中子束于半導體薄膜材料之運用
Applications of neutron beam on semiconductor thin films
一、緣起與目的
本計劃于清華水池式反應器（THOR）中子束，建立一條多功能之儀器測試中子
束，使其成為將來TRR-II 中子束研究計劃之教育訓練、儀器測試、以及先導型實驗之
場所。另外，我們亦建立分析數據之程序，以利了解由中子散射之值，獲得金屬薄膜
于半導體上密度厚度及接口粗糙度等信息。
計劃選定THOR-W3 中子束, 希望于TRR-II, 公元2006 年運轉之際，能夠培養出
部分之儀器工程師可以使用，用戶人員培訓也可以先于THOR之實驗站實習, 接受基
本訓練后, 再行出國受訓。以THOR之功率為2 MW, 雖未裝置冷中子源且為對準爐心
之中子束，但是在國際上也有若干相似之原子爐建造中子束以供用戶從事中子散射之
實驗，其中最成功的為荷蘭Delft 技術大學，擁有5條中子束，包括反射儀及中子自旋
回音等自行研發之新型設備儀具，發表之文獻也頗為可觀，其次為挪威Kjeller 原子爐
亦為2 MW, 加裝冷中子源具有5條中子束，美國Rhode-Island 大學之2 MW原子爐加
裝中子反射儀以及馬來西亞之1MW也加中子小角度散射儀。我國有20MWTRR-II
計劃初步也有三條中子光束線之計劃，目前以培訓人才為當務之急，THOR之中子束
之建立可以提供相當之支持任務。其例子正如國內同步輻射中心增頻磁鐵X光束線之
實驗，宜以轉靶式X光機之光束線做為實驗前之準備, 人員訓練以及儀具準備與測試
之用，雖然兩者強度差1000 倍，但是若干重要之結果也因此罷有斬獲。THOR之中子
束約有107-108 n/cm2s之通率，雖然熱中子通量較將來之TRR-II少了約30倍，適當的
設計及選擇研究題目亦大有可為。
國內雖然仍有核能研究所之零功率反應器（ZPRL, 30 kW）以及清大之移動教學
式反應器(THMER, 0.1W)，但是前者將于2006 年前退出所有核燃料，THMER正進行
除役中。THOR延壽20 年正式提升其使用功能之時刻，THOR中子束培訓之人才將
轉為TRR-II 之使用人才及儀器發展人才。THOR建立一條多功能之儀器測試中子束與
TRR-II 之能譜儀設置之目標最大之不同: 在于TRR-II 中子散射儀器以單功能為主, 而
THOR之設計將以多功能且為模塊式之架構, 隨研究計劃之進行而變更排列組合為
主。此一設計邏輯較單一功能之中子束更易于培育儀器人才而且總經費也得以降低。
THOR中子束位于理工大學城，數千名學生教授以及物理化學及材料之學者環伺，其
地理位置又較TRR-II為佳，初步之實驗試車，試樣之準備，相關設備之配合（如X
光機實驗，高分子物理性質測定儀具，薄膜分析儀器等），儀器之改進與發展，問題解
決及咨詢，數據之分析，新觀念之饋集，對于學生及學者之長時間投入均較TRR-II 為
優。THOR建立一條多功能之儀器測試以及長期從事先導型研究有其價值。目前THOR
以中子活化分析以及同位素制造為主，長年來已成為例行運轉之工作，有學術突破性
之研究工作之機會較少，核能工業之趨勢也無法鼓勵原科院之學生參與，然而BNCT
研究之進行吸引了十余位研究生參與，延續了部分核子醫學的新生人才，同樣的，多
年來THOR中子束運用于材料分析方面之工具建立上，過于零散設備凋零，未能有效
發揮其于固態物理及生化上之研究功能，導致研究生流失，造成今日TRR-II 中子束使
用人才缺乏，同時也造成物理界化學界以及材料界對于中子之運用漠不關心。THOR
早日建立一條多功能之儀器測試中子束將可以解決部分問題，吸引研究生參與中子于
固態物理之研究工作。此一中子束之建立并不會造成THOR之負擔，40 年來THOR
之運轉大部分之中子束管均以屏蔽塵封，貴重的中子為屏蔽吸收未曾運用，亦為國家
投資之一項浪費。THOR之延壽運轉，除例行運轉之外，培訓核能運轉人才之任務以
隨著核工系更名而逐漸消失，BNCT計劃成為THOR在國際具有競爭力之研究，THOR
之多功能之儀器測試中子束若能發揮其新型儀具研發之功能測試新型中子光學儀器與
偵檢器亦將可以與荷蘭Delft 大學同樣具有國際競爭力。而于多功能之儀器測試中子束
之先導實驗測試下, 準備好的實驗, 將來于TRR-II 實驗或世界各國申請到中子束之時
間, 成功機率也將大幅提高。