CN112068187A - 一种高灵敏度热中子探测器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高灵敏度热中子探测器，属于中子探测成像技术领域，解决了现有技术中热中子探测器探测效率低的问题。该探测器包括，中子转换体，包括Gd金属层及与Gd金属层密接的朔闪光纤阵列；Gd金属层用于接收照射待测样品后出射的热中子，并与其发生核反应产生内转换电子，内转换电子穿透Gd金属层进入朔闪光纤阵列；朔闪光纤阵列，用于将内转换电子在其中产生的可见光传输至SiPM阵列成像系统；SiPM阵列成像系统，用于探测可见光并获得第一探测图像；处理器，用于处理第一探测图像和无待测样品时获得的第二探测图像获得携带待测样品的信息的图像，该探测器对热中子具有较高的捕获率、转换率，从而提高了探测效率，并且具有较高的空间分辨率。

Description

一种高灵敏度热中子探测器

技术领域

本发明涉及中子探测成像技术领域，尤其涉及一种高灵敏度热中子探测器。

背景技术

中子探测在核辐射探测技术中占特殊的地位。目前国内外对热中子探测器的研究较为广泛，在众多领域和设施上，如中子散射试验、加速器、反应堆及外太空探测等均有应用，而提高热中子探测器的探测效率和空间分辨率则是关键技术点。

现有技术中，一种热中子探测器是使用转换材料对热中子进行转换，从而进行探测成像，使用较多的转换材料为He₃管，因为它与热中子反应截面可达5330bar。除了He₃管，还有采用Li₆、B₁₀来做转换材料。其中，Li₆与热中子的反应截面也很高，可达到940bar,反应产物是H₃和α粒子，由于α粒子穿透率极低，严重限制了热中子的探测效率。基于相同的原因，B₁₀作为转换材料时的探测效率也很低；另一种热中子探测器是使用Gd2O2S闪烁屏结合高量子效率的CCD进行探测成像，由于Gd2O2S闪烁屏无法做成像素型或微通道型，且CCD曝光时间很长，达到毫秒级甚至更长，这就导致更多的杂散光和噪声光进入CCD，极大地限制了成像的灵敏度，降低了探测效率。

现有技术中至少存在以下缺陷：一是热中子与He₃、Li₆、B₁₀等转换材料反映产生的α粒子穿透率极低，严重限制了热中子的探测效率；二是使用Gd2O2S闪烁屏结合高量子效率的CCD进行探测成像，由于Gd2O2S闪烁屏无法做成像素型或微通道型，且CCD曝光时间很长，极大地限制了成像的灵敏度和探测效率。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种高灵敏度热中子探测器，用以解决现有热中子探测器空间分辨率低、探测效率低的问题。

本发明提供了一种高灵敏度热中子探测器，包括中子转换体、SiPM阵列成像系统及处理器；

所述中子转换体包括Gd金属层及与所述Gd金属层密接的朔闪光纤阵列；

所述Gd金属层用于接收照射待测样品后出射的热中子，并与其发生核反应产生内转换电子，所述内转换电子穿透所述Gd金属层进入所述朔闪光纤阵列；

所述朔闪光纤阵列，用于将内转换电子在其中产生的可见光传输至所述SiPM阵列成像系统；

所述SiPM阵列成像系统，用于探测所述可见光并获得第一探测图像；

所述处理器，用于处理所述第一探测图像和无待测样品时获得的第二探测图像获得携带所述待测样品的信息的图像。

进一步的，所述朔闪光纤阵列包括多个二维阵列排布的塑料光纤；

所述塑料光纤的纤芯用于将内转换电子转换为可见光；

所述塑料光纤的皮层用于使所述可见光发生全反射传输至所述SiPM阵列成像系统。

进一步的，所述塑料光纤的横截面为正多边形，在所述朔闪光纤阵列中，相邻的所述塑料光纤密切贴合。

进一步的，所述塑料光纤的横截面尺寸范围为[50μm,100μm]。

进一步的，所述Gd金属层的厚度通过下述公式确定：

其中，σ_(n,Gd)为热中子与Gd金属的反应截面的面积，M_Gd155为单个Gd155金属原子的质量，M_Gd157为单个Gd157金属原子的质量，ρ_Gd为Gd金属的质量密度。

进一步的，利用光学胶将所述SiPM阵列成像系统与所述朔闪光纤阵列的光输出端粘合。

进一步的，将Gd金属层与所述朔闪光纤阵列密接后，在所述Gd金属层表面及边界处覆盖一层全反射膜，以及将所述SiPM阵列成像系统与所述朔闪光纤阵列的光输出端粘合后，在所述SiPM阵列成像系统后表面及粘合边界处覆盖一层全反射膜。

进一步的，所述热中子探测器的空间分辨率由所述塑料光纤的横截面尺寸确定：

其中，l_sp.res为热中子探测器的空间分辨率，d为所述塑料光纤的横截面尺寸。

进一步的，采用微纳3D打印技术制作朔闪光纤阵列，包括：

利用微纳3D打印技术打印蜂窝结构以获得塑料光纤的皮层；

将塑料光纤的纤芯材料热熔后注入所述蜂窝结构中，以获得朔闪光纤阵列。

进一步的，所述蜂窝结构的材料为三氧化二铝(AL₂O₃)。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

1、本发明提出的高灵敏度热中子探测器，利用Gd金属做转换材料，基于Gd与热中子的反应截面极高，因此Gd金属层能够100％地捕捉入射至其表面的热中子，并发生核反应，并有60％的几率产生内转换电子，其中，产生的内转换电子有50％的几率进入朔闪光纤阵列中，从而实现对热中子的探测效率达到30％。

2、本发明利用SiPM阵列成像系统对内转换电子产生的可见光进行成像，由于其时间响应非常快，上升时间可达到1-2ns，淬灭时间为10ns，因此可实现单光子探测，从而提高热中子探测器的探测灵敏度。

3、本发明利用朔闪光纤阵列结合SiPM阵列成像系统替代传统热中子探测器中的微型通道和CCD阵列，结构简单，且提高热中子探测器的探测效率的同时，还可以通过改变朔闪光纤阵列中塑料光纤的横截面尺寸对热中子探测器的空间分辨率进行调节。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例高灵敏度热中子探测器的示意图；

图2为本发明实施例各金属与中子的反应截面的示意图；

图3为本发明实施例朔闪光纤阵列的示意图；

图4为本发明实施例塑料光纤横截面为正六面形时，朔闪光纤阵列的横截面示意图。

附图标记：

1-Gd金属层；2-朔闪光纤阵列；3-SiPM阵列成像系统。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

本发明的一个具体实施例，公开了一种高灵敏度热中子探测器。如图1所示，包括中子转换体、SiPM阵列成像系统3及处理器。其中，图1中未示出处理器。

具体的，中子转换体包括Gd金属层1及与Gd金属层密接的朔闪光纤阵列2。其中，Gd金属层用于接收照射待测样品后出射的热中子，并与其发生核反应产生内转换电子，内转换电子能够穿透Gd金属层进入朔闪光纤阵列的塑料光纤中。朔闪光纤阵列将内转换电子在其中产生的可见光传输至SiPM阵列成像系统上。SiPM阵列成像系统探测可见光并获得第一探测图像。处理器处理第一探测图像和无待测样品时获得的第二探测图像获得携带待测样品信息的图像。

具体的，在实际应用中，通过该热中子探测器获得无待测样品时的第二探测图像，在热中子相同的照射条件下，在热中子发射源与Gd金属层之间放置待测样品，获得对应的第一探测图像，并将第二探测图像和第一探测图像传输至处理器，处理器通过将第一探测图像和第二探测图像对应位置的像素点的像素值相减以获得携带待测样品信息的图像。

各金属材料与中子的反应截面如图2所示，从图中可以看出，Gd155与Gd157与热中子的反应截面最大，比其他金属材料对应的反应截面大两个数量级。此外Gd155和Gd157的天然丰度高，分别为14.7％和15.7％。因此本发明选用Gd金属层用于接收热中子，以提高对热中子的捕获率，从而提高探测效率。

优选的，如图3所示，朔闪光纤阵列包括多个二维阵列排布的塑料光纤。塑料光纤的纤芯用于将内转换电子转换为可见光；塑料光纤的皮层用于使可见光发生全反射传输至SiPM阵列成像系统。

优选的，塑料光纤的横截面为正多边形，优选的，可以是正方形，也可以是其他能够实现密铺的图形，如正六边形、正三角形等，塑料光纤的横截面为正六边形，对应的朔闪光纤阵列的横截面如图4所示。优选的，塑料光纤的横截面也可以是圆形。为了防止热中子与Gd金属层反应生成的内转换电子进入到朔闪光纤阵列中相邻塑料光纤的缝隙中，导致降低对内转换电子的转换率，优选的，在朔闪光纤阵列中，相邻的塑料光纤密切贴合。

优选的，热中子探测器的空间分辨率由塑料光纤的横截面尺寸确定：

其中，l_sp.res为热中子探测器的空间分辨率，d为塑料光纤的横截面尺寸。塑料光纤的横截面尺寸为50μm时，其空间分辨率可达到15μm。

考虑到塑料光纤的横截面尺寸小于50μm时，对加工工艺的要求较高，塑料光纤的横截面尺寸为100μm时，已经能够满足热中子探测器对空间分辨率的要求，因此，优选的，塑料光纤的横截面尺寸范围为[50μm,100μm]。其中，当塑料光纤的横截面为正方形时，该尺寸指的是正方形的边长，当横截面为正六边形时，该尺寸指的是正六边形两个对边之间的距离，当横截面为正三角形时，该尺寸指的是三角形的高，当横截面为圆形是，该尺寸指的是圆的直径。

考虑到Gd金属层的厚度要使照射至其中的热中子能够全部与Gd原子发生核反应，优选的，Gd金属层的厚度通过下述公式确定：

其中，σ_(n,Gd)为热中子与Gd金属的反应截面的面积，M_Gd155为单个Gd155金属原子的质量，M_Gd157为单个Gd157金属原子的质量，ρ_Gd为Gd金属的质量密度，具体为7901kg/m³。

从图2中可以看出，热中子与Gd金属的反应截面的面积σ_(n,Gd)约为10⁵bar，bar为面积单位，1bar等于10^-28平方米。基于上述参数及公式计算获得的Gd金属层的厚度为10.9微米，即10.9微米厚的Gd金属层所包含的Gd金属原子能够与照射其中的全部热中子发生核反应。其中，根据现有技术中的理论可知，Gd金属原子与热中子发生核反应产生内转换电子的几率为60％，产生的内转换电子向4Pi方向运动，有50％的几率向进入朔闪光纤阵列的方向运动。

具体的，Gd155金属原子与热中子发生核反应产生的内转换电子的能量的范围为[29keV,200keV]，Gd157金属原子与热中子发生核反应产生的内转换电子的能量的范围为[39keV,190keV]，其中，能量为29keV的内转换电子便能够穿过10.9微米厚的Gd金属层，因此能够保证向进入朔闪光纤阵列的方向运动的内转换电子均能够穿过Gd金属层进入朔闪光纤阵列中。

内转换电子进入朔闪光纤阵列后，能够在塑料光纤的纤芯上沉积能量，1keV能量能够产生3-5个光子，示例性的，能量为30keV的内转化电子在纤芯上沉积能量后，能够产生90-150个光子。示例性的，选用ST401B型塑料闪烁体作为纤芯，其发光衰减时间为3ns，产生的可见光波长为423nm。

优选的，本申请所采用的SiPM阵列成像系统对波长为423nm的可见光的探测效率最高，能够与ST401B型塑料闪烁体作为纤芯产生的可见光相匹配，从而提高探测效率。具体的，SiPM阵列成像系统由128×128阵列排布的多个光电倍增管组成。该光电倍增管的横截面尺寸与单个塑料光纤的横截面尺寸相匹配，一次能够探测15个光子数据，因此该SiPM阵列成像系统一次能够探测15×128×128个光子数据，而其探测一次所需的时间为2.57微秒，一秒钟的时间内，能够探测10¹¹个光子数据；此外，硅光电倍增管的时间响应非常快，上升时间为1-2ns，淬灭时间是10ns，在该响应时间内噪声光子小于0.01个，可实现单光子探测，即能够探测低能量的内转换电子产生的少量光子，因此其对内转换电子产生的可见光的探测效率可达到100％。

本发明提出的热中子探测器对热中子的探测效率表达式为：

η_n＝η_n，Gd*η_{内转换电子}*η_e，朔闪*η_{photon，SIPM}

其中：η_n，Gd为入射至Gd金属层的热中子与Gd金属原子发生核反应的几率，有上述分析可知，10.9微米厚的Gd金属层能够接受入射至其中的热中子并与每一热中子发生核反应，因此η_n，Gd为100％；η_{内转换电子}为Gd金属原子与中子发生反应后产生内转换电子的几率，约为60％；η_e，朔闪为产生的内转换电子进入塑料闪烁光纤的几率，为50％；η_{photon，SIPM}为内转换电子产生的光子被SiPM阵列成像系统探测到的几率，由于SiPM阵列可实现单光子探测，因此可达到100％。基于上述参数可知本发明提出的热中子探测器对热中子的探测效率为30％。

优选的，对该热中子探测器的制作工艺具体如下：

利用微纳3D打印技术打印蜂窝结构以获得塑料光纤的皮层，优选的，蜂窝结构的材料为三氧化二铝(AL₂O₃)，其壁厚为5微米。

将塑料光纤的纤芯材料热熔后注入蜂窝结构中，以获得朔闪光纤阵列。优选的，纤芯材料可以选用ST401B型塑料闪烁体。

将朔闪光纤阵列的两个端面打磨平整后，利用透明的光学胶将制作好的10.9微米的Gd金属薄膜粘合在朔闪光纤阵列的一个端面(热中子接收端)，即实现密接，以获得目标厚度的Gd金属层。

利用透明的光学胶将SiPM阵列成像系统与朔闪光纤阵列的另一个端面(光输出端)粘合。

将Gd金属层与朔闪光纤阵列密接后，在Gd金属层表面及边界处覆盖一层全反射膜，以及将SiPM阵列成像系统与朔闪光纤阵列的光输出端粘合后，在SiPM阵列成像系统后表面及粘合边界处覆盖一层全反射膜。具体的，覆盖全反射膜的另一种方式为在制作好的热中子探测器(包括Gd金属层、朔闪光纤阵列及SiPM阵列成像系统)的外表面覆盖一层全反射膜，以有效减少光噪声。优选的，全反射膜的材料可选用三氧化二铝(AL₂O₃)。

与现有技术相比，本发明提出的高灵敏度热中子探测器，首先，利用Gd金属做转换材料，基于Gd与热中子的反应截面极高，因此Gd金属层能够100％地捕捉入射至其表面的热中子，并发生核反应，并有60％的几率产生内转换电子，其中，产生的内转换电子有50％的几率进入朔闪光纤阵列中，从而实现对热中子的探测效率达到30％；其次，本发明利用SiPM阵列成像系统对内转换电子产生的可见光进行成像，由于其时间响应非常快，上升时间可达到1-2ns，淬灭时间为10ns，因此可实现单光子探测，从而提高热中子探测器的探测灵敏度；最后，本发明利用朔闪光纤阵列结合SiPM阵列成像系统替代传统热中子探测器中的微型通道和CCD阵列，结构简单，且提高热中子探测器的探测效率的同时，还可以通过改变朔闪光纤阵列中塑料光纤的横截面尺寸对热中子探测器的空间分辨率进行调节。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高灵敏度热中子探测器，其特征在于，包括中子转换体、SiPM阵列成像系统及处理器；

所述中子转换体包括Gd金属层及与所述Gd金属层密接的朔闪光纤阵列；

所述Gd金属层用于接收照射待测样品后出射的热中子，并与其发生核反应产生内转换电子，所述内转换电子穿透所述Gd金属层进入所述朔闪光纤阵列；

所述朔闪光纤阵列，用于将内转换电子在其中产生的可见光传输至所述SiPM阵列成像系统；

所述SiPM阵列成像系统，用于探测所述可见光并获得第一探测图像；

所述处理器，用于处理所述第一探测图像和无待测样品时获得的第二探测图像获得携带所述待测样品的信息的图像。

2.根据权利要求1所述的高灵敏度热中子探测器，其特征在于，所述朔闪光纤阵列包括多个二维阵列排布的塑料光纤；

所述塑料光纤的纤芯用于将内转换电子转换为可见光；

所述塑料光纤的皮层用于使所述可见光发生全反射传输至所述SiPM阵列成像系统。

3.根据权利要求2所述的高灵敏度热中子探测器，其特征在于，所述塑料光纤的横截面为正多边形，在所述朔闪光纤阵列中，相邻的所述塑料光纤密切贴合。

4.根据权利要求2或3所述的高灵敏度热中子探测器，其特征在于，所述塑料光纤的横截面尺寸范围为[50μm,100μm]。

5.根据权利要求1所述的高灵敏度热中子探测器，其特征在于，所述Gd金属层的厚度通过下述公式确定：

其中，σ_(n,Gd)为热中子与Gd金属的反应截面的面积，M_Gd155为单个Gd155金属原子的质量，M_Gd157为单个Gd157金属原子的质量，ρ_Gd为Gd金属的质量密度。

6.根据权利要求1所述的高灵敏度热中子探测器，其特征在于，利用光学胶将所述SiPM阵列成像系统与所述朔闪光纤阵列的光输出端粘合。

7.根据权利要求6所述的高灵敏度热中子探测器，其特征在于，将Gd金属层与所述朔闪光纤阵列密接后，在所述Gd金属层表面及边界处覆盖一层全反射膜，以及将所述SiPM阵列成像系统与所述朔闪光纤阵列的光输出端粘合后，在所述SiPM阵列成像系统后表面及粘合边界处覆盖一层全反射膜。

8.根据权利要求4所述的高灵敏度热中子探测器，其特征在于，所述热中子探测器的空间分辨率由所述塑料光纤的横截面尺寸确定：

其中，l_sp.res为热中子探测器的空间分辨率，d为所述塑料光纤的横截面尺寸。

9.根据权利要求1、2-3、5-9任一项所述的高灵敏度热中子探测器，其特征在于，采用微纳3D打印技术制作朔闪光纤阵列，包括：

利用微纳3D打印技术打印蜂窝结构以获得塑料光纤的皮层；

将塑料光纤的纤芯材料热熔后注入所述蜂窝结构中，以获得朔闪光纤阵列。

10.根据权利要求9所述的高灵敏度热中子探测器，其特征在于，所述蜂窝结构的材料为三氧化二铝(AL₂O₃)。

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