CN108037524B - 基于厚gem及多层涂硼网的中子探测器 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于厚GEM及多层涂硼网的中子探测器，包括平行且并排设置的漂移电极和读出电极，漂移电极和读出电极之间平行设置有中子转换体；其中，中子转换体包括至少一层金属网，金属网的表面涂硼，且漂移电极面向读出电极的表面涂硼；中子转换体与漂移电极之间平行设置有厚型气体电子倍增器。本发明的基于厚GEM及多层涂硼网的中子探测器将转换区和倍增区分开，转换区可基于多个涂硼的金属网基底可大大提高中子探测效率，不会浪费昂贵的硼10材料，且倍增区的厚GEM耐用，增益容易控制。

Description

基于厚GEM及多层涂硼网的中子探测器

技术领域

本公开一般涉及中子探测技术，具体涉及一种基于厚GEM及多层涂硼网的中子探测器。

背景技术

中子探测器被广泛应用于辐射监控、中子成像。随着新一代中子科学装置性能的提高，对中子探测器的发展提出了新的挑战，而探测效率是中子探测器最重要的性能指标。

由于中子不带电，与物质的反应截面极低。基于GEM的涂硼中子探测器具有如下探测原理：首先需要一层镀硼的转换层，利用中子与硼10的核反应将中子转换成⁷Li、α离子，而从硼层出射的⁷Li、α离子将在气体中电离产生原初电子，在电场作用下这些原初电子被收集到GEM膜的微孔中，并在里面产生雪崩放大，放大后的电子被读出电极收集并读出信号，从而完成对中子的探测。以上是一层镀硼转换层的情况，此时中子转换效率很低，只有4.39％左右，而中子探测效率会比4.39％还要低。为了提高中子的探测效率，必须采用多层中子转换层的方式。

现有一种中子探测器，其方案包括：自上至下依次设置的漂移电极、3层间隔1-2mm的镀硼的气体电子倍增器(Gas Electron Multiplier， GEM)膜、不镀硼的GEM膜以及读出电极。漂移电极用于提供漂移电场；镀硼的GEM膜既用来转换中子，又用来放大原初电子；不镀硼的GEM膜只用于放大电子。这种结构能够在一定程度上提高中子的探测效率。但是，该方案具有如下缺点：

第一，在GEM表面镀硼层难度大，且会影响GEM膜的性能。 GEM膜表面为铜，厚度仅为70um，镀硼过程需要对GEM膜做特殊保护及张紧处理，大面积时在镀膜室实现困难。另外，GEM膜的孔径为50um，镀硼时容易对GEM膜的微孔内部造成污染，会对GEM膜的性能造成不可避免的影响，使打火损坏的概率大大增加。

第二，GEM膜容易毁坏，会造成GEM膜表面昂贵的硼10材料被浪费。即使在正常使用过程中，长时间下，GEM膜也会出现性能下降，而很多实验对GEM性能的要求是很高的。GEM膜一旦不能再满足实验要求的性能，那么就势必要更换镀硼的GEM膜，GEM膜的价格对于一般的实验室是能接受的，但镀硼的GEM的价格就太贵了。因为镀在GEM上的不是普通硼，而是硼10丰度96％以上的硼。硼10 提纯工艺难度大，因而硼10价格昂贵，并且还需要通过国外的途径才能买到。如果损坏一张GEM膜，就会浪费镀在其上的硼10材料，这种浪费是一般实验室承担不起的。

第三，探测效率的提高受限。虽然多层转换层的结构提高了中子的转换效率，但是多层的结构阻挡了电子往下运动，既要保证每层的增益控制一致，又要达到高的电子穿过率，而这两者的电场参数往往不同，从而无法兼顾。即使是穿透率最好的参数下，GEM膜上、下表面及孔壁都会吸收电子，从而大大降低了原初电子的收集效率。因此总的来说，探测效率的提高是很有限的。

发明内容

鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种基于厚GEM 及多层涂硼网的中子探测器。

本发明提供一种基于厚GEM及多层涂硼网的中子探测器，包括：

平行且并排设置的漂移电极和读出电极，所述漂移电极和所述读出电极之间平行设置有中子转换体；其中，

所述中子转换体包括至少一层金属网，所述金属网的表面涂有硼层，且所述漂移电极面向所述读出电极的表面涂有所述硼层。

优选的，所述中子转换体与所述漂移电极之间平行设置有厚型气体电子倍增器。

优选的，所述金属网的表面设有凹凸结构。

优选的，所述漂移电极涂有所述硼层的表面设有所述凹凸结构。

优选的，所述凹凸结构为锯齿结构，所述锯齿结构的锯齿高度为 0.1mm～0.3mm，齿角度为10°～40°。

优选的，所述硼层的厚度为0.1um～3um，所述硼层中硼元素为硼 10。

优选的，所述基于厚GEM及多层涂硼网的中子探测器包括两个所述漂移电极、两个所述中子转换体和两个所述厚型气体电子倍增器；所述读出电极的两侧向外侧依次对称布置有所述厚型气体电子倍增器、所述中子转换体和所述漂移电极。

优选的，在平行于所述漂移电极的方向上，所述读出电极呈两端厚而中间薄的形状。

优选的，所述读出电极包括平行于所述漂移电极的中间层和对称设置在所述中间层两端的端子层，两个所述端子层在平行于所述漂移电极的方向上分别包裹所述中间层的两端，且两个所述端子层之间具有间隔空间；

所述中间层包括平行排列的多个电路层，相邻两电路层之间设有所述绝缘层，所述电路层与所述绝缘层层叠设置；

所述电路层包括顺次排列的第一感应层、信号层和第二感应层，所述电路层还包括地层，其中，所述信号层与所述第一感应层之间设有所述地层；和/或，所述信号层与第二感应层之间设有所述地层。

优选的，所述第一感应层和所述第二感应层结构相同，具有由多个二维读出条或读出块排列形成的感应区，所述感应区正对所述间隔空间。

与现有技术相比，本发明提供的技术方案具有如下有益效果：

在金属网上镀上硼层，硼层可稳定地附着在该金属网上，保证硼不会浪费，有效保证中子的转化效率；采用漂移电极和金属网构成中子转换区，以单独实现中子的转换。优选使用单层厚型气体电子倍增器构成倍增区用以倍增中子转换后产生的原初电子，其增益高，往往可达到10000，且单层结构使得倍增区的性能很容易控制且各区域增益均匀，且结实耐用。优选在中子转换区内镀硼的部位做出凹凸结构，增大中子与硼层的接触截面积，使得每层硼层的中子转换效率提高5-7 倍，大大提高中子的转换效率。优选双面读出的结构，大大提高中子的探测效率。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施例提供的基于厚GEM及多层涂硼网的中子探测器的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的锯齿结构的示意图；

图3为本发明实施例提供的中子的转换效率与锯齿结构的关系示意图；

图4为本发明另一实施例提供的基于厚GEM及多层涂硼网的中子探测器的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的读出电极的结构示意图；

图6为图4示意的结构位于外壳内的整个装置的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的中子的转换效率与硼层层数的关系模拟结果图；

图8为本发明实施例提供的电子透过率与相邻反应层间电压差的关系模拟结果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

为了解决前述背景技术提及的技术缺陷，本发明的实施例中采用基于厚型气体电子倍增器(Thick Gaseous Electron Multiplier，THGEM，以下称厚GEM)的中子探测器。

图1为本发明一实施例提供的基于厚GEM及多层涂硼网的中子探测器的结构示意图。参照图1，该实施例提供的基于厚GEM及多层涂硼网的中子探测器，包括平行且并排设置的漂移电极10和读出电极 13，漂移电极和读出电极之间平行设置有中子转换体11；其中，中子转换体11包括至少一层金属网111，金属网111的表面涂有硼层15，且漂移电极10面向读出电极13的表面也涂有硼层15。其中，金属网优选采用非金的金属材质，一般采用铝或不锈钢材质；硼层的硼元素优选为硼10，其作为中子转换材料，转换效率高。

其中，漂移电极10用于提供漂移电场，本实施例中，为提高中子转换效率，漂移电极10面向读出电极13的表面涂有硼层15，漂移电极还用来对入射的中子进行转换，涂有硼层的漂移电极可以称为镀硼阴极；中子转换体11包括至少一层金属网111，金属网111表面涂有硼层15，用来对入射的中子进行转换，镀硼的金属网可以称为镀硼网。漂移电场对中子转换后得到的原初电子进行作用，使得原初电子向靠近读出电极的方向漂移。漂移电极和中子转换体构成中子转换区，入射的中子被某一层的硼俘获，实现中子转换的功能。

进一步地，由于中子转换后的原初电子的信号较弱，为保证读出电极读到信号，本实施例中，中子转换体与漂移电极之间平行设置有厚GEM 12。其中，厚GEM 12构成倍增区。

参照图1，漂移电极10、包括至少一层金属网111的中子转换体 11、厚GEM 12和读出电极13顺次排列且互相平行设置。漂移电极 10为阴极，读出电极13为阳极，漂移电极10与厚GEM 12之间的电场为漂移电场，而厚GEM 12与读出电极13之间的电场为收集电场，厚GEM 12孔内的电场为雪崩电场，漂移电场、雪崩电场和收集电场统称为工作电场。

作为一种优选的实施方式，金属网111的网孔的孔径为 50um～0.3mm，孔间距优选为150um～1.0mm。漂移电场对中子转换区内中子转换后产生的原初电子进行作用，原初电子穿过金属网的网孔，向靠近厚GEM 12的方向漂移。

由于中子与硼发生核反应，产生的⁷Li、α离子与硼原子发生库仑相互作用，逐步损失能量，二者在其中的射程均小于3um，因此硼的厚度超过3um对提高中子转换效率是无意义的。为保证中子的转换效率，硼层厚度的设定尤为重要，优选硼层的厚度为0.1um～3um，例如 0.2um、0.3um……2.4um、2.5um、2.6um、2.7um、2.8um、2.9um。一般优选硼层的厚度为2～2.8um，此厚度范围内能更有效地转换中子。

进一步地，金属网上的表面设有凹凸结构。在金属网的表面作出凹凸不平整的结构，取代传统的平面基材，有效提高中子转换效率。本申请中平面基材或普通基材可以理解为镀硼的结构为表面平整的基材，例如背景技术中提及的镀硼的GEM膜。

进一步地，漂移电极涂有硼层的表面设有凹凸结构。如此设置，取代传统的平面基材，有效提高中子转换效率。

进一步地，凹凸结构优选为锯齿结构，参照图2所示的锯齿结构，结构简单，便于设计。锯齿结构的锯齿高度h为0.1mm～0.3mm，齿角度β为10°～40°；另外，硼层的厚度优选为2.5um，从而增加中子与漂移电极上硼层的接触截面积、中子与金属网上硼层的接触截面积，有效提高中子的转换效率。一般将金属网的下表面(朝读出电极表面) 设计成锯齿结构。

图3为本发明实施例提供的中子的转换效率与锯齿结构的关系模拟结果图。平面基材的中子转换效率较低，最高只有4.39％左右。如图2所示，锯齿结构的齿角度β等于锯齿顶角Υ；如图3所示，横坐标为锯齿顶角Υ的度数，由于锯齿结构增加了中子与硼层的接触截面积，同时增加了⁷Li和α离子的出射面积，由图3可知，锯齿结构的硼层的中子转换效率是普通基材的5-7倍(具体仍取决于顶角度数Υ)。

图4为本发明另一实施例提供的基于厚GEM及多层涂硼网的中子探测器的结构示意图。

为了提高中子的探测效率，该实施例提供的基于厚GEM及多层涂硼网的中子探测器包括两个漂移电极10、两个中子转换体11和两个厚GEM 12；读出电极13为双面读出电极，读出电极13的两侧向外依次对称布置有厚GEM 12、中子转换体11和漂移电极10。

进一步地，在平行于漂移电极10的方向上，读出电极13为两端厚而中间薄的形状。此形状在保证中间感应区尽量薄以减小对中子的吸收和散射外，同时两端厚也保证读出电极与探测器外腔室以及连接器等的机械强度和密封要求。

进一步地，如图4和图5所示，在平行于漂移电极10的方向上，读出电极13包括中间层和对称设置在中间层两端的端子层131，两个端子层131在平行于漂移电极10的方向上分别包覆中间层的两端，两个端子层之间具有间隔空间1311。其中，端子层与中间层之间设有绝缘层，端子层以及端子层与中间层之间的绝缘层均以环状的结构包裹在中间层的两端的外侧，端子层用于接地、作为连接器，用于电子元件的布置、焊接以及与探测器外壳等的焊接、固定、密封等连接。

中间层包括平行排列的多个电路层，相邻两电路层之间设有绝缘层，电路层与绝缘层层叠设置。如图5所示，电路层包括顺次排列的第一感应层132、地层135、信号层134、地层135和第二感应层133。

该实施例中，读出电极13为双面读出电极，其中第一感应层132 和第二感应层133为感应电极，用来读出放大的电子信号；为有效防止第一感应层和第二感应层之间信号串扰的问题，在信号层134和第一感应层132之间，以及信号层134和第一感应层133之间设置地层 135以作为屏蔽层，同时还能有效降低外部电磁干扰。如果仅在信号层134和第一感应层132之间或者仅在信号层134和第一感应层133 之间设置地层，也能在一定程度上防止两个感应层之间信号串扰的问题，但是一般更倾向于使用图5示意的读出电极，不仅能够有效防止两个感应层之间信号串扰的问题，而且能够有效降低外部电磁干扰。

进一步地，第一感应层和第二感应层结构相同，具有由多个二维读出条(Strip)或者读出块(Pad)排列形成的感应区136，感应区136 正对间隔空间1311。如图5所示，中间薄的区域为感应区，其上下表面都分布有电荷感应区。在读出电极两侧设计二维读出条结构，X与 Y方向路数相同，例如各分布100路，读出电极上完全对称的两个感应区在读出电极的内部相连。为了尽可能降低对中子的散射，感应区采用的是陶瓷基材，且厚度只有0.5mm；而读出电极其它区域是4.5mm，提高机械强度以方便连接其他部件。

本申请图1示意的实施例中读出电极可选用同图4示意的实施例中所选用的具有双面读出电极。当然图1示意的实施例中读出电极也可以直接选用具有单面读出电极，一般包括感应层、信号层以及设置在感应层和信号层两端的端子层，且各层之间设有绝缘层。

图6为图4示意的结构位于外壳内的整个装置的结构示意图。如图4至图6所示，图4所示的结构设置在一外壳的内部，外壳包括壳体1和壳体2，壳体1和壳体2形成密封腔室，起到隔绝内部工作气体和外部空气的作用。外壳上设有铝箔窗3，测试时中子从铝箔窗3 入射；如图6所示，铝箔窗3设置在壳体1上。读出电极13及其两侧对称设置的厚GEM 12、中子转换体11、漂移电极10上分别对应设有多个用于固定定位的连接孔(图中未示出)，通过尼龙螺栓将漂移电极 10、中子转换体11、厚GEM 12均固定在读出电极13上；读出电极 13的两端与外壳相连，优选通过不锈钢螺栓将读出电极13与外壳固定。

为了尽可能地提高中子转换效率以及倍增原初电子的效率，该装置中漂移电极的基材可优选采用铝，漂移电极面向读出电极的表面被加工成图2所示的锯齿结构，并镀上2.5um厚的硼层。漂移电极与中子转换体间隔3mm左右设置，中子转换体包括多层金属网，金属网的表面镀上2.5um厚的硼，相邻两层金属网间隔1.2mm左右布置，优选布置2层至4层。自中子转换体11靠近读出电极13的一侧，设置了厚GEM 12，为减少中子散射，采用陶瓷基材，厚GEM 12与读出电极13相距2mm左右。

参照图4和图6，为方便描述以读出电极为界分为上半部分和下半部分。中子入射后，中子与上半部分的中子转换区的硼10发生核反应，中子转换成带电的⁷Li和α离子，从硼层出射出的⁷Li和α离子在工作气体中电离产生原初电子，这些原初电子在漂移电场中向上半部分的倍增区运动。部分电子通过金属网的微孔到达倍增区，进入厚 GEM的孔中，产生雪崩倍增。倍增电子在电场的作用下继续向下运动到达读出电极，读出电极收集到电荷信号并被电子学系统处理，完成对中子的探测。上半部分采用漂移电极加多层金属网，是为了增加中子的转换效率。在漂移电极处没反应的中子，与上半部分内的金属网上的硼10发生反应，从而被探测到。由于中子与硼层反应最大的转换效率也只有4.39％，所以仍有绝大部分的中子通过该装置的上半部分而没有反应，本装置的下半部分可弥补该缺陷，下半部分和上半部分关于读出电极完全对称的，它与上半部分的工作原理完全一样。图4 和图6所示装置的中子探测效率几乎是图1所提供的方案的2倍。

由于探测效率是中子探测器最重要的性能指标，涂在单层锯齿结构表面的硼层对中子的转换效率最大约30％。图7为本发明实施例提供的中子的转换效率与硼层层数的关系模拟结果图。图7中区分了单面读出(图1所提供的方案)和双面读出(图4和图6所提供方案) 两种情况下中子的转换效率随转换层数的变化。如图7所示，中子转换效率随硼层的层数显著增加，但并不是线性增加，在达到一定层数后，转换效率趋于饱和，所以在层数上也并不是越多越好；另外，双面读出的中子转换效率在层数较少时是单面读出的两倍左右，在实际应用中一般优选采用图4(或图6)所示的装置。

在中子探测器工作时，整个腔室里通过流气的方式充满工作气体 (氩气和二氧化碳的混合气体)。为倍增电荷，将负高压由高到低分别接入到漂移电极10上、中子转换体11中的各层金属网111上、以及厚GEM 12上下表面上，形成自漂移电极向读出电极的负压逐渐减小、向读出电极汇聚电子的工作电场。为方便描述密封腔室内的负高压环境，将漂移电极10、各层金属网111以及厚GEM 12统称为反应层。图8所示的电子透过率与相邻反应层间电压差的关系模拟结果图。中子与硼10反应生成⁷Li、α离子，⁷Li、α离子又在工作气体中电离产生原初电子，原初电子在电场作用下向厚GEM漂移，并在其中产生雪崩放大，最后才能被读出电极探测到。而多层网结构会阻碍一部分原初电子向厚GEM漂移，能够穿过所有网的原初电子与总共产生的原初电子的比值就是电子透过率，在相同结构中，电子透过率越大，探测效率越高。从图8所示的模拟结果可以看出，电子透过率是与相邻反应层之间的电压差有关的：相邻反应层之间的电压差为10v-30v，透过率随电压增加而显著增加；相邻反应层之间的电压差为30v-70v，透过率随电压增加而缓慢增加；相邻反应层之间的电压差为70v之后，电压增加，透过率波动不再增加；且透过率主要取决于第一层金属网的透过率(参照图8中示意Mesh1的透过率的折线)。故各反应层之间的电压差优选为70v左右。

本发明采用中子转换区与倍增区分离的设计，采用漂移电极和中子转换体(至少一层金属网)构成转换区。这使转换区的结构在探测器使用过程中永远不会损坏，而且金属网的材料可以自由选择，可以选取镀硼容易且对中子散射小的材料，比如铝和不锈钢，可保证昂贵的硼10材料不会浪费；而且在中子转换区的各层表面都做成锯齿结构，将每层的中子转换效率提高5-7倍。

为了尽可能提高中子的探测效率，本发明又采取了双面读出的结构设计，使探测器内部结构关于双面读出电极完全对称，这可以得到几乎2倍于单面读出的中子探测效率。本发明的倍增区结构是单层厚 GEM，它的增益往往可以达到10000，完全满足要求，由于是单层厚 GEM，所以倍增区的性能可以很容易控制；而以往结构采用的是多层 GEM，这使得倍增区性能控制不了，很容易出现各区域增益不均匀的问题。由于厚GEM是比GEM更加耐用，即使多次打火也依然可以正常使用，增益不会下降，所以本发明倍增区材料可以长时间使用而不更换。

本发明提供的基于厚GEM及多层涂硼网的中子探测器的中子探测效率大大提高，不会浪费昂贵的硼10材料，且倍增区的厚GEM耐用，增益容易控制。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于) 具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (9)

1.一种基于厚GEM及多层涂硼网的中子探测器，其特征在于，包括：

平行且并排设置的漂移电极和读出电极，所述漂移电极和所述读出电极之间平行设置有中子转换体，所述中子转换体与所述读出电极之间平行设置有厚型气体电子倍增器；其中，

所述中子转换体包括至少一层金属网，所述金属网的表面涂有硼层，且所述漂移电极面向所述读出电极的表面涂有所述硼层。

2.根据权利要求1所述的基于厚GEM及多层涂硼网的中子探测器，其特征在于，所述金属网的表面设有凹凸结构。

3.根据权利要求2所述的基于厚GEM及多层涂硼网的中子探测器，其特征在于，所述漂移电极涂有所述硼层的表面设有所述凹凸结构。

4.根据权利要求2或3所述的基于厚GEM及多层涂硼网的中子探测器，其特征在于，所述凹凸结构为锯齿结构，所述锯齿结构的锯齿高度为0.1mm～0.3mm，齿角度为10°～40°。

5.根据权利要求1-3任一项所述的基于厚GEM及多层涂硼网的中子探测器，其特征在于，所述硼层的厚度为0.1um～3um，所述硼层中硼元素为硼10。

6.根据权利要求1所述的基于厚GEM及多层涂硼网的中子探测器，其特征在于，所述基于厚GEM及多层涂硼网的中子探测器包括两个所述漂移电极、两个所述中子转换体和两个所述厚型气体电子倍增器；所述读出电极的两侧向外侧依次对称布置有所述厚型气体电子倍增器、所述中子转换体和所述漂移电极。

7.根据权利要求6所述的基于厚GEM及多层涂硼网的中子探测器，其特征在于，在平行于所述漂移电极的方向上，所述读出电极呈两端厚而中间薄的形状。

8.根据权利要求7所述的基于厚GEM及多层涂硼网的中子探测器，其特征在于，

所述读出电极包括平行于所述漂移电极的中间层和对称设置在所述中间层两端的端子层，两个所述端子层在平行于所述漂移电极的方向上分别包裹所述中间层的两端，且两个所述端子层之间具有间隔空间；

所述中间层包括平行排列的多个电路层，相邻两电路层之间设有绝缘层，所述电路层与所述绝缘层层叠设置；

所述电路层包括顺次排列的第一感应层、信号层和第二感应层，所述电路层还包括地层，其中，所述信号层与所述第一感应层之间设有所述地层；和/或，所述信号层与第二感应层之间设有所述地层。

9.根据权利要求8所述的基于厚GEM及多层涂硼网的中子探测器，其特征在于，所述第一感应层和所述第二感应层结构相同，具有由多个二维读出条或读出块排列形成的感应区，所述感应区正对所述间隔空间。