CN112255664B - 微通道型快中子图像探测器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微通道型快中子图像探测器，包括中子吸收体，所述中子吸收体上分布有若干个贯穿其厚度方向的通道，所述通道的内壁上均设有次级电子发射层，所述中子吸收体厚度方向的一侧依次设有微通道板、荧光屏和CCD相机，其中荧光屏与CCD相机通过光纤面板耦合，所述中子吸收体和微通道板的两侧均加载有电压，分别用于在通道内和微通道板内形成电场，所述中子吸收体中掺入有高Z元素。本发明的有益效果是：能够利用掺入铅等高Z元素的方法降低反冲质子在探测器中的射程，抑制质子串扰引起的图像弥散，相比闪烁光纤阵列探测器具有更好的空间分辨。

Description

微通道型快中子图像探测器
技术领域
本发明属于中子成像技术领域，具体涉及一种微通道型快中子图像探测器。
背景技术
快中子图像探测器通常是采用塑料闪烁光纤阵列，即：探测器由成若干根塑料闪烁材料制成的光纤捆扎而成，其中的每一根光纤作为一个像元。探测器工作时，中子进入探测器与塑料闪烁光纤中的氢原子发生弹性散射，产生反冲质子，反冲质子在光纤中沉积能量使得光纤产生闪烁荧光，荧光经过光纤传导到图像采集面形成图像。
在现有技术中，闪烁光纤阵列探测器的单个光纤像元的尺寸一般在百微米尺度，而探测器的中子图像空间分辨却只能达到毫米水平，其主要原因是：快中子产生的反冲质子能量一般在几个MeV量级，这些反冲质子在塑料闪烁材料中的射程可以达到两毫米，因此一个中子产生的反冲质子会在相邻的多根闪烁光纤中沉积能量，使这些相邻的光纤发光，即反冲质子引起的串扰，从而导致了图像的空间弥散。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种微通道型快中子图像探测器，以解决现有技术中质子串扰引起的图像弥散，有效地提高了探测器图像的分辨率。
为实现上述目的，本发明技术方案如下：
一种微通道型快中子图像探测器，其关键在于：包括中子吸收体，所述中子吸收体上分布有若干个贯穿其厚度方向的通道，所述通道的内壁上均设有次级电子发射层，所述中子吸收体厚度方向的一侧依次设有微通道板、荧光屏和CCD相机，其中荧光屏与CCD相机通过光纤面板耦合，所述中子吸收体和微通道板的两侧均加载有电压，分别用于在通道内和微通道板内形成电场，所述中子吸收体中掺入有高Z元素。
采用上述结构，探测器工作时，中子在中子吸收体内产生反冲质子，反冲质子撞击在次级电子发射层上产生电子，然后再在电场的作用下，电子在通道内向高电势方向运动，当电子又撞击通道壁时，次级电子发射层会发射出数个电子，然后大量的电子经微通道板放大以后在荧光屏上呈现图像，最后荧光屏通过光纤面板与CCD相机耦合，从而实现图像的记录。同时，掺入了高Z元素的中子吸收体，能够有效降低反冲质子在中子吸收体中的射程，使得能量沉积在中子作用位置很小的范围内，再结合各个通道对电子的约束能力，能够有效抑制图像的空间弥散，提升探测器的空间分辨。
作为优选：所述中子吸收体采用聚乙烯制成，微通道板采用铅玻璃制成。采用上述结构，聚乙烯中的氢原子含量较高，以其作为中子吸收体的材料基底，对中子具有更高的灵敏度，能够保证对快中子具有更高的探测效率。
作为优选：所述高Z元素为铅。采用上述结构，能够有效降低反冲质子在探测器中的射程，使反冲质子在一两百微米的射程内就将能量耗尽，从而避免质子串扰引起的图像弥散。
作为优选：所述电场通过时间门控脉冲高压电路控制。采用上述结构，可以利用时间门控功能，对中子飞行时间谱的信号在时域上进行选通，以实现在一些复杂的中子场中，能够选择性的对某个时间窗口的信号进行成像。
作为优选：所述次级电子发射层为Al2O3薄膜，其以电镀方式设置在通道的内壁上。采用上述结构，当有电子撞击Al2O3薄膜时，会产生更多的电子。
作为优选：所述中子吸收体与次级电子发射层之间镀有导电层，导电层为ZnO-Al2O3薄膜。采用上述结构，能够在次级电子发射层的电子消耗之后为其补充电子。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、微通道型快中子图像探测器能够利用掺入铅等高Z元素的方法降低反冲质子在探测器中的射程，抑制质子串扰引起的图像弥散，相比闪烁光纤阵列探测器具有更好的空间分辨。
2、微通道型快中子图像探测器使用了聚乙烯材料作为基底，且具备较大的灵敏厚度，对快中子具有更高的探测效率。
3、电子在通道中的时间过程能够通过外加电场进行控制，利用时间门控功能，对中子飞行时间谱的信号在时域上进行选通，在一些复杂的中子场中，能够选择性的对某个时间窗口的信号进行成像。
附图说明
图1为微通道型快中子图像探测器的原理示意图；
图2为反应次级电子发射层和导电层在通道内的示意图；
图3为通道为正方形孔的端面局部示意图；
图4为通道为沟槽型结构的端面局部示意图。
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明。
如图1和2所示，一种微通道型快中子图像探测器，该探测器涉及的核心部件有：中子吸收体1、微通道板2、荧光屏3、CCD相机4和光纤面板5，其中，中子吸收体1内阵列分布有若干个贯通其厚度方向的通道1a，通道1a的内壁上依次镀有导电层1c和次级电子发射层1b，微通道板2、荧光屏3、CCD相机4在中子吸收体1通道1a的一端依次设置，中子吸收体1厚度方向的两端以及微通道板2厚度方向的两端均设有电极6，中子吸收体1两端的电极6之间和微通道板2两端的电极6之间均加载有电压，分别用于在通道1a内和微通道板2内形成电场，本实施中，加载在中子吸收体1和微通道板2两侧的电压均为时间门控脉冲高压。
微通道型快中子图像探测器的工作原理如下所述：
探测器工作时，中子在聚乙烯制成的中子吸收体1中与氢原子发生弹性散射产生反冲质子，反冲质子撞击在次级电子发射层1b上产生电子，然后再在电场的作用下，电子在通道1a内向高电势方向运动，当电子又撞击通道1a壁时，次级电子发射层1b会发射出数个电子，然后大量的电子经微通道板2放大以后在荧光屏3上呈现图像，最后荧光屏3通过光纤面板5与CCD相机4耦合，从而实现图像的记录。
中子吸收体1的聚乙烯材料中掺入有高Z元素，高Z元素即具有高原子序数的元素，本实施中，高Z元素优选采用铅，中子吸收体1中掺入铅后，能够有效降低反冲质子在探测器中的射程，使反冲质子在一两百微米的射程内就将能量耗尽，确保能量沉积在中子作用位置很小的范围内，再加上各个通道1a对电子的约束能力，就能够有效抑制图像的空间弥散，提升探测器的空间分辨。同时，聚乙烯在中子吸收体1中只起到支撑基底和提供氢原子的作用，故，掺入铅以后也不会对中子吸收体1的性能产生影响。
电子在中子吸收体1的通道1a和微通道板2中的时间过程能够通过上述时间门控脉冲高压控制，设置适当的时间开启窗口，能够对中子飞行时间谱的信号在时域上进行选通，在一些复杂的中子场中，能够选择性的对某个时间窗口的信号进行成像。进一步的，上述微通道板2采用铅玻璃制成，是一种大面阵的高空间分辨的电子倍增器件，属于现有成熟产品，其具体结构和工作原理此处不再赘述。
再如图2所示，次级电子发射层1b和导电层1c以电镀方式设置在通道1a内，其中导电层1c为ZnO-Al2O3薄膜，能够在次级电子发射层1b的电子消耗之后为其补充电子；次级电子发射层1b为Al2O3薄膜，当有电子撞击Al2O3薄膜时，会产生更多的电子。
如图4所示，为对中子具有更高的探测效率，中子吸收体1上的通道1a为沟槽型结构。
再如图3所示，为了方便加工通道1a，中子吸收体1上分布的通道1a也可以是贯穿中子吸收体1厚度方向的正方形孔。
最后需要说明的是，上述描述仅仅为本发明的优选实施例，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种微通道型快中子图像探测器，其特征在于：包括中子吸收体（1），所述中子吸收体（1）上分布有若干个贯穿其厚度方向的通道（1a），所述通道（1a）的内壁上均设有次级电子发射层（1b），所述中子吸收体（1）厚度方向的一侧依次设有微通道板（2）、荧光屏（3）和CCD相机（4），其中荧光屏（3）与CCD相机（4）通过光纤面板（5）耦合，所述中子吸收体（1）和微通道板（2）的两侧均加载有电压，分别用于在通道（1a）内和微通道板（2）内形成电场，所述中子吸收体（1）中掺入有高Z元素；
所述中子吸收体（1）采用聚乙烯制成，微通道板（2）采用铅玻璃制成，所述高Z元素为铅，所述通道（1a）为纵横交错设置的沟槽型结构。
2.根据权利要求1所述的微通道型快中子图像探测器，其特征在于：所述电场通过时间门控脉冲高压电路控制。
3.根据权利要求1所述的微通道型快中子图像探测器，其特征在于：所述次级电子发射层（1b）为Al2O3薄膜，其以电镀方式设置在通道（1a）的内壁上。
4.根据权利要求1所述的微通道型快中子图像探测器，其特征在于：所述中子吸收体（1）与次级电子发射层（1b）之间镀有导电层（1c），导电层（1c）为ZnO-Al2O3薄膜。
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