CN102313898A - 热中子探测器及其制造方法 - Google Patents

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杨祎罡
路年华
田阳
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Tsinghua University
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Tsinghua University
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Abstract

本发明公开一种热中子探测器及其制造方法。热中子探测器包括微通道板，所述微通道板包括多个形成微通道的玻璃管，所述微通道的内壁镀有含有热中子吸收材料的膜层。通过利用成熟的镀膜技术在微通道内壁上镀上含热中子吸收材料的膜层，不需要改变微通道板的玻璃管的玻璃成分就能实现更高的探测效率，良好的空间分辨率，以及更好的热中子/γ抑制比，因此也不会影响微通道板的制备过程，从而可以利用现有商业可得的普通微通道板。

Description

热中子探测器及其制造方法
技术领域
本发明总地涉及热中子探测器，更具体地涉及微通道板的热中子探测器及其制造方法。
背景技术
微通道板(MicroChannel Plate)，是由数百万个直径～10μm、长度在几百μm到几mm、壁厚几μm的玻璃管构成的板状结构。微通道板已经广泛的应用于夜视仪、X射线测量。由于构成微通道板的玻璃管直径仅在10μm量级，因此它能够实现非常好的位置分辨。
在热中子测量的领域，探测效率和空间分辨率是评价探测器的两个重要指标。近年来，有人将微通道板用于对热中子的测量，由于微通道板良好的空间分辨率，因此在热中子测量时能够获得～10μm级别的空间分辨能力。但由于测量热中子需要诸如10B，6Li......等具有很大热中子吸收截面的核素，而构成微通道板的玻璃中通常并不含有(或含量较少)这样的核素，因此由常规玻璃构成的微通道板对热中子的探测效率并不高。在一些工作中，有人采取在普通的玻璃中掺杂热中子吸收材料如10B2O3、natGd2O3的方式来改善热中子探测效率，起到了一定的效果。但是这种方法受到一定的限制--在普通玻璃里面不能增加太多的10B2O3或natGd2O3，否则玻璃的性能就将改变，这将使微通道板的制备过程收到影响，难以或无法实现微通道板的制备。
现需要提供一种具有更高探测效率和更高空间分辨率的热中子探测器，而该热中子探测器的正常制备却不会受到影响。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种制备不受影响却具有更高探测效率和更高空间分辨率的热中子探测器。
本发明的目的之二是提供一种能够提高热中子探测器的探测效率和空间分辨率的制造热中子探测器的方法。
因此，根据本发明的第一方面，提供一种热中子探测器。该热中子探测器包括微通道板，微通道板包括多个形成微通道的玻璃管，微通道的内壁镀有含有热中子吸收材料的膜层。通过利用成熟的镀膜技术在微通道内壁上镀上含热中子吸收材料的膜层，不需要改变微通道板的玻璃管的玻璃成分就能实现更高的探测效率，良好的空间分辨率，以及更好的热中子/γ抑制比，因此也不会影响微通道板的制备过程，从而可以利用现有商业可得的普通微通道板。
根据本发明的热中子探测器的优选实施方式，膜层的优选材料为Gd2O3，优选厚度为100nm～1μm。
根据本发明的第二方面，提供一种制造热中子探测器的方法。该方法包括：提供微通道板，微通道板由形成微通道的玻璃管组成；和在微通道的内壁上镀膜以形成含有热中子吸收材料的膜层。该方法利用成熟的镀膜技术能够在现有商业可得的普通微通道板的微通道内壁上镀上含热中子吸收材料的膜层，从而提高了热中探测器的探测效率和空间分辨率。
根据本发明的方法的优选实施方式，采用原子层沉积法(AtomicLayer Deposition，简称ALD)进行镀膜。
通过阅读下列的详细描述及参考附图，本发明的其他目的和优点将变得很明显。
附图说明
图1为现有微通道板的典型结构的示意图；
图2为图1所示微通道板的典型结构的沿法线方向的剖面示意图；
图3为根据本发明的热中子探测器的一个优选实施例的剖面示意图；
图4为本发明的热中子探测器测量热中子的原理示意图。
具体实施方式
图1显示了现有的微通道板的典型结构。如图所示，可以看到微通道板是一个由大量玻璃管组成的板状玻璃。图2则显示了该板状玻璃沿着图1中所示法线方向的剖面结构。从图2可以看到：微通道板由大量相同的孔径结构构成。每一个孔径的直径为D，一般在10μm左右，在孔径内是真空。在孔径与孔径之间是玻璃，玻璃的厚度为W，一般在几个μm。孔径的直径D加上孔径间玻璃的厚度W，就是每个孔径所占的尺寸P。孔径沿着法线方向的长度为L，一般在几百μm到几mm。上述所有参数具体的大小可以由用户决定，也可以由供货商的产品目录决定。在构成图1、2中微通道板的玻璃材料里，通常只含有少量或不含有热中子吸收材料，因此无法实现高的热中子探测效率。
为了提高本发明的热中子探测器的探测效率和空间分辨率，本发明采用的方式是不改变玻璃的组分，而只是在微通道板的玻璃孔径的内表面上进行镀膜。在一个优选实施方式中，镀膜方式采用原子层沉积法。当然，在其它实施方式中，也可以采用其它已知的镀膜方法。图3显示了根据本发明的热中子探测器的一个优选实施方式的剖面示意图。如图所示，镀膜后的微通道板较之镀膜前增加了一个热中子吸收材料膜层，其厚度为T，这膜层构成了微通道板中的热中子探测部分。镀膜之后，在每个孔径的内表面，都实现了这样厚度的镀膜。在优选实施方式中，热中子吸收材料膜层的厚度范围为100nm～1μm。热中子吸收材料膜层含有强热中子吸收能力的元素Gd，该元素以氧化物Gd2O3的形式存在。当然，在其它实施方式中，吸收热中子的元素也可为B、Li、或富集后的155Gd、157Gd、10B或6Li，这些元素通常是以氧化物的形式存在，例如B2O3，但也可以是其它形式的化合物。经过镀膜，普通的微通道板就具有了热中子探测能力，从而可以构成热中子探测器。
图4显示了本发明的热中子探测器的热中子探测原理。如图所示，入射热中子(1)射向镀膜之后的微通道板，由于镀膜后的微通道板在孔径内部有一个厚度为100nm～数μm的热中子吸收材料层，而该镀膜层中所含的材料具有非常强的热中子吸收能力，因此当该热中子射入镀膜层时，热中子将被强烈、的吸收。在镀膜层吸收入射热中子(1)后，热中子吸收材料中的核素将会放出带电粒子(2)，它可以是电子、α粒子、或其它重带电粒子。带电粒子(2)具有很大的动能，因此能够穿透镀膜层和玻璃而进入真空，当带电粒子再次进入玻璃的墙壁时，将会在玻璃中撞击产生倍增电子(3)。在微通道板的两端施加了一个电压，正极在下，负极在上，这个电压在微通道板的上下表面之间形成了一个电场，倍增电子(3)受到电场力的作用将向下运动，并且在运动过程中会因为与管壁的再次碰撞而产生倍增电子(4)。这里倍增电子(3)的电量比带电粒子(2)大，倍增电子(4)的电量比倍增电子(3)的电量，即每次和管壁的碰撞都会使得电量增多。这样的倍增过程还将持续多次，直到电子射出孔径，形成倍增电子(5)。此时倍增电子(5)的电量已经足够大，使得后续电路对它的测量变得很容易；由于微通道板的孔径构成了对倍增电子的位置限制作用，使得形成的出射电子只能在一个孔径之内，这样就可以保证热中子探测器获得良好的空间分辨率。需注明的是，由于带电粒子(2)的能量很大，因此在相邻的孔径内也会观察到电子，但是这些电子的数量相对很少，因此不会对热中子探测器的空间分辨率产生实质性影响。
由于热中子射入的镀膜纯度可以很高，因此热中子吸收核素的空间密度很大，因此尽管镀膜的厚度较薄，仍然可以实现很高的热中子探测效率。经过测试，当镀膜厚度为300nm时，对25.3meV热热中子的探测效率可以达到50％以上。
需要说明的是，图4中微通道板两端所施加的电压可以按照常规微通道板所需的电压。微通道板放大之后的出射电子(5)用常规的信号读出电路就可以分析。
虽然已经描述了本发明的典型实施例，应该明白本发明不限于这些实施例，对本专业的技术人员来说，本发明的各种变化和改进都能实现，但这些都在本发明权利要求的精神和范围之内。

Claims (15)

1.一种热中子探测器，其包括微通道板，所述微通道板包括多个形成微通道的玻璃管，其特征在于：所述微通道的内壁镀有含有热中子吸收材料的膜层。
2.根据权利要求1所述的热中子探测器，其特征在于：所述热中子吸收材料包含下列元素之一：Gd；富集后的155Gd；富集后的157Gd；B元素；富集后的10B；Li；和富集后的6Li。
3.根据权利要求2所述的热中子探测器，其特征在于：所述元素以氧化物的形式存在。
4.根据权利要求2所述的热中子探测器，其特征在于：所述元素以化合物的形式存在。
5.根据权利要求1所述的热中子探测器，其特征在于：所述膜层的材料为Gd2O3。
6.根据权利要求1所述的热中子探测器，其特征在于：所述膜层的材料为B2O3。
7.根据权利要求1所述的热中子探测器，其特征在于：所述膜层的厚度为100nm～1μm。
8.一种制造热中子探测器的方法，包括以下步骤：
提供微通道板，所述微通道板由形成微通道的玻璃管组成；和
在所述微通道的内壁上镀膜以形成含有热中子吸收材料的膜层。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述镀膜采用原子层沉积法。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述热中子吸收材料包含下列元素之一：Gd；富集后的155Gd；富集后的157Gd；B元素；富集后的10B；Li；和富集后的6Li。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于：所述元素以氧化物的形式存在。
12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于：所述元素以化合物的形式存在。
13.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述膜层的材料为Gd2O3。
14.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述膜层的材料为B2O3。
15.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述膜层的厚度为100nm～1μm。
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