CN103641308B - 一种皮玻璃及其制造的中子敏感微通道板 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能够生产中子敏感微通道板的掺杂三氧化二钆的微通道板基体皮玻璃成份及其制造的大尺寸高探测效率的中子敏感微通道板。本发明所述的掺杂三氧化二钆的微通道板皮玻璃成份的摩尔百分比为：SiO₂ 50.0～66.0%，∑(Pb0+Bi₂O₃+Sb₂O₃) 20.0～31.0%，∑(Na₂0+Cs₂O) 4.5～10.0%，BaO 1.0～3.0%， Gd₂O₃ 3.0～4.0%，TiO₂ 2.5～3.0%，Al₂O₃ 1.5～2.0%。由本发明所述的皮玻璃制作的中子灵敏微通道板对热中子探测效率可达到35%，而通过MCP几何结构的进一步优化还可使探测效率得到显著改善。

Description

一种皮玻璃及其制造的中子敏感微通道板

技术领域

本发明涉及一种皮玻璃及其制造的微通道板，特别是一种掺杂三氧化二钆的微通道板皮玻璃及其制造的中子敏感微通道板，可应用于中子成像探测领域。

背景技术

微通道板是由可多达数百万甚至千万以上的平行排列的6～12μm通道孔径8～15μm通道间距的玻璃通道熔合而成的通道阵列，再按一定角度斜切而成的厚度在0.3～0.6mm量级的玻璃薄片。微通道板采用铅硅酸盐玻璃管和可酸溶玻璃棒制作，通过熔合纤维光学制作方法并用酸蚀除芯而形成通道阵列，再经氢还原处理获得表面导电特性，最后在其上下两端面镀有金属电极用以可施加工作电压。由此构成一个具有二维空间分辨能力的紧凑型的各自独立的打拿极倍增器阵列。

当在微通道板输入和输出面之间施加一个约1kV的高压时，沿通道壁传导的一个微弱带电流在通道壁内建立约2MVm^-1的通道内电场。当一个荷能粒子从通道的低电势端进入，并撞击通道壁激发产生一个或多个二次电子，通道输入端内表层受到来自于光阴极的一定能量的光电子的碰撞，这些电子受到通道内电场作用下加速，沿抛物线运动，撞击通道内壁，再次激发产生二次电子，如此经过重复多次的碰撞和电子的二次发射倍增的级联过程，形成“电子雪崩”效应，最后在高电势输出端面产生高额的电子输出。

微通道板具有对电子、离子、UV光子和软X射线的直接探测能力，借助光电转换以产生光电子输入以及荧光屏亮度输出的方式，采用单片微通道板即可实现对连续微弱光的模拟成像，提供的灰度级别的允许可变事件率的光学识别；而采用V型或Z型叠加的微通道板堆，通过直接或借助光电转换以产生光电子输入以及位置灵敏阳极的方式，微通道板探测器可实现对极微弱的离散光子甚至单光子的脉冲计数成像探测。

但微通道板基体玻璃中不含有对中子灵敏的核素，不具备对中子的探测能力。通过在微通道板基体玻璃中掺杂中子灵敏核素，如⁷Li、¹⁰B、¹⁵⁵Gd、¹⁵⁷Gd，可使微通道板对中子敏感，并沿用微通道板的制作工艺，可以实现微通道板对中子的敏感。1990年Fraster 和Pearson 提出在微通道板玻璃中引入Li, 利用⁶Li（n，α）³H反应发射的α粒子产生电离电子能够被微通道板所探测，1995年Fraser又提出了在微通道板玻璃中引入¹⁰B₂O₃，使微通道板获得对热中子的探测灵敏度，从而将微通道板的应用拓展到以中子为探针的成像探测应用。2000年，Feller和Downing等人创办了NOVA Scientific，并通过在微通道板基体玻璃中掺杂¹⁰B首次实现了中子敏感微通道板，随后NOVA Scientific在掺杂¹⁰B和Gd的微通道板上实现了高探测效率高空间分辨和时间分辨的中子成像探测。

在一个掺硼玻璃的中子敏感微通道板中，一旦中子被微通道板基体玻璃中的¹⁰B原子所俘获，由下述反应式描述的中子诱发的¹⁰B (n, α) ⁷Li反应将在几个微米厚度的通道壁内发生：

中子与¹⁰B相反应的产物为⁷Li和一个反冲α粒子(6%)，或⁷Li、一个α粒子和一个γ光子(94%)。α粒子和一个⁷Li带荷粒子以相反方向发射以动量守恒，α粒子和一个⁷Li粒子在微通道板玻璃中的移动距离大约相应的为3.5μm和2μm，而微通道板的壁厚通常为2～3μm，一些粒子在微通道板玻璃壁中被吸收，而多数从通道壁中逸出而激发至少一个通道至多两个相邻通道，并在通道中高概率的起始一个电子雪崩，中子事件可限定在一个单通道之内。

^155,157Gd俘获中子后产生的^155,157Gd（n，γ）^156,158Gd反应放出的是γ光子和内转换电子:

¹⁵⁵Gd+n→¹⁵⁶Gd+(γ’s＋conversion e’s; Q-value 7.9Mev)

¹⁵⁷Gd +n→¹⁵⁸Gd+( γ’s＋conversion e’s; Q-value 8.5Mev)

^155,157Gd(n,γ)^156,158Gd反应发射的γ光子和内转换电子具有高能量因而在微通道板基体中较¹⁰B (n, α) ⁷Li反应有较长的路径，内转换电子（及随后可能的俄歇电子）的能量主要在29～181keV间，但内转换电子较γ光子易于阻止，其在微通道板玻璃中仅有最大可能的范围为14～15μm，对于一个10μm通道孔径的微通道板，这意味着中子事件引发的电子雪崩仍然在1到2个通道中。但由于微通道板无法有效阻止反应的另一个产物γ光子穿越多个通道，并随后被微通道板所探测，有可能导致成像产生雾翳，和可能形成的重影，造成对空间分辨力的一定影响，降低中子照相的质量。

¹⁵⁵Gd和¹⁵⁷Gd对于0.0253eV的热中子俘获截面为61,000 b和259,000 b，¹⁵⁵Gd的丰度为14.8%，¹⁵⁷Gd的丰度为 15.7%，平均来看相当于每个Gd原子核的热中子俘获截面为49,000b。而¹⁰B 的丰度为19.9%，相应的热中子的俘获截面仅为3,837b，并且浓缩¹⁰B价格昂贵。从理论上讲，掺3mole%^natGd₂O₃的微通道板对热中子的探测效率相当于甚至是优于掺20mol的¹⁰B₂O₃的微通道板。对于一个厚度为0.6mm的微通道板，在3mol%^natGd₂O₃的基础上，再增加微通道板皮玻璃中的中子吸收原子数量，对探测效率改善的效果并不明显，而通过微通道板几何结构优化还可使探测效率得到显著改善。因此，在微通道板皮玻璃中掺^natGd₂O₃是实现高探测效率的中子敏感微通道板的最有效的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够生产中子敏感微通道板的掺杂三氧化二钆的微通道板基体皮玻璃成份及其制造的大尺寸高探测效率的中子敏感微通道板。

本发明解决上述发明目的所采取的技术方案是：一种皮玻璃，所述的皮玻璃由以下摩尔百分比的各组分构成：

SiO₂                  50.0～66.0%

∑(PbO+Bi₂O₃+Sb₂O₃)   20.0～31.0%

∑(Na₂O+Cs₂O)          4.5～10.0%

BaO                   1.0～3.0%

Gd₂O₃                          3.0～4.0%

TiO₂                   1.5～3.0%

Al₂O₃                          0.5～2.0%。

一种皮玻璃制造的中子敏感微通道板，所述的微通道板通过上述组分组成的皮玻璃和芯玻璃制备。

本发明的原理是：通过在微通道板皮玻璃中掺杂^natGd₂O₃，借助于^155,157Gd俘获中子后产生的^155,157Gd（n，γ）^156,158Gd反应释放的内转换电子从通道壁上逸出，引发微通道板通道中的电子雪崩效应，使微通道板获得对中子的敏感，实现高探测效率的中子敏感微通道板。

与国内外现有技术相比，本发明的优点是：

微通道板玻璃中Gd₂O₃的掺杂量达到3mol%以上后，虽然微通道板皮玻璃的软化温度显著提高，但耐酸耐碱性都得到提高，通过与软温度相匹配的酸溶性芯玻璃适配，仍然能满足微通道板制作工艺包括酸蚀除芯工艺的要求。而在微通道板皮玻璃中B₂O₃的掺杂量达到20mol%，将导致微通道板皮玻璃的耐酸性特别是耐碱性显著降低，无法完成微通道板制作过程中的酸蚀除芯工艺要求。从理论上讲，掺3mol%^natGd₂O₃的微通道板对热中子的探测效率相当于甚至是优于掺20mol的¹⁰B₂O₃的微通道板。而¹⁰B天然丰度低，浓缩¹⁰B₂O₃价格昂贵。并且对于一个厚度为0.6mm的微通道板，在^natGd₂O₃掺杂量达到3mol%后，再增加微通道板皮玻璃中的中子吸收原子数量，对探测效率改善的效果并不明显。因此在微通道板皮玻璃中掺^natGd₂O₃是一种实现高探测效率的中子敏感微通道板的更有效的方法。

掺加3mol%^natGd₂O₃的皮玻璃与现有技术相比具有能够生产大面积微通道板的工艺可行性和稳定性，实现了50mm～106mm直径（现有技术不超过33mm直径），10μm孔径，0.6mm～1.2mm厚度中子敏感微通道板的制作。其中一种50mm直径，10μm孔径，开口面积比56%，无斜切角，0.6mm厚度，掺加3mol%^natGd₂O₃玻璃的中子敏感微通道板，实验证明可以实现对热中子35%的探测效率。如果进一步通过微通道板几何结构优化，如结合一个1°～2°斜切角，以及适当的增加厚度和减小开口面积比，探测效率可以得到进一步提高，达到50%以上。

附图说明

图1为现有技术中子敏感微通道板原理示意图。

具体实施方式

实施例1-5和对比例1-3中具体的皮玻璃各组份如下表设计。

各实施例和对比例组分组成与性能测试结果表

在玻璃结构网络中，[BO₃]硼氧三角体和[BO₄]硼氧四面体，与[SiO₄]四面体一样，同样是网络形成物，因而B₂O₃可在玻璃成份中的含量可以很高。但相比于硅氧四面体[SiO₄]，硼氧三面体[BO₃]和硼氧四面体[BO₄]键力较弱。以B₂O₃替换SiO₂，可导致玻璃的软化温度降低，料性变快，显著降低玻璃的化学稳定性，即使替换的是玻璃中的网络外体而非SiO₂。而Gd₂O₃虽然在玻璃结构中属于外网络外体，但在微通道板玻璃中适量引入，以其替换玻璃中的其它网络外体，可显著提高软化温度并改善玻璃的耐酸性。

微通道板通道阵列的形成，借助的是芯皮玻璃间存在的酸溶速率差，通过酸蚀除芯以溶除纤芯来贯通通道。但在微通道板的熔合纤维光学制作过程中芯皮玻璃间网络外体离子的互扩散，和酸蚀除芯过程中对通道壁表面的网络外体离子的选择性浸取，酸蚀除芯后形成的通道内壁表层是以硅氧骨架为主要构成的较厚的富硅层，特别是在接近通道两端处，由于其经受的酸蚀时间较长，而碱溶液可以破坏硅氧骨架，对富硅层进行整体溶除。微通道板的腐蚀除芯过程首先采用酸溶液腐蚀，然后碱溶液腐蚀，最后再采用酸溶液腐蚀，并中和通道内残余的碱溶液。

按实施例1-5制备的皮玻璃，虽然软化温度显著提高，但耐酸耐碱性都得到提高。通过与软温度相匹配的现有酸溶性芯玻璃适配，完全沿用微通道板的制作工艺，可制备出直径50mm～106mm的中子敏感微通道板。与按实施例1-5制备的皮玻璃相匹配的芯玻璃成份的摩尔百分比为：SiO₂ 30.0～50.0%，B₂O₃ 20.0～30.0%，∑(BaO + ZnO+ CaO+ SrO) 25.0～35.0%，La₂O₃ 3.0～12.0%，Y ₂O₅ 0～4.0%， Al₂O₃ 0～2.0%。

将其中一种50mm直径（现有技术不超过33mm直径），10μm孔径，开口面积比56%，无斜切角，0.6mm厚度，掺加3mol%^natGd₂O₃玻璃的中子敏感微通道板加载在构筑的基于微通道板和楔形条位置灵敏阳极的成像探测器上，实现了以中子为探针的微通道板成像探测，并达到对热中子35%的探测效率。

对比例1的耐酸性特别是耐碱性显著降低，不能满足通道板的制作工艺要求，未能完成微通道板的制作。

对比例2可以满足通道板的制作工艺要求，可以完成微通道板的制作。对于一个0.6mm厚度的微通道板，在相同条件下，实验测试结果显示，对比例2的探测效率明显低于实施例1-5的探测效率。

Claims (1)

1.一种皮玻璃制造的中子敏感微通道板，其特征在于所述的微通道板通过皮玻璃和芯玻璃制备，所述的皮玻璃由以下摩尔百分比的各组分构成：

所述的芯玻璃由以下摩尔百分比的各组分构成：