CN112255666B - 中子灵敏微通道板 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种中子灵敏微通道板，包括采用聚乙烯制成的板体，所述板体上阵列分布有若干个通道，各个所述通道均贯穿板体的厚度方向，所述通道的内壁上朝靠近其中心线的方向依次设有导电层和次级电子发射层。本发明的有益效果是：微通道板使用聚乙烯作为基底替代了普通微通道板(MCP)的铅玻璃，对中子具有更高的灵敏度，同时也具有MCP时间响应快，空间分辨好的特点，特别适用于中子飞行时间测量和中子成像等领域。

Description

中子灵敏微通道板
技术领域
本发明涉及中子成像探测技术领域，具体涉及一种中子灵敏微通道板。
背景技术
微通道板(MCP)是一种大面阵的高空间分辨的电子倍增器件，其具有体积小、重量轻、和使用电压低等优点，微通道板可以利用其二次电子发射特性，使高速碰撞在内壁上的电子成倍增加，使之达到万倍以上的电子增流，基于这种特性，微通道板被广泛用于光电倍增管、高速示波管，以及X射线、电子、亚原子粒子等的探测。
在中子探测技术领域中，对中子的灵敏度和空间分辨率是衡量微通道板的重要指标，然而，现有的微通道板主要以铅玻璃作为材料基底，其应用于中子飞行时间测量和中子成像等领域时，微通道板的中子灵敏度和空间分辨率仍有进一步提高的需求。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种中子灵敏微通道板，对中子具有更高的灵敏度，同时也具有MCP时间响应快，空间分辨好的特点，可以用于中子飞行时间测量和中子成像等领域。
为实现上述目的，本发明技术方案如下：
一种中子灵敏微通道板，其关键在于：包括采用聚乙烯制成的板体，所述板体上阵列分布有若干沿厚度方向贯穿该板体的通道，各所述通道的内壁上由外向内依次设有导电层和次级电子发射层。
采用上述结构，聚乙烯材料制成的板体内富含大量的氢原子，中子探测时，能够确保中子在聚乙烯中与氢原子充分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上产生电子，然后再在外加电场的作用下，电子在通道内向高电势方向运动，当电子又撞击通道壁时，次级电子发射层发射出数个电子，产生倍增效应，从而保证有大量的电子会从通道输出出来，然后利用收集电极或者荧光屏收集这些电子就能够形成电流信号或者图像。同时，微通道板使用聚乙烯作为基底替代了普通微通道板的铅玻璃，对中子具有更高的灵敏度，同时也具有MCP时间响应快，空间分辨好的特点，可以用于中子飞行时间测量和中子成像等领域。
作为优选：各个所述通道包括沿板体所在平面纵横交错布置的横向沟槽和纵向沟槽。采用上述结构，有利于探测过程中收集质子，对中子和质子具有较高的探测效率。
作为优选：所述通道包括多排阵列排布的正方形孔，相邻两排正方形孔交替分布。采用上述结构，微通道板的加工比较简单，易于生产和制造。
作为优选：各个所述通道包括沿板体所在平面阵列分布的横向腰形孔和沿垂直于横向腰形孔的方向阵列分布的纵向腰形孔。采用上述结构，对中子和质子具有较高的探测效率，且微通道板的稳定性较好。
作为优选：所述板体在对应通道两端的侧面上均设有电极。采用上述结构，微通道板用在中子探测器中时，能够方便在微通道板的两端加载电压。
作为优选：所述导电层和次级电子发射层以镀膜方式设置在通道的内壁上，其中次级电子发射层为Al2O3薄膜，导电层为ZnO-Al2O3薄膜。采用上述结构，当有电子撞击Al2O3薄膜时，会产生更多的电子，导电层则能够在次级电子发射层的电子消耗之后为其补充电子。
作为优选：所述板体的厚度超过1cm，级电子发射层的平均二次电子发射系数为1。采用上述结构，微通道板应用在中子飞行时间探测器中时，能够保证探测器不同位置的中子灵敏度具有较好的一致性。
作为优选：所述板体的聚乙烯材料中掺入有高Z元素。采用上述结构，微通道板应用在中子图像探测器中时，掺入了高Z元素的板体，能够有效降低反冲质子在板体中的射程，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：所述高Z元素为铅。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
采用本发明提供的中子灵敏微通道板，其使用聚乙烯作为基底替代了普通微通道板(MCP)的铅玻璃，对中子具有更高的灵敏度，同时也具有MCP时间响应快，空间分辨好的特点，特别适用于中子飞行时间测量和中子成像等领域。
附图说明
图1为中子灵敏微通道板的剖面示意图；
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、图4和图5分别为通道1a的三种结构形式；
图6为微通道板应用在快中子飞行时间探测器中的使用状态参考图；
图7为微通道板应用在快中子图像探测器中的使用状态参考图。
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，一种中子灵敏微通道板，微通道板的板体1采用聚乙烯制成，其内部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，次级电子发射层1b和导电层1c以镀膜方式设置在通道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。
微通道板应用到探测器上后，通道1a的几何结构对探测器的性能会起到决定性作用，由于微通道板中产生的反冲质子穿过微通道1a才能够被探测，而反冲质子在基底材料中的射程较短，因此紧密排列的通道1a布局更有利于质子收集，但相对的，紧密的通道1a间隔意味着更大的加工难度，此外还需要维持较大的基底材料占空比以免中子探测效率过低。
基于上述原因，本实施例提供了以下三种结构形式的通道1a布局：
请参图3所示，各个通道1a由沿水平方向阵列分布的横向沟槽11和沿竖直方向阵列分布的纵向沟槽12组成，其中，各个横向沟槽11之间均连通形成水平长沟槽，各个纵向沟槽12之间均连通形成竖直长沟槽，沟槽型通道结构有利于探测过程中收集质子，对中子和质子具有较高的探测效率。沟槽型通道结构在实施时，需要在板体1的端部设置保持结构，以确保微通道板的稳定支撑。
请参图4所示，各个通道1a均为正方形孔，正方形孔以排状形式分布，且相邻两排正方形孔交替分布，此种结构形式的通道1a具有加工制造难度低、易于实现的技术优势。
请参图5所示，各个通道1a由沿水平方向阵列分布的横向腰形孔13和沿竖直方向阵列分布的纵向腰形孔14组，此种结构形式的通道1a性能介于前两种通道1a结构之间，在保证了探测效率的前提下，还具有较好的稳定性。
如图6所示，一种基于中子灵敏微通道板的微通道型快中子飞行时间探测器，微通道板的板体1在对应通道1a两端的侧面上各设有一个电极2，两个电极2之间加载有时间门控脉冲高压，用于在板体1的通道1a内形成电场，通道1a的出口面设置有一块普通微通道板4，普通微通道板4由铅玻璃加工制成，其两侧之间也加载有时间门控脉冲高压，传统微通道板4的输出面设置有一个电子收集极3。
基于上述结构布置，微通道型快中子飞行时间探测器的工作原理如下所述：
中子在聚乙烯制成的板体1中与氢原子发生弹性散射产生反冲质子，反冲质子撞击在通道1a内的次级电子发射层1b上产生电子，然后再在电场的加速作用下，电子在通道1a内向高电势方向运动，当电子再次撞击通道1a壁时，次级电子发射层1b会发射出数个电子，然后再经过普通微通道板4对电子进行倍增，最后电子收集极3将电子进行收集，即可得到能够被记录的时变电信号，从而完成中子飞行时间的测量。在上述探测过程中，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，对快中子具有较高的探测效率，电子在板体1和普通微通道板中的时间过程能够通过外加电场进行控制，其时间波形的脉宽可以做到5纳秒左右，具备较好的时间分辨，能够充分满足快中子飞行时间测量的要求。除此之外，利用时间门控功能，还能够对中子飞行时间谱的信号在时域上进行选通，具有较高的测量信噪比。
进一步的，为了能够提高对快中子的探测效率，板体1的厚度大于等于1cm。在快中子飞行时间探测器中，板体1的通道1a不需要增益能力，原因是：通道1a内的初始电子可能产生于通道的任何位置，在通道1a前端产生的电子在通道1a中的路径比后端产生的电子更长，若电子在通道1a中有增益，那么将会导致中子在前端位置产生的信号幅度将远大于在后端。因此，次级电子发射层1b的平均二次电子发射系数优选设置为1，以确保探测器不同位置的中子灵敏度具有较好的一致性。
如图7所示，一种基于中子灵敏微通道板的微通道型快中子图像探测器，微通道板的板体1中掺入有高Z元素铅，且板体1在对应通道1a两端的侧面上各设有一个电极2，两个电极2之间加载有时间门控脉冲高压，用于在板体1的通道1a内形成电场，板体1厚度方向的一侧依次设有普通微通道板6、荧光屏3、光纤面板5和CCD相机4，其中普通微通道板6的两端之间也加载有时间门控脉冲高压。
基于上述结构布置，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板体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，然后大量的电子经普通微通道板6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。快中子图像探测器的板体1采用了掺铅的聚乙烯材料，中子在板体1中的某个位置产生反冲质子，铅能够有效降低反冲质子的射程，使得能量沉积在中子作用位置周围很小的范围内，再结合通道1a对电子的约束能力，能够有效抑制图像的空间弥散，探测器的空间分辨比闪烁光纤等常用的快中子图像探测器具有更好的空间分辨。除此之外，电子在通道1a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。
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 (5)

1.一种中子灵敏微通道板，其特征在于：包括采用聚乙烯制成的板体（1），所述板体（1）上阵列分布有若干沿厚度方向贯穿该板体（1）的通道（1a），各所述通道（1a）的内壁上由外向内依次设有导电层（1c）和次级电子发射层（1b）；
各个所述通道（1a）由沿水平方向阵列分布的横向沟槽（11）和沿竖直方向阵列分布的纵向沟槽（12）组成，其中，各个所述横向沟槽（11）之间均连通形成水平长沟槽，各个纵向沟槽（12）之间均连通形成竖直长沟槽；
所述板体（1）的厚度超过1cm，级电子发射层（1b）的平均二次电子发射系数为1。
2.根据权利要求1所述的中子灵敏微通道板，其特征在于：所述板体（1）在对应通道（1a）两端的侧面上均设有电极（2）。
3.根据权利要求1所述的中子灵敏微通道板，其特征在于：所述导电层（1c）和次级电子发射层（1b）以镀膜方式设置在通道（1a）的内壁上，其中次级电子发射层（1b）为Al2O3薄膜，导电层（1c）为ZnO-Al2O3薄膜。
4.根据权利要求1所述的中子灵敏微通道板，其特征在于：所述板体（1）的聚乙烯材料中掺入有高Z元素。
5.根据权利要求4所述的中子灵敏微通道板，其特征在于：所述高Z元素为铅。
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