中子束于半导体薄膜材料之运用Applications of neutron beam on semiconductor thin films一、缘起与目的本计划于清华水池式反应器（THOR）中子束，建立一条多功能之仪器测试中子束，使其成为将来TRR-II 中子束研究计划之教育训练、仪器测试、以及先导型实验之场所。另外，我们亦建立分析数据之程序，以利了解由中子散射之值，获得金属薄膜于半导体上密度厚度及接口粗糙度等信息。计划选定THOR-W3 中子束, 希望于TRR-II, 公元2006 年运转之际，能够培养出部分之仪器工程师可以使用，用户人员培训也可以先于THOR之实验站实习, 接受基本训练后, 再行出国受训。以THOR之功率为2 MW, 虽未装置冷中子源且为对准炉心之中子束，但是在国际上也有若干相似之原子炉建造中子束以供用户从事中子散射之实验，其中最成功的为荷兰Delft 技术大学，拥有5条中子束，包括反射仪及中子自旋回音等自行研发之新型设备仪具，发表之文献也颇为可观，其次为挪威Kjeller 原子炉亦为2 MW, 加装冷中子源具有5条中子束，美国Rhode-Island 大学之2 MW原子炉加装中子反射仪以及马来西亚之1MW也加中子小角度散射仪。我国有20MWTRR-II计划初步也有三条中子光束线之计划，目前以培训人才为当务之急，THOR之中子束之建立可以提供相当之支持任务。其例子正如国内同步辐射中心增频磁铁X光束线之实验，宜以转靶式X光机之光束线做为实验前之准备, 人员训练以及仪具准备与测试之用，虽然两者强度差1000 倍，但是若干重要之结果也因此罢有斩获。THOR之中子束约有107-108 n/cm2s之通率，虽然热中子通量较将来之TRR-II少了约30倍，适当的设计及选择研究题目亦大有可为。国内虽然仍有核能研究所之零功率反应器（ZPRL, 30 kW）以及清大之移动教学式反应器(THMER, 0.1W)，但是前者将于2006 年前退出所有核燃料，THMER正进行除役中。THOR延寿20 年正式提升其使用功能之时刻，THOR中子束培训之人才将转为TRR-II 之使用人才及仪器发展人才。THOR建立一条多功能之仪器测试中子束与TRR-II 之能谱仪设置之目标最大之不同: 在于TRR-II 中子散射仪器以单功能为主, 而THOR之设计将以多功能且为模块式之架构, 随研究计划之进行而变更排列组合为主。此一设计逻辑较单一功能之中子束更易于培育仪器人才而且总经费也得以降低。THOR中子束位于理工大学城，数千名学生教授以及物理化学及材料之学者环伺，其地理位置又较TRR-II为佳，初步之实验试车，试样之准备，相关设备之配合（如X光机实验，高分子物理性质测定仪具，薄膜分析仪器等），仪器之改进与发展，问题解决及咨询，数据之分析，新观念之馈集，对于学生及学者之长时间投入均较TRR-II 为优。THOR建立一条多功能之仪器测试以及长期从事先导型研究有其价值。目前THOR以中子活化分析以及同位素制造为主，长年来已成为例行运转之工作，有学术突破性之研究工作之机会较少，核能工业之趋势也无法鼓励原科院之学生参与，然而BNCT研究之进行吸引了十余位研究生参与，延续了部分核子医学的新生人才，同样的，多年来THOR中子束运用于材料分析方面之工具建立上，过于零散设备凋零，未能有效发挥其于固态物理及生化上之研究功能，导致研究生流失，造成今日TRR-II 中子束使用人才缺乏，同时也造成物理界化学界以及材料界对于中子之运用漠不关心。THOR早日建立一条多功能之仪器测试中子束将可以解决部分问题，吸引研究生参与中子于固态物理之研究工作。此一中子束之建立并不会造成THOR之负担，40 年来THOR之运转大部分之中子束管均以屏蔽尘封，贵重的中子为屏蔽吸收未曾运用，亦为国家投资之一项浪费。THOR之延寿运转，除例行运转之外，培训核能运转人才之任务以随着核工系更名而逐渐消失，BNCT计划成为THOR在国际具有竞争力之研究，THOR之多功能之仪器测试中子束若能发挥其新型仪具研发之功能测试新型中子光学仪器与侦检器亦将可以与荷兰Delft 大学同样具有国际竞争力。而于多功能之仪器测试中子束之先导实验测试下, 准备好的实验, 将来于TRR-II 实验或世界各国申请到中子束之时间, 成功机率也将大幅提高。