CN107894608B - 一种基于光学折射率变化的超宽带中子探测器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于光学折射率变化的超宽带中子探测器，属于核辐射探测技术领域，包括：由顺序固定的碳氢材料层、碘化铯层、半导体和衬底组成的探测单元、高压电源及中子束；在碳氢材料层和衬底的外表面上分别电镀第一金属膜和第二金属膜；第一金属膜与高压电源的负极电性连接；中子束入射到所述探测单元后，中子与碳氢材料层中的质子发生碰撞，产生反冲质子，反冲质子进入碘化铯层后产生自由电子；通过第一金属膜和第二金属膜之间负高压的电场作用将碘化铯层中产生的自由电子注入到半导体中，引起半导体的光学折射率变化；该探测器能够将中子束转化为半导体材料的折射率变化，利用光学干涉测量半导体材料的折射率变化获得中子束的强度信息。

Description

一种基于光学折射率变化的超宽带中子探测器
技术领域
本发明属于核辐射探测技术领域，具体涉及一种基于光学折射率变化的超宽带中子探测器。
背景技术
中子探测是核辐射探测领域研究的重要内容之一。传统的中子学探测方式是利用探测材料与中子束相互作用产生自由电子，对这些自由电子进行收集产生电流或电压加以探测。这种方法是基于电子学探测系统，对于脉冲中子束探测而言，激发、产生脉冲电流或电压以及传输过程中，脉冲电流或电压信号中高频成分会受到电子探测系统带宽的限制，导致信号高频成分衰减甚至丢失，严重限制了探测系统的时间分辨能力。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于光学折射率的变化超宽带中子探测器，该探测器能够将中子束转化为半导体材料的折射率变化，利用光学干涉测量半导体材料的折射率变化获得中子束的强度信息。
本发明是通过下述技术方案实现的：
一种基于光学折射率变化的超宽带中子探测器，包括：由顺序固定的碳氢材料层、碘化铯层、半导体和衬底组成的探测单元、高压电源及中子束；
在碳氢材料层和衬底的外表面上分别电镀第一金属膜和第二金属膜；第一金属膜与高压电源的负极电性连接，因此，在第一金属膜和第二金属膜之间形成负高压的电场；
中子束沿第一金属膜法线方向入射到所述探测单元后，中子与碳氢材料层中的质子发生碰撞，产生反冲质子，反冲质子进入碘化铯层后产生电离效应，并产生自由电子；通过第一金属膜和第二金属膜之间负高压的电场作用将碘化铯层中产生的自由电子注入到半导体中，引起半导体的光学折射率变化。
进一步的，包括：上述中子探测器和光学系统；
所述光学系统用于测量中子探测器的半导体的光学折射率的变化量，通过半导体的折射率变化量得到碘化铯层产生自由电子的数量，进而探测中子束强度。
进一步的，所述光学系统包括：位于中子探测器的衬底所在侧的激光器、分光棱镜、反射镜及光学探测器；
反射镜和光学探测器分别位于分光棱镜的上、下两侧；中子探测器和激光器分别位于分光棱镜的左、右两侧；第二金属膜上加工有信号孔；
所述分光棱镜用于将激光器发出的激光光束分为互相垂直的参考光束和探测光束，其中，参考光束被反射镜反射后沿原路返回；探测光束经过信号孔并沿第二金属膜法线方向垂直入射到所述探测单元后，被第一金属膜反射后沿原路返回；反射回来的参考光束和探测光束再次经过分光棱镜后，在光学探测器上形成干涉条纹；
所述光学探测器用于记录所形成的干涉条纹；
依据所述干涉条纹的位移变化量获取所述半导体的光学折射率的变化量，进而获取中子束的强度信息。
进一步的，通过改变所述中子探测器与分光棱镜棱镜之间的距离，实现对探测光束的光程调节。
有益效果：(1)本发明通过中子束引起半导体的光学折射率变化，并通过光学干涉的方法(即通过探测光束的位相变化)来探测半导体的光学折射率变化，进而实现对中子束强度的探测；利用光学系统能够处理超宽带信号特点，解决了现有的电子学系统带宽受限的问题，实现了超宽带、高灵敏、高时间分辨率的辐射探测。
(2)本发明制作方式简单，通过成熟的半导体制备工艺和镀膜工艺即可实现，容易实现集成化和小型化。
附图说明
图1为本发明的中子探测器的结构组成示意图。
图2为本发明的迈克尔逊干涉仪的结构组成示意图。
其中，1-第一金属膜，2-碳氢材料层，3-碘化铯层，4-半导体，5-衬底，6-第二金属膜，7-高压电源，8-信号孔，9-中子束，10-探测光束，11-激光器，12-分光棱镜，13-反射镜，14-光学探测器。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本实施例提供了一种基于光学折射率变化的超宽带中子探测器，参见附图1，包括：由顺序固定的碳氢材料层2、碘化铯层3、半导体4和衬底5组成具有四层结构的探测单元、高压电源7及中子束9；
参见附图2，所述中子探测器、激光器11、分光棱镜12、反射镜13及光学探测器14组成用于测量光学折射率变化的迈克尔逊干涉仪；
所述探测单元中的衬底5为所述探测单元的支撑结构，在碳氢材料层2和衬底5的外表面上分别电镀第一金属膜1和第二金属膜6；第二金属膜6上加工有信号孔8，第一金属膜1与高压电源7的负极电性连接，因此，在第一金属膜1和第二金属膜6之间形成负高压的电场；
中子束9沿第一金属膜1法线方向入射到所述探测单元后，中子与碳氢材料层2中的质子(即氢原子核)发生碰撞，产生反冲质子，反冲质子进入碘化铯层3后产生电离效应，并产生自由电子；由于第一金属膜1和第二金属膜6之间存在负高压的电场，通过电场的作用将碘化铯层3中产生的自由电子注入到半导体4中，引起半导体4的光学折射率变化；
激光器11、分光棱镜12、反射镜13及光学探测器14均位于衬底5所在侧，其中，反射镜13和光学探测器14分别位于分光棱镜12的上、下两侧；衬底5和激光器11分别位于分光棱镜12的左、右两侧；
激光器11发出的激光光束垂直入射到分光棱镜12内，激光光束被分光棱镜12分为互相垂直的参考光束和探测光束10，其中，参考光束被反射镜13反射后沿原路返回；探测光束10经过信号孔8并沿第二金属膜6法线方向垂直入射到所述探测单元后，被第一金属膜1反射后沿着原路返回；反射回来的参考光束和探测光束10再次经过分光棱镜12后，在光学探测器14上形成干涉条纹，并被光学探测器14记录；当半导体4的光学折射率发生变化时，会导致探测光束10的位相改变，所述干涉条纹发生移动，利用光学探测器14记录下干涉条纹的位移变化量，从而获得半导体4的光学折射率的变化量，进而获取中子束的强度信息；
在本实施例中，通过整体往左或右移动分光棱镜12、反射镜13和光学探测器14，来改变所述探测单元与分光棱镜12棱镜之间的距离，从而实现对探测光束10的光程调节。
工作原理：中子束9进入碳氢材料层2后与碳氢材料层2中的质子(即氢原子核)发生碰撞，即碳氢材料层2吸收中子束9，产生反冲质子，反冲质子进入碘化铯层3后激发出自由电子，自由电子在第一金属膜1和第二金属膜6之间形成的负高压的电场作用下注入到半导体4中，导致半导体4的折射率发生变化，由此通过探测半导体4的折射率变化能够得到进入半导体4中的自由电子的数量进而实现对中子束强度的探测。
通过探测自由电子的数量可以反推得到中子数量(即为中子束的强度)；其中，碘化铯层3的作用是将反冲质子转换为自由电子，由于一个质子可以激发多个自由电子，起到了电子转换器和放大器的作用；
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于光学折射率变化的超宽带中子探测器，其特征在于，包括：由顺序固定的碳氢材料层(2)、碘化铯层(3)、半导体(4)和衬底(5)组成的探测单元、高压电源(7)及中子束(9)；
在碳氢材料层(2)和衬底(5)的外表面上分别电镀第一金属膜(1)和第二金属膜(6)；第一金属膜(1)与高压电源(7)的负极电性连接，因此，在第一金属膜(1)和第二金属膜(6)之间形成负高压的电场；
中子束(9)沿第一金属膜(1)法线方向入射到所述探测单元后，中子与碳氢材料层(2)中的质子发生碰撞，产生反冲质子，反冲质子进入碘化铯层(3)后产生电离效应，并产生自由电子；通过第一金属膜(1)和第二金属膜(6)之间负高压的电场作用将碘化铯层(3)中产生的自由电子注入到半导体(4)中，引起半导体(4)的光学折射率变化；
所述探测单元中的衬底(5)为所述探测单元的支撑结构。
2.一种用于测量光学折射率变化的迈克尔逊干涉仪，其特征在于，包括：权利要求1所述的中子探测器和光学系统；
所述光学系统用于测量中子探测器的半导体(4)的光学折射率的变化量，通过半导体(4)的折射率变化量得到碘化铯层(3)产生自由电子的数量，进而探测中子束强度；
所述光学系统包括：位于中子探测器的衬底(5)所在侧的激光器(11)、分光棱镜(12)、反射镜(13)及光学探测器(14)；
反射镜(13)和光学探测器(14)分别位于分光棱镜(12)的上、下两侧；中子探测器和激光器(11)分别位于分光棱镜(12)的左、右两侧；第二金属膜(6)上加工有信号孔(8)；
所述分光棱镜(12)用于将激光器(11)发出的激光光束分为互相垂直的参考光束和探测光束(10)，其中，参考光束被反射镜(13)反射后沿原路返回；探测光束(10)经过信号孔(8)并沿第二金属膜(6)法线方向垂直入射到所述探测单元后，被第一金属膜(1)反射后沿原路返回；反射回来的参考光束和探测光束(10)再次经过分光棱镜(12)后，在光学探测器(14)上形成干涉条纹；
所述光学探测器(14)用于记录所形成的干涉条纹；
依据所述干涉条纹的位移变化量获取所述半导体(4)的光学折射率的变化量，进而获取中子束的强度信息。
3.如权利要求2所述的一种基于光学折射率变化的超宽带中子探测器，其特征在于，通过改变所述中子探测器与分光棱镜(12)棱镜之间的距离，实现对探测光束(10)的光程调节。
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