CN114942469A - 一种基于柔性氮化镓二维电子气的中子探测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种中子探测方法及装置，具体涉及一种基于柔性氮化镓二维电子气的中子探测方法及装置，解决现有用于中子探测的³He材料稀缺且价格非常昂贵，急需研发可替代高探测效率³He气体探测器的新型中子探测器的技术问题；本发明一种基于柔性氮化镓二维电子气的中子探测方法，实现探测中子的高效率、高信噪比和高中子/伽马比，实现中子探测。本发明还提供一种基于柔性氮化镓二维电子气的中子探测装置，包括柔性单元；柔性单元包括至少一个闪烁体与至少一个氮化镓二维电子气器件的组合；氮化镓二维电子气器件分别设置在闪烁体的出射光路上。进而发展出新的可替代³He气体探测器的中子探测装置。

Description

一种基于柔性氮化镓二维电子气的中子探测方法及装置

技术领域

本发明涉及一种中子探测方法及装置，具体涉及一种基于柔性氮化镓二维电子气的中子探测方法及装置。

背景技术

中子可诱发核反应，由核反应产生并增殖中子，中子探测是核反应过程研究的最直接的手段之一。基于³He气体材料的探测器是实现中子探测的重要选择，由于³He与中子反应截面大，选择大体积、高填充气压的³He气体探测器可实现高的中子探测效率。但由于国际上³He材料稀缺、价格非常昂贵，研发可替代高探测效率³He气体探测器的新型中子探测器是国际上中子探测技术研究的热点和前沿问题之一。

利用固态含⁶Li和¹⁰B的转换材料，与闪烁体或半导体探测器通过对中子与固态含⁶Li和¹⁰B的转换材料作用，产生的带电粒子进行探测，进而获得中子信息，是实现中子探测的有效方式。但目前基于该方法的传统探测系统包含光电转换器件及半导体探测器等，导致探测系统体积庞大、工作偏压高以及探测系统结构复杂的问题。发展微型、柔性的中子探测方法及装置，是中子探测领域长期未解决的问题。

氮化镓二维电子气是一种柔性的二维器件，被成功用于光探测研究中，未见将其用于致电离辐射探测及中子探测中的相关报道。

发明内容

本发明的目的是解决现有用于中子探测的³He材料稀缺且价格非常昂贵，急需研发可替代高效率探测³He气体探测器的新型中子探测器的技术问题，而提供一种基于柔性氮化镓二维电子气的中子探测方法及装置，实现中子高效率探测、高信噪比和高中子/伽马比，进而发展出新的替代³He气体探测器的中子探测装置。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：

一种基于柔性氮化镓二维电子气的中子探测方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)在闪烁体的空隙中填入含⁶Li的中子转换物质；

2)中子与含⁶Li的中子转换物质发生⁶Li(n,α)反应，产生次级带电粒子；

3)将次级带电粒子的能量传递给闪烁体中的发光单元，使闪烁体发射可见光；

4)氮化镓二维电子气器件将可见光转换为电信号；

5)记录电信号，获得中子信号。

进一步地，步骤1)与步骤2)之间还包括步骤1-2)，将填入含⁶Li的中子转换物质后的闪烁体旋涂于氮化镓二维电子气器件上。

一种基于柔性氮化镓二维电子气的中子探测装置，用于实现上述的一种基于柔性氮化镓二维电子气的中子探测方法，其特殊之处在于：包括柔性单元；

柔性单元包括至少一个闪烁体以及与至少一个闪烁体组合的至少一个氮化镓二维电子气器件；

每个闪烁体的空隙中均填充有含⁶Li的裂变物质；

闪烁体与氮化镓二维电子气器件一一对应，且氮化镓二维电子气器件分别设置在闪烁体的出射光路上。

进一步地，所述氮化镓二维电子气器件包括从上到下依次设置的金电极、隔离层与N型GaN层；

隔离层为AlGaN；

金电极靠近闪烁体设置。

进一步地，所述氮化镓二维电子气器件还包括衬底；

N型GaN层设置在衬底上。

进一步地，所述闪烁体还包括反光层；

反光层设置在闪烁体的非发光面上。

进一步地，所述闪烁体与氮化镓二维电子气器件的材料均为柔性材料。

进一步地，所述闪烁体与氮化镓二维电子气器件均为全固态结构；

氮化镓二维电子气器件为双电极结构，且其工作偏压为1V-5V。

进一步地，所述柔性单元至少为两个，每个柔性单元叠放设置或依次套设。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

1、本发明柔性氮化镓二维电子气的中子探测方法，采用含⁶Li的中子转换物质，相比于³He材料，⁶Li容易获得，且⁶Li(n,α)反应释放的能量大，其能量为4.786MeV，利于有效区分中子和伽马本底信号；氮化镓二维电子气器件是一类具有放大功能的器件，利用氮化镓二维电子气器件中的隔离层(AlGaN)和GaN之间形成的势阱，可实现有效探测可见光，并在可见光探测中获得高信噪比，将其用于中子引发的可见光探测，有望发展一类高性能中子探测器。

2、高中子/伽马比。中子与含⁶Li的裂变物质发生⁶Li(n,α)反应，产生的次级带电粒子能量高，高于辐射环境中伽马射线产生的信号，故利用含⁶Li的中子转换物质可研发高探测效率、高中子/伽马比的中子探测器。

3、高信噪比。氮化镓二维电子气器件通过双电极结构设计，可实现非常低的漏电水平(低暗电流)，含⁶Li的裂变物质与闪烁体可对单个中子产生大量光子，氮化镓二维电子气器件在光电转换过程中有放大作用，中子引发信号幅度会很高，远高于氮化镓二维电子气器件的漏电水平，故而在中子探测中可实现高信噪比。

4、高灵敏度。闪烁体和氮化镓二维电子气器件的两级放大结构特征(中子→可见光、可见光→电信号)，具有高响应灵敏度，可实现对单个中子信号的有效探测。

5、高探测效率。本发明柔性氮化镓二维电子气的中子探测装置中柔性单元的多层结构设计可获得高的中子探测效率。

6、全固态结构。氮化镓二维电子气器件中的N型GaN层可从衬底上剥离，闪烁体与氮化镓二维电子气器件均为全固态结构。

7、结构简单。含⁶Li的裂变物质和闪烁体可为旋涂在氮化镓二维电子气器件上的薄层柔性材料，使氮化镓二维电子气器件实现柔性卷曲或弯曲；则柔性单元采用叠层结构或者卷状多层结构，其尺寸也较小，单个柔性单元的厚度(叠层后的厚度)仅为几十nm-几μm。

8、低工作偏压。传统的气体、半导体和闪烁中子探测器，一般需工作在几十伏-几千伏工作偏压下，本发明所选的氮化镓二维电子气器件为双电极结构，工作偏压很低，可工作在1-5V，甚至可工作在零偏压，其典型工作偏压为2V。

9、高抗辐照性能。闪烁体和氮化镓二维电子气器件均具有高抗辐照性能，使本发明适用于强辐射场下中子探测和辐射环境中长期工作。

附图说明

图1为本发明一种基于柔性氮化镓二维电子气的中子探测装置实施例一的结构示意图；

图2为本发明一种基于柔性氮化镓二维电子气的中子探测方法实施例一的原理图；

图3为本发明一种基于柔性氮化镓二维电子气的中子探测装置实施例二中，每个柔性单元叠放设置的结构示意图；

图4为本发明一种基于柔性氮化镓二维电子气的中子探测装置实施例三中，每个柔性单元套设设置的结构示意图。

图中附图标记为：

1-闪烁体，2-氮化镓二维电子气器件，3-金电极，4-隔离层，5-N型GaN层，6-衬底。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的技术方案，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

如图1、图2所示，本发明一种基于柔性氮化镓二维电子气的中子探测方法，包括以下步骤：

1)在闪烁体1的空隙中填入含⁶Li的中子转换物质；

1-2)，将填入含⁶Li的中子转换物质后的闪烁体1旋涂于氮化镓二维电子气器件2上；

2)使中子与含⁶Li的中子转换物质发生⁶Li(n,α)反应，产生次级带电粒子；

3)将次级带电粒子的能量传递给闪烁体1中的发光单元，使闪烁体1发射可见光；

4)利用氮化镓二维电子气器件2将可见光转换为电信号；

5)记录该电信号，获得中子信号。

同时，本发明还提供一种基于柔性氮化镓二维电子气的中子探测装置，包括柔性单元；

柔性单元包括至少一个闪烁体1与至少一个氮化镓二维电子气器件2的组合；

每个闪烁体1的空隙中均填充有含⁶Li的裂变物质；

闪烁体1与氮化镓二维电子气器件2一一对应，且氮化镓二维电子气器件2分别设置在闪烁体1的出射光路上。

其中，氮化镓二维电子气器件2包括从上到下依次设置的金电极3、隔离层4与N型GaN层5；隔离层4为AlGaN；金电极3靠近闪烁体1设置。本实施例中，氮化镓二维电子气器件2还设置有衬底6；N型GaN设置在衬底6上。

本实施例中，闪烁体1可包含⁶Li的裂变物质来提升中子探测效率，可在不与氮化镓二维电子气器件接触的面，包裹反光层。闪烁体1与氮化镓二维电子气器件2的数量均为一个；闪烁体1与氮化镓二维电子气器件2的材料均为柔性材料(可折叠、可卷曲或弯曲)；闪烁体1厚度可为百微米-几mm，氮化镓二维电子气可为百纳米-微米量级。

闪烁体1与氮化镓二维电子气器件2均为全固态结构。

氮化镓二维电子气器件2为双电极结构，且其工作偏压为2V；

柔性单元(不包含衬底6)，厚度最小可为几十纳米，包含衬底6时最小厚度为百纳米级。

实施例二

如图3所示，实施例二与实施例一的区别在于，闪烁体1和氮化镓二维电子气器件2的数量均为七个，组成七个柔性单元，每个柔性单元叠放设置。

本发明利用闪烁体1中含⁶Li的裂变物质与中子作用，发生⁶Li(n,α)反应，中子损失能量，⁶Li(n,α)反应释放的能量大，为4.786MeV，产生次级带电粒子，次级带电粒子将能量传递给闪烁体1的发光单元，使闪烁体1发出可见光，可见光进入氮化镓二维电子气器件2后，氮化镓二维电子气器件2将可见光转换为电信号，外部的记录器件将该电信号记录，进而获得中子信号；

氮化镓二维电子气器件2具有低漏电、高信噪比的特征，当无光子进入时，处于关断状态，其漏电很低；当有光子进入时，氮化镓二维电子气器件2的隔离层4(AlGaN)发生光电导，氮化镓二维电子气器件2工作，实现有效光电转换。通过闪烁体1与氮化镓二维电子气器件2的结构设计成功实现了中子→次级带电粒子、次级带电粒子→可见光、可见光→电信号的转换，可见光的波长为320nm-650nm，可成功实现中子的高效率探测、高信噪比和高中子/伽马比。

本实施例与实施例一的其余内容均相同。

实施例三

如图4所示，实施例三与实施例一的区别在于，闪烁体1和氮化镓二维电子气器件2的数量均为九个，组成九个柔性单元，每个柔性单元直径不同，其按直径从小到大依次套设。

由于闪烁体1和氮化镓二维电子气器件2均存在放大功能，则闪烁体1和氮化镓二维电子气器件2组成的结构有两级放大特征，可实现对中子或其次级带电粒子的高灵敏特性。一级放大，闪烁体1可将单个次级带电粒子或中子转换为大量光子；二级放大，氮化镓二维电子气器件2具有类似于三极管的放大特征，可实现光子到电信号的转换及电信号的放大。故单个中子/粒子可产生较高幅度的信号，进而使本发明的装置可实现单粒子探测。

闪烁体1和氮化镓二维电子气器件2具有好的环境稳定性，闪烁体1可根据与氮化镓二维电子气器件2的耐高温程度设置或选用，使柔性单元可在高温环境中工作。氮化镓二维电子气器件2所需的高压可低至几伏，甚至更低，比传统光电倍增管等光电转换器件(几百-几千伏)低很多，使柔性单元的尺寸可以特别小，小至mm至cm级。

同时，本发明结构简单，具有的两级放大结构可实现高增益的优势，可发展出新的替代³He气体探测器的中子探测装置。

本实施例的其余内容均与实施例一的结构相同。

以上所述仅为本发明的实施例，并非对本发明保护范围的限制，凡是利用本发明说明书以及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于柔性氮化镓二维电子气的中子探测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在闪烁体(1)的空隙中填入含⁶Li的中子转换物质；

2)中子与含⁶Li的中子转换物质发生⁶Li(n,α)反应，产生次级带电粒子；

3)将次级带电粒子的能量传递给闪烁体(1)中的发光单元，使闪烁体(1)发射可见光；

4)利用氮化镓二维电子气器件(2)将可见光转换为电信号；

5)记录电信号，获得中子信号。

2.根据权利要求1所述的一种基于柔性氮化镓二维电子气的中子探测方法，其特征在于：步骤1)与步骤2)之间还包括步骤1-2)，将填入含⁶Li的中子转换物质后的闪烁体(1)旋涂于氮化镓二维电子气器件(2)上。

3.一种基于柔性氮化镓二维电子气的中子探测装置，用于实现权利要求1-2任一所述的一种基于柔性氮化镓二维电子气的中子探测方法，其特征在于：包括柔性单元；

所述柔性单元包括至少一个闪烁体(1)与至少一个氮化镓二维电子气器件(2)的组合；

每个所述闪烁体(1)的空隙中均填充有含⁶Li的裂变物质；

所述闪烁体(1)与所述氮化镓二维电子气器件(2)一一对应，且氮化镓二维电子气器件(2)分别设置在闪烁体(1)的出射光路上。

4.根据权利要求3所述的一种基于柔性氮化镓二维电子气的中子探测装置，其特征在于：所述氮化镓二维电子气器件(2)包括从上到下依次设置的金电极(3)、隔离层(4)与N型GaN层(5)；

所述隔离层(4)为AlGaN；

所述金电极(3)靠近闪烁体(1)设置。

5.根据权利要求4所述的一种基于柔性氮化镓二维电子气的中子探测装置，其特征在于：所述氮化镓二维电子气器件(2)还包括衬底(6)；

所述N型GaN层(5)设置在衬底(6)上。

6.根据权利要求5所述的一种基于柔性氮化镓二维电子气的中子探测装置，其特征在于：所述闪烁体(1)还包括反光层；

所述反光层设置在闪烁体(1)的非发光面上。

7.根据权利要求6所述的一种基于柔性氮化镓二维电子气的中子探测装置，其特征在于：所述闪烁体(1)与氮化镓二维电子气器件(2)的材料均为柔性材料。

8.根据权利要求7所述的一种基于柔性氮化镓二维电子气的中子探测装置，其特征在于：所述闪烁体(1)与氮化镓二维电子气器件(2)均为全固态结构；

所述氮化镓二维电子气器件(2)为双电极结构，且其工作偏压为1V-5V。

9.根据权利要求8所述的一种基于柔性氮化镓二维电子气的中子探测装置，其特征在于：所述柔性单元至少为两个，每个柔性单元叠放设置或依次套设。

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