CN109581473B - 一种涂硼微孔中子成像探测器及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种涂硼微孔中子成像探测器及其测量方法，解决现有技术制作工艺复杂、穿丝工艺繁琐、工作可靠性受阳极丝稳定性影响较大，微孔表面涂硼工艺难度大及中子探测效率低的问题。本发明成像探测器包括场笼，阴极板，GEM膜，WSA阳极，石英玻璃片，探测器主体，石英玻璃片设狭缝和硼层。本发明测量方法为中子与硼发生核反应并生成带电粒子。带电粒子进入工作气体电离产生电子，在场笼电场的作用下电子漂移到GEM膜上进行电子信号倍增，并被WSA阳极获取，得到中子位置信息，进行信号探测。本发明制作过程工艺简便，采用玻璃作为涂硼中子探测器的基体材料，减少中子散射对中子测量造成的影响，使中子位置测量结果更加准确。

Description

一种涂硼微孔中子成像探测器及其测量方法

技术领域

本发明涉及一种涂硼微孔中子成像探测器及其测量方法。

背景技术

中子探测技术广泛应用于航空航天、国土安全、医疗成像、材料性能检测以及中子辐射防护等领域。³He与热中子反应截面大(5333barn@25.3meV)、 n/γ甄别效率高、易于实现大面积测量等优良特点，受到广大中子辐射探测研究工作者和应用单位的青睐。自“³He供应危机”以来，³He的供应量逐年下降，然而随中子探测等科学技术的进一步发展成熟，³He需求量又在逐年升高，出现了空前的³He供不应求的状况。¹⁰B材料的中子反应截面(3843barn@25.3meV) 稍次于³He，但原材料丰富，供应量不受限制，价格相对较低。因此，¹⁰B可作为³He替代中子探测的优选材料之一。

目前，较为成熟的涂硼中子探测器是涂硼稻草管，该³He替代中子探测器可通过多层和多排管实现高的热中子探测效率和大面积中子探测。但是，涂硼稻草管制作过程工艺复杂，穿丝工艺繁琐，工作可靠性受阳极丝稳定性影响较大。涂硼稻草管基材为铝，为保证一定的机械强度，其厚度不能太薄，因此，对入射热中子散射程度较大，对中子定位测量结果影响较大。高探测效率和大面积中子探测的目的，大大增加了信号获取电子学系统的负担，提高了电子学系统的制作难度和制作成本。基于简易结构和高探测效率的特点，也有各种各样的涂硼中子探测器结构被陆续公布，但是多数涂硼中子探测器的高探测效率和简易结构都不能达到两全其美的效果。

专利公布号为CN 105445779 A的中国发明专利公开了一种“慢中子转换体及慢中子探测器”，其虽实现了简易结构下的相对较高的热中子探测效率。但是其基材源于芳纶纸蜂窝成品，材料和基材形状限制于该产品，且增加了后期表面涂硼工艺的难度。芳纶纸所含的C、H、O、N等材料对热中子散射截面仍然比较大，影响了中子成像定位测量精度。芳纶纸材料定形效果较差，对带电粒子迁移影响较大，减少了中子探测信号的收集，大大降低了中子探测效率。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种涂硼微孔中子成像探测器及其测量方法，解决现有技术制作过程工艺复杂、穿丝工艺繁琐、工作可靠性受阳极丝稳定性影响较大，微孔表面涂硼工艺难度大，以及中子探测效率低的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种涂硼微孔中子成像探测器，包括场笼，设于所述场笼内并呈四方体形的探测器主体，设于场笼前端的阴极板，设于场笼末端用于对电子信号进行倍增的GEM膜，以及设于所述GEM膜后端用于中子信号定位的WSA阳极；所述探测器主体采用数量相同的X方向薄玻璃片和Y方向薄玻璃片相互插接而成，所述X方向薄玻璃片和所述Y方向薄玻璃片的结构相同，均为长宽同为 10cm、厚度不大于150μm、主要由SiO₂组成的石英玻璃片，并且该石英玻璃片不含B材料，所述石英玻璃片的一端等距开设有若干条纵向分布的狭缝，所述狭缝的长度为5cm、宽度为所述石英玻璃片的厚度加上50μm，所述石英玻璃片的外表面均匀涂覆有一层硼层，所述探测器主体通过所述X方向薄玻璃片的狭缝与所述Y方向薄玻璃片的狭缝相互插接成型并形成有由多个微孔组合并呈纵向分布的涂硼微孔阵列，所述探测器主体内充有工作气体。

进一步地，所述石英玻璃片的表面粗糙度Ra≤0.001μm。

进一步地，所述石英玻璃片的外表面采用浸脂涂硼、手工刷涂或水平液悬浮涂硼的方式进行硼层涂覆，并且所涂覆的硼为纯¹⁰B。

进一步地，所述硼层的厚度为2μm、对应质量厚度为0.46mg/cm²，或者，所述硼层的厚度为20μm、对应质量厚度为4.6mg/cm²、硼密度为2.3g/cm³。

进一步地，所述场笼为前端和末端均开口的方筒形结构，所述探测器主体位于该方筒形结构的内腔中，所述阴极板位于该方筒形结构的前端，所述GEM 膜位于该方筒形结构的末端；所述场笼的长宽高分别为10cm*10cm*10cm，其四侧面均由若干条宽度为1mm、厚度为10μm的铜条等间距分布而成，并且所述场笼的同一侧面上相邻两铜条之间的间距为100μm，所述场笼之间的电压差为 2000-2500V。

进一步地，所述GEM膜有三层，并且相互平行分布，所述GEM膜的长宽均为10cm，并且三层所述GEM膜的前后两端电压为500-1000V。

进一步地，所述阴极板和所述WSA阳极均呈正方形，大小相等，边长均为 10cm，所述阴极板的电位为-2500V，所述WSA阳极的电压比第一片所述GEM 膜的电压高100-200V。

进一步地，所述工作气体为体积比为95％Ar和5％CO₂的混合气，或者，所述工作气体为体积比为90％Ar和10％CH₄的混合气。

一种涂硼微孔中子成像探测器的测量方法，包括以下步骤；

步骤1、将涂硼微孔中子成像探测器置于中子辐射场中，辐射中子与石英玻璃片表面的硼发生核反应，生成带电粒子；

步骤2、生成的带电粒子出射进入工作气体，电离产生电子；

步骤3、在场笼电场的作用下，电离产生的电子漂移到GEM膜上进行电子信号的倍增，最终被WSA阳极获取，得到中子的位置信息，进行信号探测。

具体地说，在步骤1中，辐射中子与硼的反应式为：

式中，n为中子，B为硼，Li为锂离子，Li^*为激发态锂离子，α为阿尔法粒子，MeV为兆电子伏特。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明采用玻璃作为涂硼中子探测器的基体材料，减少中子散射对中子测量造成的影响，使中子位置测量结果更加准确。

(2)本发明以带有狭缝的涂硼玻璃薄片为最小单元，采用相互嵌插的方式制作涂硼微孔中子转换体结构，保证了高探测效率和简易探测器结构。不仅降低了微孔涂硼过程的难度，还使中子转换体微孔大小可控，更适用于多样化的中子探测应用。

(3)本发明采用三层气体电子倍增器(GEM膜)进行电子信号的放大，采用楔条形位敏阳极(WSA阳极)进行中子信号的定位。提高电子信号的输出效率，简化涂硼中子探测器电子学输出结构，降低成本。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为本发明石英玻璃片结构示意图。

图3为本发明X方向薄玻璃片和Y方向薄玻璃片插接示意图。

图4为本发明X方向薄玻璃片和Y方向薄玻璃片插接成探测器主体结构示意图。

图5为本发明不同硼层厚度热中子探测效率角度敏感性线性图。

图6为本发明实例中带有字母“E”的Gdmask进行热中子成像计算验证示意图。

图7为本发明实例中带有字母“E”的Gdmask进行热中子成像计算结果示意图。

其中，附图标记对应的名称为：

1-场笼、2-探测器主体、3-阴极板、4-GEM膜、5-WSA阳极、6-石英玻璃片、7-狭缝、8-微孔。

具体实施方式

下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。

如图1-4所示，本发明提供的一种涂硼微孔中子成像探测器，。本涂硼微孔中子成像探测器包括场笼1，设于所述场笼1内并呈四方体形的探测器主体2，设于场笼1前端的阴极板3，设于场笼1末端用于对电子信号进行倍增的GEM 膜4，以及设于所述GEM膜4后端用于中子信号定位的WSA阳极5。所述GEM 膜4有三层，并且相互平行分布，所述GEM膜4的长宽均为10cm，并且三层所述GEM膜4的前后两端电压为500-1000V。所述阴极板3和所述WSA阳极 5均呈正方形，大小相等，边长均为10cm，所述阴极板3的电位为-2500V，所述WSA阳极5的电压比第一片所述GEM膜4的电压高100-200V。

本涂硼微孔中子成像探测器所述探测器主体2采用数量相同的X方向薄玻璃片和Y方向薄玻璃片相互插接而成，所述X方向薄玻璃片和所述Y方向薄玻璃片的结构相同，均为长宽同为10cm、厚度不大于150μm、主要由SiO₂组成的石英玻璃片6，并且该石英玻璃片6不含B材料，所述石英玻璃片6的表面粗糙度Ra≤0.001μm；所述石英玻璃片6的一端等距开设有若干条纵向分布的狭缝7，所述狭缝7的长度为5cm、宽度为所述石英玻璃片6的厚度加上50μm，所述石英玻璃片6的外表面均匀涂覆有一层硼层，所述石英玻璃片6的外表面采用浸脂涂硼、手工刷涂或水平液悬浮涂硼的方式进行硼层涂覆，并且所涂覆的硼为纯¹⁰B，所述硼层的厚度为2μm、对应质量厚度为0.46mg/cm²，或者，所述硼层的厚度为20μm、对应质量厚度为4.6mg/cm²、硼密度为2.3g/cm³。所述探测器主体2通过所述X方向薄玻璃片的狭缝7与所述Y方向薄玻璃片的狭缝7相互插接成型并形成有由多个微孔8组合并呈纵向分布的涂硼微孔阵列。

本涂硼微孔中子成像探测器所述探测器主体2内充有工作气体，所述工作气体为体积比为95％Ar和5％CO₂的混合气，或者，所述工作气体为体积比为 90％Ar和10％CH₄的混合气。

本涂硼微孔中子成像探测器所述场笼1为前端和末端均开口的方筒形结构，所述探测器主体2位于该方筒形结构的内腔中，所述阴极板3位于该方筒形结构的前端，所述GEM膜4位于该方筒形结构的末端；所述场笼1的长宽高分别为10cm*10cm*10cm，其四侧面均由若干条宽度为1mm、厚度为10μm的铜条等间距分布而成，并且所述场笼1的同一侧面上相邻两铜条之间的间距为 100μm，所述场笼1之间的电压差为2000-2500V。

本发明涂硼微孔中子成像探测器制作过程如下：

(1)采用表面粗糙度Ra≤0.001μm的石英玻璃作为基体材料，石英玻璃材料的主要组成成分为SiO₂，并且不含有B材料。定制长宽分别为10cm，厚度不大于150μm的薄玻璃片，并对该玻璃瓶进行开狭缝处理，狭缝宽度比玻璃片厚度大50μm左右，形成“梳子”状玻璃薄片。开狭缝后的薄玻璃片如图2所示。

(2)将若干片薄玻璃片采用浸脂涂硼、手工刷涂或水平液悬浮涂硼的方式分别在薄玻璃片两边涂上相应厚度的纯¹⁰B的硼层。根据不同的应用需求，附涂不同厚度的硼层。一般选择的厚度有两种情况：第一种是用于热中子辐射场中中子通量的监测，其硼厚度为2μm左右(质量厚度0.46mg/cm²左右)；第二种是用于中子散射测量，其硼厚度为20μm左右(质量厚度4.6mg/cm²左右，硼密度为2.3g/cm³)。

(3)将已经涂硼完成的薄玻璃片，采用相互嵌插的方式进行组合，形成由多个微孔组合的涂硼微孔阵列。微孔大小可根据狭缝间距进行调整，调整范围为1～5mm，不同的应用需求，选择不同尺寸的方孔。薄玻璃连接处选择玻璃胶水或其它的强力胶水进行粘合均可。薄玻璃嵌插方式及涂硼微孔中子转换体效果如图3和图4所示。

(4)采用合适的塑料支架对中子探测器各部件进行支撑，为减小探测器敏感区域的电场畸变，减小边缘效应，为涂硼中子转换体设计一个长宽高约为 10cm*10cm*10cm的场笼。场笼由宽度1mm，厚度10μm的铜条组成，其间隙为100μm。其前端设置一个长宽分别为10cm的阴极板，电场迁移末端采用3层 GEM膜对电子信号进行倍增。然后设置10cm*10cm的WSA阳极，对得到的电子信号进行定位计算，进而得到中子位置信息。探测器结构示意图如图1所示。

本发明提供的一种涂硼微孔中子成像探测器的测量方法，包括以下步骤；

步骤1、将涂硼微孔中子成像探测器置于中子辐射场中，辐射中子与石英玻璃片表面的硼发生核反应，生成带电粒子；辐射中子与硼的反应式为：

式中，n为中子，B为硼，Li为锂离子，Li^*为激发态锂离子，α为阿尔法粒子，MeV为兆电子伏特。

步骤2、生成的带电粒子出射进入工作气体，电离产生电子。

步骤3、在场笼电场的作用下，电离产生的电子漂移到GEM膜上进行电子信号的倍增，最终被WSA阳极获取，得到中子的位置信息，进行信号探测。

本发明测量方法：通过中子与硼发生核反应，生成带电粒子。带电粒子出射进入工作气体，电离产生电子，在场笼电场的作用下，电子漂移到GEM膜上进行电子信号的倍增，最终被WSA阳极获取，得到中子的位置信息，进行信号探测。其反应式为：

式中，n中子，B硼，Li锂离子，Li^*激发态锂离子，α阿尔法粒子，MeV兆电子伏特。

本发明探测器在工作时，阴极电位为-2500V，场笼之间的电压差为 2000-2500V左右，GEM膜两端电压为500-1000V，WSA阳极电压比第一片GEM 膜电压高100-200V。工作气体可选用Ar(95％)+CO₂(5％)或Ar(90％)+CH₄ (10％)，用于重带电粒子的电离和电子信号的倍增。

本发明涂硼微孔中子成像探测器，对中子具有角度敏感性，随入射中子角度的变化，其探测效率变化较大。硼层厚度的变化不仅影响中子探测效率，还影响中子角度敏感性规律，具体如图5所示。由探测角度敏感性随硼层厚度变化规律可以看出，不同的探测需求应选择不同的探测器参数。若需采用该探测器对中子辐射场环境进行中子剂量监测，可选择厚度为2μm的硼层，将探测器置于中子辐射场中进行探测。若需对特定位置的中子信号进行探测，如中子散射测量或中子成像，可采用厚度为20μm的硼层，并且在2°的条件下进行辐射探测。

为了使本技术领域技术人员能够更好地理解本发明技术方案，特提供以下计算实例进行详细阐述。

将涂硼微孔中子成像探测器应用于热中子成像。首先，中子探测器前面放一个带有字母“E”的Gdmask，其长宽为10cm*10cm，其厚度为1mm。平行热中子束流以2°的角度经过mask入射到探测器，进行热中子成像计算，如图6所示。成像结果如图7所示。

上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，但凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种涂硼微孔中子成像探测器，其特征在于，包括场笼(1)，设于所述场笼(1)内并呈四方体形的探测器主体(2)，设于场笼(1)前端的阴极板(3)，设于场笼(1)末端用于对电子信号进行倍增的GEM膜(4)，以及设于所述GEM膜(4)后端用于中子信号定位的WSA阳极(5)；所述探测器主体(2)采用数量相同的X方向薄玻璃片和Y方向薄玻璃片相互插接而成，所述X方向薄玻璃片和所述Y方向薄玻璃片的结构相同，均为长宽同为10cm、厚度不大于150μm、主要由SiO₂组成的石英玻璃片(6)，并且该石英玻璃片(6)不含B材料，所述石英玻璃片(6)的一端等距开设有若干条纵向分布的狭缝(7)，所述狭缝(7)的长度为5cm、宽度为所述石英玻璃片(6)的厚度加上50μm，所述石英玻璃片(6)的外表面均匀涂覆有一层硼层，所述探测器主体(2)通过所述X方向薄玻璃片的狭缝(7)与所述Y方向薄玻璃片的狭缝(7)相互插接成型并形成有由多个微孔(8)组合并呈纵向分布的涂硼微孔阵列，所述探测器主体(2)内充有工作气体；所述场笼(1)为前端和末端均开口的方筒形结构，所述探测器主体(2)位于该方筒形结构的内腔中，所述阴极板(3)位于该方筒形结构的前端，所述GEM膜(4)位于该方筒形结构的末端。

2.根据权利要求1所述的一种涂硼微孔中子成像探测器，其特征在于，所述石英玻璃片(6)的表面粗糙度Ra≤0.001μm。

3.根据权利要求2所述的一种涂硼微孔中子成像探测器，其特征在于，所述石英玻璃片(6)的外表面采用浸脂涂硼、手工刷涂或水平液悬浮涂硼的方式进行硼层涂覆，并且所涂覆的硼为纯¹⁰B。

4.根据权利要求3所述的一种涂硼微孔中子成像探测器，其特征在于，所述硼层的厚度为2μm、对应质量厚度为0.46mg/cm²，或者，所述硼层的厚度为20μm、对应质量厚度为4.6mg/cm²、硼密度为2.3g/cm³。

5.根据权利要求4所述的一种涂硼微孔中子成像探测器，其特征在于，所述场笼(1)的长宽高分别为10cm*10cm*10cm，其四侧面均由若干条宽度为1mm、厚度为10μm的铜条等间距分布而成，并且所述场笼(1)的同一侧面上相邻两铜条之间的间距为100μm，所述场笼(1)之间的电压差为2000-2500V。

6.根据权利要求5所述的一种涂硼微孔中子成像探测器，其特征在于，所述GEM膜(4)有三层，并且相互平行分布，所述GEM膜(4)的长宽均为10cm，并且三层所述GEM膜(4)的前后两端电压为500-1000V。

7.根据权利要求6所述的一种涂硼微孔中子成像探测器，其特征在于，所述阴极板(3)和所述WSA阳极(5)均呈正方形，大小相等，边长均为10cm，所述阴极板(3)的电位为-2500V，所述WSA阳极(5)的电压比第一片所述GEM膜(4)的电压高100-200V。

8.根据权利要求7所述的一种涂硼微孔中子成像探测器，其特征在于，所述工作气体为体积比为95％Ar和5％CO₂的混合气，或者，所述工作气体为体积比为90％Ar和10％CH₄的混合气。

9.根据权利要求8所述的一种涂硼微孔中子成像探测器的测量方法，其特征在于，包括以下步骤；

步骤1、将涂硼微孔中子成像探测器置于中子辐射场中，辐射中子与石英玻璃片表面的硼发生核反应，生成带电粒子；

步骤2、生成的带电粒子出射进入工作气体，电离产生电子；

步骤3、在场笼电场的作用下，电离产生的电子漂移到GEM膜上进行电子信号的倍增，最终被WSA阳极获取，得到中子的位置信息，进行信号探测。

10.根据权利要求9所述的一种涂硼微孔中子成像探测器的测量方法，其特征在于，在步骤1中，辐射中子与硼的反应式为：

式中，n为中子，B为硼，Li为锂离子，Li^*为激发态锂离子，α为阿尔法粒子，MeV为兆电子伏特。

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