此方法有设备简单、成本低、操作方便等特点。电沉积方法包括两种，直流电镀和脉冲电镀。采用直流电沉积法制备的铑镀层有内应力大、易开裂【2】等缺限，达不到加速器照射所需要求。脉冲法【3】作为一种镀层质量槽外控制技术，具有直流电镀所不具备的优点，可改善镀层质量，满足照射要求。
图1 103Pd产率与靶层厚度的关系
2. 加速器照射用铑靶的研制
2.1采用脉冲电沉积电源
电源特点：电源的阴极设计为多路输出形式（可引出多个接头），满足同一时间制备多块靶的要求。该电源具有不对称方波调制的正负脉冲输出，在正脉冲期间，给裸靶进行电沉积，在负脉冲期间对靶上金属进行溶解（即会溶下沉积层表面上的一些毛刺）与直流电镀相比，它可以提高电流效率，使镀层结晶细密、纯度高、均匀性好[4]。正负脉冲比例的可调性，利于根据所需制靶的情况进行选择。
脉冲电镀参数[4]及特点
图中Ton是指脉冲导通时间，当电流导通时接近阴极的金属离子充分地被沉积。Ton的长短决定阴极扩散层建立的速率。Toff是指脉冲关断时间，电流关断时阴极周围的放电离子又恢复到初始浓度。决定扩散层向脉冲扩散层补充金属离子的速率。脉冲电镀就是利用脉冲电流的导通关断，增强阴极的活性极化和降低阴极的浓差极化，有效改善镀层的质量。
脉冲参数R，即占空比，是由Ton,Toff及周期决定。简单说就是正脉冲持续时间与脉冲总周期的比值（R = ton/(ton +toff)*100%）一般脉冲电镀贵重金属时，R选取10%—50%，具体多少要在实际实验后得到最佳值。后面有介绍占空比的选择实验
图中Jp指脉冲电流密度，是脉冲电镀时金属离子在阴极表面的最大沉积速度，它受到R，以及平均电流密度制约（Jp=Jm/R），脉冲导通电流密度远远大于直流电镀的电流密度，这使金属离子处在直流电镀实现不了的极高过电位下电沉积，其结果不仅能改善镀层物理化学特性，还能降低电沉积时析氢副反应所占比例。
图3 电镀装置示意图
2.3镀液组成和工艺
(1)镀液组成 Rh浓度=15-20g/L；H2SO4浓度=1-2mol/L
(2)工艺参数 温度20-35 oC；电流密度6-10mA/cm2；阳极为铂片；阴极为紫铜
(3)工艺流程 靶片前处理(机械抛光、去油)→水洗→脉冲电镀→回收水洗→烘干。
2.4实验参数对铑靶的影响
(1)电流效率与镀液中铑含量的关系
镀液中含铑量过低，电流效率下降，镀层色暗；含量过高，镀层粗糙，质量差。由图4还可知：在相同的条件下，脉冲要比直流的效率高。
铑含量过低，电镀时间过长，不利于在实践中应用。在综合比较之下，铑浓度在15—20mg/mL为佳。
图4 镀液中铑浓度与电流效率的关系
(2) 酸度影响
镀铑液中的酸度主要是由加入硫酸量来控制的。硫酸的加入，能增加镀液的导电能力和使镀液具有一定的酸度，起稳定镀液的作用。硫酸浓度范围很广，在0.2—2.5mol/L间对镀层外观无大影响。它对电流效率影响也不大。但硫酸含量过高时，电镀时析氢严重，镀层的质量变差。为使镀液稳定，能循环使用，脉冲制备铑靶时，硫酸浓度最好控制在1—2mol/L(表1)。
(3)脉冲参数R对镀层质量的影响
表2显示脉冲参数对靶层质量的影响。由表可知，脉冲镀层质量与占空比R有很大关系。随R降低，靶层质量有很大的改善；但R过低时，靶层质量变差。当R=10%时，靶层外观细致、平整、牢固，呈银白色。（在实际操作中，我们将脉冲电源的脉冲导通时间调到100uS,周期调至1mS，进行实验，镀层质量最佳）
(4)脉冲参数—平均电流密度Jm 对电流效率和镀层质量的影响
脉冲参数Jm对靶层质量有很大的影响。由表3、图5可知，随着电流密度的增加，电流效率下降，阴极析氢增加,靶面边缘产生针孔，镀层易脱落。电流密度应控制在6―10mA/cm2范围内。
(5) 电镀温度的影响
温度低于10 oC时，镀层致密性差，表面呈灰黑色，易脱落；而温度高于70 oC时，镀层脆性大，结合力差，而且镀液易恶化不能再利用[5]。温度最好控制在20—35oC。
3．结论
图6 金属靶托：（左：覆盖了靶材料的靶托 右：未覆盖靶材料的靶托）
1）通过大量实验得出镀液浓度，脉冲参数（占空比R，平均电流密度），酸度，电镀温度的最佳范围.（浓度为15-20g/L；R=10%；Jm=6-10mA/cm2；硫酸浓度1-2mol/L；电镀温度20-35 oC）
2）用脉冲电镀法制备的铑靶，镀层厚度大于150mg/cm2时，靶层细致、平整、牢固、实用。解决了直流电沉积法制备铑镀层有内应力大、易开裂的问题。
论文作者:李超
论文发表刊物:《科技新时代》2018年2期
论文发表时间:2018/4/27
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