KR100490062B1 - A nanotube-type neutron detector using nuclear reaction - Google Patents
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Abstract
본 발명은 탄소나노튜브를 이용하여 고감도로 중성자를 검출할 수 있는 중성자 검출장치에 관한 것으로서, 그 목적은 중성자에 대한 검출감도가 높고, 응답속도가 빠르고, 대면적의 검출기 제작이 용이한 중성자 검출장치를 제공하는데 있다.The present invention relates to a neutron detection device capable of detecting neutrons with high sensitivity using carbon nanotubes, and an object thereof is to detect neutrons having high detection sensitivity for neutrons, fast response speed, and easy to manufacture a large-area detector. To provide a device.
본 발명의 구성은 기판(3)의 하부면에 박막형태의 중성자반응층(2)이 형성되어 있고, 중성자반응층 하부면에 2차전자(5)를 방출하는 탄소나노튜브(4)가 형성되어 있고, 상기 탄소나노튜브에서 방출된 2차전자(5)를 탄소나노튜브 선단 하부로 이동시키기 위해 기판(3)과 중성자반응층(2) 사이에 표류전극(6)이 형성되어 있고, 탄소나노튜브의 선단에서 약간 이격되어 신호검출전극(9)과 전압인가수단(10)을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.In the configuration of the present invention, a thin film neutron reaction layer 2 is formed on the lower surface of the substrate 3, and carbon nanotubes 4 that emit secondary electrons 5 are formed on the lower surface of the neutron reaction layer. The drift electrode 6 is formed between the substrate 3 and the neutron reaction layer 2 to move the secondary electrons 5 emitted from the carbon nanotubes to the lower end of the carbon nanotubes. Slightly spaced apart from the tip of the nanotubes, it characterized in that it comprises a signal detecting electrode 9 and the voltage applying means (10).
Description
본 발명은 탄소나노튜브를 이용하여 고감도로 중성자를 검출할 수 있는 중성자 검출장치에 관한 것으로서, 특히 입사된 중성자가 감속재를 통과하며 감속되고 중성자반응층에서 핵반응을 통해 하전입자를 방출하며, 방출된 하전입자가 탄소나노튜브를 통과하면서 2차전자 방출을 유도하고, 방출된 전자신호를 측정하도록 하여 가속기, 핵융합로, 핵발전소, 산업체 등에서 유용하게 적용할 수 있는 중성자핵반응을 이용한 나노튜브형 중성자 검출장치에 관한 것이다. The present invention relates to a neutron detection device capable of detecting neutrons with high sensitivity using carbon nanotubes, and particularly, an incident neutron is decelerated through a moderator and releases charged particles through a nuclear reaction in a neutron reaction layer. Nanotube-type neutron detection device using neutron nucleus reactions that can be usefully applied to accelerators, fusion reactors, nuclear power plants, and industries by allowing charged particles to induce secondary electron emission while measuring carbon nanotubes and measuring emitted electron signals It is about.
종래에 있어서, 중성자검출기는 주로 입사중성자와 검출기 내의 핵반응성 물질이 반응하여 하전입자를 방출하는 핵반응을 이용하거나 탄성산란 반응을 이용하며, 그 종류에는 기체형검출기로서 3He , 10B 등을 이용한 비례계수관, 고체형검출기로서 6Li 또는 157Gd을 이용하는 반도체 및 섬광체 검출기와, 103Rh, 51 V 등의 β-선 방출물질을 이용한 SPND(Self Powered Neutron Detector)와, 혼합형검출기로서 235U, 238U, 239Pu 등의 핵분열물질을 이용한 fission chamber와 붕소(B) 코팅형 계수관 등이 있다.In the related art, the neutron detector mainly uses a nuclear reaction or an elastic scattering reaction, in which the incident neutron and the nuclear reactive material in the detector react to release charged particles, and a type of 3 He, 10 B, etc. is used as a gas detector. Semiconductor and scintillation detectors using 6 Li or 157 Gd as proportional counters, solid state detectors, SPND (Self Powered Neutron Detector) using β-ray emitters such as 103 Rh and 51 V, and 235 U, 238 as mixed detectors. And fission chambers using nuclear fission materials such as U and 239 Pu, and boron (B) coated counters.
하지만 상기 중성자 검출기 중 기체형태의 검출기는 동작속도가 느리고 고체형검출기는 대형검출기 제작이 어렵고 제작비용이 많이 든다는 문제점이 있다. However, the gas-type detector of the neutron detector has a problem that the operation speed is slow and the solid state detector is difficult to manufacture a large size detector and the manufacturing cost is high.
또한 상기 고체형 중성자검출기는 검출효율이 낮아서 고감도의 중성자검출에는 적합하지 않다는 문제점이 있다. In addition, the solid neutron detector has a problem that it is not suitable for high sensitivity neutron detection because the detection efficiency is low.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 중성자에 대한 검출감도가 높고, 응답속도가 빠르고, 대면적의 검출기 제작이 용이한 중성자 검출장치를 제공하는데 있다.An object of the present invention for solving the above problems is to provide a neutron detection device having a high detection sensitivity for neutrons, a fast response speed, easy to manufacture a large area detector.
상기와 같은 본 발명의 목적은 기판 하부면에 입사 중성자와 핵반응하여 하전입자를 방출하는 중성자반응층을 형성하고, 방출된 하전입자에 의한 2차전자 방출을 효율적으로 유도하기 위해 상기 중성자반응층 하부에 탄소나노튜를 성장시킨 나노튜브형 중성자 검출장치를 제공함으로써 달성된다. An object of the present invention as described above is to form a neutron reaction layer that emits charged particles by nuclear reaction with the incident neutrons on the lower surface of the substrate, and the lower portion of the neutron reaction layer to induce secondary electron emission by the discharged charged particles efficiently This is achieved by providing a nanotube-type neutron detection apparatus in which carbon nanotubes are grown.
상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명의 실시예인 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다.When described in detail with reference to the accompanying drawings, the configuration and the operation of the embodiment of the present invention to achieve the object as described above and to perform the task for eliminating the conventional drawbacks.
본 발명은 중성자를 흡수하여 하전입자를 방출하는 중성자반응층과 상기 하전입자에 의해 전자를 방출하게 되는 탄소나노튜브(Carbon Nanotube : CNT)를 이용하여 중성자 측정장치를 제공하는 것을 특징으로 한다.The present invention is characterized by providing a neutron measuring device using a neutron reaction layer that absorbs neutrons and releases charged particles and carbon nanotubes (CNTs) that emit electrons by the charged particles.
도 1은 본 발명에 따른 중성자반응층과 탄소나노튜브가 형성된 나노튜브형 중성자 검출장치의 개념도를 도시하고 있는데, 상기 도면에서 보는 바와 같이 본 발명에 따른 중성자검출장치는 기판(3)의 하부면에 박막형태의 중성자반응층(2)이 형성되어 있고, 중성자반응층 하부면에 2차전자(5)를 방출하는 탄소나노튜브(4)가 형성되어 있고, 상기 탄소나노튜브에서 방출된 2차전자(5)를 탄소나노튜브 선단 하부로 이동시키기 위해 기판(3)과 중성자반응층(2) 사이에 표류전극(6)이 형성되어 있고, 탄소나노튜브의 선단에서 약간 이격되어 신호검출전극(9)과 전압인가수단(10)을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.1 is a conceptual diagram of a nanotube-type neutron detection device in which a neutron reaction layer and carbon nanotubes are formed according to the present invention. As shown in the drawing, the neutron detection device according to the present invention is disposed on the lower surface of the substrate 3. A neutron reaction layer 2 in the form of a thin film is formed, and carbon nanotubes 4 for releasing secondary electrons 5 are formed on the lower surface of the neutron reaction layer and secondary electrons emitted from the carbon nanotubes. A drifting electrode 6 is formed between the substrate 3 and the neutron reaction layer 2 to move the lower portion of the carbon nanotube to the lower end of the carbon nanotube. The signal detection electrode 9 is slightly spaced apart from the tip of the carbon nanotube. ) And a voltage applying means (10).
이하에서는 상기 중성자 검출장치의 동작원리에 대해 설명하기로 한다. Hereinafter, the operation principle of the neutron detection apparatus will be described.
열중성자(1)가 중성자반응층(2)에 입사되면 (n, α) 혹은 (n, p) 핵반응 또는 핵분열반응을 일으키며, α입자, 양성자(proton), 핵분열생성물 등의 하전입자(7a, 7b)가 방출된다. 방출된 하전입자는 인근의 탄소나노튜브들과 비탄성충돌을 하며 2차전자(5)를 방출하고, 방출된 전자는 직접 신호검출전극(9)에서 수집되거나 마이크로챈널 플레이트에서 증폭된 후 신호검출전극에서 수집된다. When the thermal neutron 1 enters the neutron reaction layer 2, it causes (n, α) or (n, p) nuclear reaction or fission reaction, and charged particles such as α particles, protons, fission products, and the like (7a, 7b) is released. The charged particles emit inelastic collisions with nearby carbon nanotubes and emit secondary electrons 5, and the emitted electrons are collected directly from the signal detection electrode 9 or amplified in a microchannel plate and then signal detection electrode. Is collected from.
상기 중성자반응층(2)은 붕소(B), 붕소화합물, 리튬(Li), 리튬화합물, 질소(N)화합물로 이루어진 군중에서 선택된 어느 하나이거나, 입사하는 중성자와 (n, α) 혹은 (n, p) 핵반응을 일으킬 수 있는 물질로 이루어진 군중에서 선택된 어느 하나로 형성된 것이 특징이다. The neutron reaction layer 2 is any one selected from the group consisting of boron (B), boron compound, lithium (Li), lithium compound, and nitrogen (N) compound, or (n, α) or (n) and p) formed from any one selected from the group of substances capable of causing a nuclear reaction.
상기 중성자반응층(2)을 형성할 수 있는 다른 물질로는 우라늄(U), 우라늄화합물, 플루토늄, 플루토늄화합물로 이루어진 군중에서 선택된 어느 하나이거나 입사하는 중성자와 핵분열반응을 일으키는 물질로 이루어진 군중에서 선택된 어느 하나일 수 있다.The other material capable of forming the neutron reaction layer 2 may be any one selected from the group consisting of uranium (U), uranium compounds, plutonium, and plutonium compounds, or selected from the group consisting of incident neutrons and a substance causing nuclear fission reactions. It can be either.
상기 탄소나노튜브(4)의 직경은 하전입자와 비탄성충돌에 의해 탄소나노튜브의 내부에서 생성된 2차전자 또는 상기 2차전자에 의해 전리된 전자들이 탄소나노튜브의 표면으로 이동하여 탄소나노튜브의 표면장벽에너지를 뛰어넘고 탄소나노튜브들 사이의 열린 통로로 효과적으로 방출되도록, 수10 ∼ 수100㎚ 정도인 것이 바람직하다. The diameter of the carbon nanotubes 4 is that secondary electrons generated inside carbon nanotubes by charged particles and inelastic collisions or electrons ionized by the secondary electrons move to the surface of the carbon nanotubes and thus the carbon nanotubes. In order to exceed the surface barrier energy of and to be effectively released into the open passage between the carbon nanotubes, it is preferably about 10 to 100 nm .
또한 탄소나노튜브의 길이(L)는 하전입자의 비정거리를 고려하여10-100㎛ 정도인 것이 바람직하다. In addition, the length (L) of the carbon nanotubes is preferably about 10-100㎛ in consideration of the specific distance of the charged particles.
상기 탄소나노튜브는 가늘고 길며 밀집된 구조를 지니고 있어, 비행하는 하전입자가 다수 개(수백 개)의 탄소나노튜브를 통과하며 2차전자를 방출하는 구조로 되어 있어 중성자에 대한 검출효율을 높일 수 있다.The carbon nanotubes have a thin, long and dense structure, so that charged particles can pass through a large number (hundreds) of carbon nanotubes and emit secondary electrons, thereby improving detection efficiency for neutrons. .
상기 방출된 2차전자는 운동에너지가 수eV ∼ 수십eV로 매우 낮기 때문에 기판(3)면에 수직으로 형성된 표류전기장을 따라 탄소나노튜브의 선단 하부로 이동하게 된다.Since the emitted secondary electrons have a very low kinetic energy of several eV to several tens of eV, the secondary electrons move to the lower end of the carbon nanotubes along the stray electric field formed perpendicular to the surface of the substrate 3.
본 발명에 따른 중성자핵반응을 이용한 나노튜브형 중성자 검출장치는 도 2에서와 같이 입사중성자를 감속하기 위한 감속재(11)가 설치되고, 상기 감속재 내부에 중성자반응층(2)과 탄소나노튜브(4)가 형성된 기판(3)이 설치되고, 탄소나노튜브의 선단에 약간 이격되어 상기 탄소나노튜브에서 방출된 전자신호를 수집하기 위한 신호검출전극(9)이 설치되고, 상기 신호검출전극에 신호처리회로기판(8)이 부가된 것을 특징으로 한다.In the nanotube-type neutron detection apparatus using the neutron nucleus reaction according to the present invention, as shown in FIG. 2, a moderator 11 for decelerating incident neutrons is provided, and a neutron reaction layer 2 and carbon nanotubes 4 are provided inside the moderator. Is provided, the substrate 3 is provided, a signal detection electrode 9 for collecting the electronic signal emitted from the carbon nanotubes slightly spaced at the tip of the carbon nanotubes, and a signal processing circuit in the signal detection electrode It is characterized in that the substrate 8 is added.
속중성자를 열중성자로 변환시키기 위한 상기 중성자감속재(11)는 파라핀, 폴리에틸렌, H2O, ZrH2 등의 수소 함유물질, 흑연(C)으로 이루어진 군중에서 선택된 어느 하나로 형성된다.The neutron reduction material 11 for converting fast neutrons into thermal neutrons is formed of any one selected from the group consisting of hydrogen containing materials such as paraffin, polyethylene, H 2 O, ZrH 2 , and graphite (C).
도 3은 본 발명에 따른 중성자핵반응을 이용한 나노튜브형 중성자 검출장치의 다른 실시예의 단면도를 도시하고 있는데, 도시된 바와 같이, 본 발명의 중성자검출장치는 중성자를 감속하기 위한 감속재(11)가 설치되고, 상기 감속재 내부에 중성자반응층(2)과 탄소나노튜브(4)가 형성된 기판(3)이 설치되고, 탄소나노튜브의 선단에 약간 이격되어 전자를 증폭하기 위한 마이크로챈널 플레이트(12)가 설치되고, 상기 마이크로챈널 플레이트에서 방출된 전자신호를 수집하기 위하여 마이크로챈널 플레이트의 출력단에 약간 이격되어 신호처리 회로기판(8)의 상부면에 형성된 신호검출전극(9)이 설치되고, 또한 상기 신호검출전극에 신호처리회로가 부가되어 구성된 것을 특징으로 한다.Figure 3 shows a cross-sectional view of another embodiment of the nanotube neutron detection apparatus using a neutron reaction according to the present invention, as shown, the neutron detection device of the present invention is provided with a moderator 11 for reducing the neutrons A substrate 3 having a neutron reaction layer 2 and a carbon nanotube 4 is provided inside the moderator, and a microchannel plate 12 for amplifying electrons slightly spaced apart from the tip of the carbon nanotube is installed. And a signal detection electrode 9 formed on an upper surface of the signal processing circuit board 8 slightly spaced from an output end of the micro channel plate to collect the electronic signals emitted from the micro channel plate. A signal processing circuit is added to the electrode.
이와 같이 구성된 본 발명의 중성자 검출장치의 작동원리를 살펴보면, 입사된 중성자는 감속재(11)에 의해 열중성자로 감속되어 중성자반응층(2)과 핵반응을 일으킨 후 하전입자를 방출하고, 방출된 하전입자가 탄소나노튜브를 통과하면서 2차전자를 방출하게 된다.Looking at the operating principle of the neutron detection device of the present invention configured as described above, the incident neutron is decelerated into a thermal neutron by the moderator 11 to cause a nuclear reaction with the neutron reaction layer (2) after the discharge of charged particles, the discharged charge All the particles pass through the carbon nanotubes to emit secondary electrons.
상기 방출된 2차전자는 표류전기장을 따라 가속되어 마이크로챈널 플레이트의 채널로 유입되며 전자증폭이 일어나게 되어 신호검출전극에서는 증폭된 신호를 얻을 수 있게 된다. 마이크로챈널 플레이트의 공급전압 1000V 내외에서 마이크로챈널 플레이트의 증폭도(gain)는 104정도이며, 상기 중성자 검출장치 내부의 진공도는 10-5 torr이하로 하는 것이 좋다. 한편 상기 중성자핵반응을 이용한 나노튜브형 중성자 검출장치는 진공상태에서 동작하며 전자신호를 검출하기 때문에 검출기의 동작속도가 매우 빠르다.The discharged secondary electrons are accelerated along the drift electric field and flow into the channel of the microchannel channel, and an electron amplification occurs to obtain an amplified signal at the signal detection electrode. The gain of the microchannel plate is about 10 4 within the supply voltage of the microchannel plate 1000V and the vacuum degree inside the neutron detection device is preferably 10 −5 torr or less. On the other hand, the nanotube-type neutron detection device using the neutron nucleus reaction operates in a vacuum state and detects an electronic signal, so the operation speed of the detector is very fast.
본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다. The present invention is not limited to the above-described specific preferred embodiments, and various modifications can be made by any person having ordinary skill in the art without departing from the gist of the present invention claimed in the claims. Of course, such changes will fall within the scope of the claims.
상기와 같은 본 발명은 입사된 중성자가 중성자반응층과 탄소나노튜브에 의해 효과적으로 전자로 변환될 수 있도록 하여, 중성자 측정의 정밀도와 속도를 크게 향상시키고, 대면적 검출기 제작이 용이한 장점이 있어 핵발전소, 방사성 물질처리, 가속기, 물성연구, 의료용 진단장비 등에서 유용하게 적용할 수 있는 산업상 이용이 크게 기대되는 발명이다. The present invention as described above allows the incident neutrons to be effectively converted to electrons by the neutron reaction layer and carbon nanotubes, greatly improving the precision and speed of neutron measurement, and has the advantage of easy manufacturing of large area detector It is an invention that is expected to be used in industrial applications that can be usefully applied in power plants, radioactive material processing, accelerators, physical property research, and medical diagnostic equipment.
도 1은 본 발명에 따른 중성자반응층과 탄소나노튜브가 형성된 나노튜브형 중성자 검출장치의 개념도이고,1 is a conceptual diagram of a nanotube type neutron detection apparatus in which a neutron reaction layer and carbon nanotubes are formed according to the present invention;
도 2는 본 발명에 따른 중성자핵반응을 이용한 나노튜브형 중성자 검출장치의 개략 단면도이며,2 is a schematic cross-sectional view of a nanotube type neutron detection apparatus using a neutron reaction according to the present invention,
도 3은 본 발명에 따른 중성자핵반응을 이용한 나노튜브형 중성자 검출장치의 다른 개락 단면도이다.3 is another cross-sectional view of a nanotube-type neutron detection apparatus using a neutron reaction according to the present invention.
<도면의 주요부호에 대한 부호의 설명><Description of symbols for major symbols in the drawings>
(1) : 중성자 (2) : 중성자반응층(1): neutron (2): neutron reaction layer
(3) : 기판 (4) : 탄소나노튜브(3): substrate (4): carbon nanotube
(5) : 이차전자 (6) : 표류전극(5): secondary electron (6): drift electrode
(7a, 7b) : 하전입자 (8) : 신호처리기판(7a, 7b): charged particles (8): signal processing substrate
(9) : 신호검출전극 (10) : 전압인가수단 (9): signal detecting electrode (10): voltage application means
(11) : 감속재 (12) : 마이크로챈널 플레이트(11): moderator (12): microchannel plate
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