KR100549693B1 - A neutron-nanotube using carbon nanotubes, and a neutron detector using that - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고효율 특성을 갖는 탄소나노튜브를 이용한 중성자나노튜브와, 이를 이용하여 고감도로 중성자를 검출할 수 있는 중성자 검출장치에 관한 것으로서, The present invention relates to a neutron nanotube using carbon nanotubes having high efficiency characteristics, and a neutron detection device capable of detecting neutrons with high sensitivity using the same.
그 목적은 중성자 검출장치의 실현을 위한 고효율, 고감도의 중성자나노튜브를 제공하는 것과, 이를 이용하여 중성자에 대한 검출감도가 높으면서도 응답시간이 빠른 중성자 검출장치를 제공하는데 있다.The purpose of the present invention is to provide a highly efficient and highly sensitive neutron nanotube for realizing a neutron detection device, and to provide a neutron detection device having a high sensitivity and a fast response time using the same.
본 발명의 구성은 기판의 하면에 성장된 다수의 탄소나노튜브의 바깥면에 중성자와 핵반응하여 전자를 방출하는 중성자전환층이 형성되어서 된 탄소나노튜브를 이용한 중성자나노튜브와, 이를 이용한 중성자 검출장치를 그 기술적 특징으로 한다.The structure of the present invention is a neutron nanotube using a carbon nanotube, a neutron nanotube using a neutron conversion layer is formed on the outer surface of a plurality of carbon nanotubes grown on the lower surface of the substrate to emit electrons by neutron reaction and a neutron detection device using the same Its technical features.
탄소나노튜브, 중성자, 핵반응, 신호처리회로기판, 중성자나노튜브Carbon nanotube, neutron, nuclear reaction, signal processing circuit board, neutron nanotube
Description
도 1은 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 중성자나노튜브의 개념도이고,1 is a conceptual diagram of neutron nanotubes using carbon nanotubes according to the present invention;
도 2a는 본 발명에 따른 중성자 검출장치의 개략 단면도이며,2A is a schematic cross-sectional view of a neutron detection device according to the present invention,
도 2b는 본 발명에 따른 중성자 검출장치의 다른 개략 단면도이고,2b is another schematic cross-sectional view of a neutron detection device according to the present invention;
도 3은 탄소나노튜브의 확대사진이다.3 is an enlarged photograph of carbon nanotubes.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
(1) : 중성자 (2) : 기판(1): neutron (2): substrate
(3) : 표류전극 (4a) : 탄소나노튜브(3): drifting electrode (4a): carbon nanotube
(4b) : 중성자반응층 (4c) : 전자방출층(4b): Neutron Reaction Layer (4c): Electron Emission Layer
(5) : 2차전자 (6) : 마이크로챈널 플레이트(5): secondary electron (6): microchannel plate
(8) : 신호처리회로기판 (7) : 전자수집 전극 (8): signal processing circuit board (7): electron collecting electrode
(9) : 중성자감속재 (10) : 전압인가수단(9): Neutron deceleration material (10): Voltage application means
본 발명은 고효율 특성을 지닌 탄소나노튜브를 이용한 중성자나노튜브와, 이를 이용하여 고감도로 중성자를 검출할 수 있는 중성자 검출장치에 관한 것으로서, 특히 입사된 중성자가 밀집된 다수의 탄소나노튜브를 통과하면서 탄소나노튜브의 외면에 형성된 중성자전환층으로 포획되어 하전입자를 방출하며, 방출된 하전입자가 중성자나노튜브를 통과하면서 2차전자 방출을 유도하고, 방출된 전자신호를 효율적으로 얻을 수 있도록 하여 가속기, 핵융합로, 핵발전소, 산업체 등에서 유용하게 적용할 수 있는 탄소나노튜브를 이용한 중성자나노튜브에 관한 것이며, 또한 이러한 중성자나노튜브를 이용한 고감도의 중성자 검출장치에 관한 것이다.The present invention relates to a neutron nanotube using carbon nanotubes having high efficiency characteristics, and a neutron detection device capable of detecting neutrons with high sensitivity using the same, in particular, while passing through a plurality of carbon nanotubes in which incident neutrons are concentrated It is captured by the neutron conversion layer formed on the outer surface of the nanotubes to emit charged particles, and the emitted charged particles induce secondary electron emission while passing through the neutron nanotubes, so that the emitted electronic signals can be efficiently obtained, The present invention relates to neutron nanotubes using carbon nanotubes that can be usefully applied in fusion furnaces, nuclear power plants, industrial industries, etc., and also to high sensitivity neutron detection devices using such neutron nanotubes.
종래에 있어서, 중성자검출기는 주로 중성자와 검출기 내의 물질이 반응하여 하전입자를 방출하는 핵반응을 이용하며, 그 종류로는 3He , 10B 등을 이용한 비례계수관 혹은 붕소(B) 코팅형 계수관과, 6Li을 이용하는 반도체 및 섬광체 검출기와, 235U, 238U, 239Pu 등의 핵분열물질을 이용한 fission chamber와, 103 Rh, 51V 등의 β-선 방출물질을 이용한 SPND(Self Powered Neutron Detector) 등이 있다. In the related art, the neutron detector mainly uses a nuclear reaction in which neutrons and substances in the detector react to release charged particles, and the types thereof include proportional counters or boron (B) coated counters using 3 He, 10 B, and the like. Semiconductor and scintillation detector using 6 Li, fission chamber using fission materials such as 235 U, 238 U, 239 Pu, and SPND (Self Powered Neutron Detector) using β-ray emitter such as 103 Rh, 51 V There is this.
상기 중성자 검출기 중 고체형태의 핵반응물질을 얇게 코팅한 구조를 지닌 중성자 검출기의 경우 핵반응물질의 두께가 증가할수록 중성자가 포획될 가능성이 커지나 하전입자가 핵반응물질 밖으로 방출될 가능성은 감소하고 또한 방출된 하전입자의 에너지는 감소하게 되어 중성자 검출효율이 떨어지는 원인이 된다. 따라서 상기의 고체형 중성자핵반응물질을 이용한 중성자검출기는 검출효율이 낮아서 고감도의 중성자검출에는 적합하지 않다는 문제점이 있다.Among the neutron detectors, a neutron detector having a thin coating structure of a solid nuclear reactant increases the possibility that neutrons are trapped as the thickness of the nuclear reactant increases, but the likelihood that charged particles are released out of the nuclear reactant decreases. The energy of the whole particles decreases, which causes a decrease in the neutron detection efficiency. Therefore, the neutron detector using the solid neutron reaction material has a problem that the detection efficiency is low and therefore not suitable for high sensitivity neutron detection.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 중성자에 대한 검출감도가 높으면서도 응답시간이 빠른 중성자 검출장치를 제공하는데 있다.An object of the present invention for solving the above problems is to provide a neutron detection device with a high response time while detecting a neutron.
또한 본 발명의 다른 목적은 상기와 같은 중성자 검출장치의 실현을 위한 고효율, 고감도의 중성자나노튜브를 제공하는데 있다.In addition, another object of the present invention to provide a high efficiency, high sensitivity neutron nanotubes for the realization of the neutron detection device as described above.
상기와 본 발명의 목적은 기판의 하면에 성장된 다수의 탄소나노튜브의 바깥면에 중성자와 핵반응하여 전자를 방출하는 중성자전환층이 형성되어서 된 탄소나노튜브를 이용한 중성자나노튜브와, 이를 이용한 중성자 검출장치를 제공함으로써 달성된다.
The object of the present invention and the neutron nanotubes using carbon nanotubes, and neutrons using the same neutron conversion layer is formed on the outer surface of the plurality of carbon nanotubes grown on the lower surface of the substrate to form a neutron conversion layer that emits electrons by neutron reaction By providing a detection device.
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 탄소나노튜브(Carbon Nanotube : CNT)를 이용하여 입사된 중성자 와 핵반응을 일으키고 전자를 방출하는 중성자나노튜브를 구성하며, 이러한 중성자나노튜브를 이용하여 중성자 검출장치를 제공하는 것을 특징으로 하며, 특히, 탄소나노튜브의 외면에 중성자와 핵반응을 하여 전자를 방출하는 중성자전환층을 형성하는 것을 기술적 사상의 핵심으로 한다. The present invention constitutes neutron nanotubes that cause nuclear reactions and emit electrons with incident neutrons using carbon nanotubes (CNTs), and provide a neutron detection device using these neutron nanotubes. In particular, the core of the technical idea is to form a neutron conversion layer that emits electrons by nuclear reaction with neutrons on the outer surface of carbon nanotubes.
최근에 열 화학기상증착법(Thermal Chemical Vapor Deposition), 플라즈마화학기상증착법 (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 등을 사용하여 도 3에서 보는 바와 같이 기판의 하면에 수직으로 성장시킨 고순도의 탄소나노튜브는 각종 장치의 전자방출원(electron emitter), VFD(vacuum fluorescent display), 백색광원, FED(field emission display) 등의 분야에서 다양하게 연구되고 있는데 강철보다 10-100배나 견고하고, 그 길이가 수십 ㎚-수m이며, 외경은 2.5-200㎚로 본 발명에서 입사중성자를 직접 전자로 변환하기 위한 중성자나노튜브로 이용한다.Recently, high-purity carbon nanotubes grown vertically on the lower surface of a substrate using thermal chemical vapor deposition, plasma enhanced chemical vapor deposition, and the like are shown in FIG. 3. Has been studied in various fields such as electron emitter, vacuum fluorescent display (VFD), white light source, field emission display (FED), and it is 10-100 times stronger than steel, and its length is tens of nm-number. m and an outer diameter of 2.5-200 nm, which is used as a neutron nanotube for directly converting incident neutrons into electrons in the present invention.
본 발명에 따른 중성자나노튜브는 탄소나노튜브 주위 바깥면에 중성자를 흡수하여 전자를 방출하는 중성자전환층을 형성한 것을 특징으로 한다. Neutron nanotubes according to the present invention is characterized in that the neutron conversion layer for absorbing neutrons to emit electrons formed on the outer surface around the carbon nanotubes.
도 1a는 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 중성자나노튜브의 개념도를 도시하고 있는데, 도시된 바와 같이 중성자나노튜브는 기판(2)의 하면에 수직으로 성장된 탄소나노튜브(4a)와, 상기 탄소나노튜브의 바깥면에 입사된 중성자와 핵반응을 일으키고 전자를 방출하는 중성자전환층으로 형성되어 있다.FIG. 1A illustrates a conceptual diagram of neutron nanotubes using carbon nanotubes according to the present invention. As shown, neutron nanotubes include
상기 중성자전환층은 안쪽의 중성자반응층(4b)과, 바깥쪽의 전자방출층(4c)으로 구성된다.The neutron converting layer is composed of an inner
즉, 안쪽의 중성자반응층과 바깥쪽의 전자방출층의 두개의 층으로 형성하였다. That is, two layers were formed, an inner neutron reaction layer and an outer electron emission layer.
상기 기판(2)의 상면에는 표류전극(3)이 증착되고, 상기 기판(2)의 하면에는 촉매금속막을 형성하고 상기 탄소나노튜브가 수직으로 증착되도록 하는 것이 바람직하다. A
이러한 탄소나노튜브(4a)는 직경(D)이 약 10-100㎚이고, 그 길이(L)는 입사중성자에 대한 검출효율을 높이기 위하여 약 10-100㎛ 정도인 것이 바람직하다.The
이 탄소나노튜브는 중성자를 전자로 변환하기 위한 중성자나노튜브 물질의 견고한 지지대 역할을 하며, 중성자전환층 물질로는 탄소나노튜브(4a)의 주위에 중성자반응층(4b)이 약 10-100㎚의 두께로 코팅 되어 있고, 그 위에 전자방출층(4c)이 코팅되어 중성자전환층을 형성하고 있는 것이다. This carbon nanotube serves as a rigid support for the neutron nanotube material for converting neutrons into electrons, and the neutron conversion layer material has about 10-100 nm of
이와 같이 탄소나노튜브의 외면에는 중성자반응층과 그 바깥쪽의 전자방출층(electron emissive layer)을 형성하며, 바람직하게는 상기 중성자반응층(4b)은 붕소(B), 붕소화합물, 리튬(Li), 리튬화합물, 질소(N)화합물 중의 어느 하나이거나 입사하는 중성자와 (n, α) 혹은 (n, p) 핵반응을 일으킬 수 있는 물질 중의 어느 하나로 형성된 것이 효과적이며, 상기 전자방출층(4c)은 2차전자의 방출효과가 뛰어난 요오드화 세슘(CsI), 브롬화 세슘(CsBr), 염화 칼륨(KCl), 요오드화 칼륨(KI) 및 산화 마그네슘(MgO) 중의 어느 하나로 형성하는 것이 바람직하다. As such, a neutron reaction layer and an electron emission layer outside thereof are formed on the outer surface of the carbon nanotubes. Preferably, the
한편 상기 중성자반응층(4b)을 형성할 수 있는 다른 물질로는 우라늄(U), 우라늄화합물, 플루토늄, 플루토늄화합물 중의 어느 하나이거나 입사하는 중성자와 핵분열반응을 일으키는 물질 중의 어느 하나일 수 있다.The other material capable of forming the
가속기, 핵발전소, 핵융합로, 기초과학 및 산업체에서 이용되는 0.01 eV∼수백 MeV의 다양한 에너지 영역의 중성자가 감속재를 통과하며 열중성자로 감속된 후, 본 발명에 따른 카본나노튜브를 이용한 중성자나노튜브의 중성자반응층(4b)에 입사되면 주로 (n, α) 혹은 (n, p) 핵반응 또는 핵분열반응을 일으키며 α입자, 양성자(proton), 핵분열생성물 등의 하전입자가 생성된다. After neutrons in various energy ranges from 0.01 eV to several hundred MeV used in accelerators, nuclear power plants, fusion reactors, basic science and industry are decelerated into thermal neutrons through moderators, neutron nanotubes using carbon nanotubes according to the present invention. When incident on the neutron reaction layer (4b) of (n, α) or (n, p) mainly causes a nuclear reaction or fission reactions, and charged particles such as α particles, protons, fission products and the like.
도 1a에서는 중성자반응층을 질소화합물로 형성한 경우의 예이며 입사된 중성자와 (n, p) 핵반응을 일으켜 42 keV의 14C와 585 keV의 양성자(1p)가 생성되어 서로 반대 방향으로 중성자나노튜브 사이를 진행하게 된다. 상기 질소와 중성자의 (n, p) 핵반응식은 아래와 같다. Figure 1a is an example of the case where the neutron reaction layer is formed of a nitrogen compound, and (n, p) nuclear reaction with the incident neutrons are generated, 14 C of 42 keV and protons ( 1 p) of 585 keV are generated, the neutrons in opposite directions It runs between the nanotubes. The (n, p) nuclear reaction of the nitrogen and neutron is as follows.
14N + 1n → 14C + 1p (EC = 42 keV, Ep = 585 keV) 14 N + 1 n → 14 C + 1 p (E C = 42 keV, E p = 585 keV)
상기 중성자반응층은 가늘고 길며 밀집된 구조를 지닌 탄소나노튜브 주위로 코팅이 되어 있어, 입사된 중성자가 다수의 중성자나노튜브를 통과하게 되어 긴 중성자반응경로 제공함으로써 중성자에 대한 검출효율을 높일 수 있다.The neutron reaction layer is coated around a carbon nanotube having a thin, long and dense structure, and thus the incident neutron passes through a plurality of neutron nanotubes, thereby providing a long neutron reaction path, thereby increasing detection efficiency for neutrons.
중성자가 중성자반응층에 포획될 때 생성된 상기 하전입자는 인근 탄소나노튜브의 전자방출층(4c)과 비탄성 충돌을 하며 다수의 2차전자를 생성하고, 상기 2차전자는 다시 전자방출층 내부에서 전리현상을 일으키며 다수의 전자를 생성한다. The charged particles generated when the neutron is trapped in the neutron reaction layer collide with the
상기 전자방출층의 두께는 전자의 비정(range)을 고려하여 바람직하게는 10 ∼ 100㎚ 정도로서 상기 2차전자에 의해 생성돤 전자들 중 일부 전자(5)는 전자방 출층의 표면장벽에너지를 뛰어넘고 탄소나노튜브들 사이의 열린 통로로 방출된다.The thickness of the electron-emitting layer is preferably about 10 to 100 nm in consideration of the range of electrons. Some of the
본 발명의 탄소나노튜브의 기판(2)에는 탄소나노튜브들 사이의 열린 통로에 방출된 전자를 전자수집 전극(7)에서 효율적으로 수집하기 위해 탄소나노튜브의 길이 방향으로 표류전장(drift electric field)이 걸리도록 표류전극(3)과 전압인가수단(10)을 부가시키는 것이 더욱 효과적이다.The
이상에서와 같은 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 중성자나노튜브를 사용하여 고감도의 중성자 검출장치를 구현할 수 있다. By using the neutron nanotubes using the carbon nanotubes according to the present invention as described above it is possible to implement a high sensitivity neutron detection device.
이러한 본 발명에 따른 중성자 검출장치는 도 2a에서와 같이 중성자를 감속하기 위한 감속재(9)와 상기 탄소나노튜브를 이용한 중성자나노튜브와, 상기 중성자나노튜브의 출력단(탄소나노튜브의 선단)에 약간 이격되어 상기 중성자나노튜브에서 방출된 전자신호를 수집하기 위한 전자수집 전극(7)과 표류전극(3), 전압인가수단(10)이 설치되고, 상기 전자수집 전극에 신호처리회로기판(8)이 부가된 것을 특징으로 한다.The neutron detection apparatus according to the present invention has a
도 2b는 본 발명에 따른 중성자나노튜브를 이용한 중성자 검출장치의 다른 실시예의 단면도인데, 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 중성자검출장치는 중성자를 감속하기 위한 감속재(9)와 기판 상부면에 형성된 표류전극(3)과 전압인가수단(10)과, 탄소나노튜브를 이용한 중성자나노튜브(4)와, 상기 중성자나노튜브의 출 력단(탄소나노튜브의 선단)에 약간 이격되어 방출된 전자를 증폭하기 위한 마이크로챈널 플레이트(6)가 설치되고, 상기 마이크로챈널 플레이트에서 방출된 전자신호를 수집하기 위하여 마이크로챈널 플레이트의 출력단에 약간 이격되어 전자수집 전극(7)이 설치되고, 또한 상기 전자수집 전극에 신호처리회로기판(8)이 부가된 것을 특징으로 한다.Figure 2b is a cross-sectional view of another embodiment of the neutron detection apparatus using a neutron nanotube according to the present invention, as shown, the neutron detection apparatus according to the present embodiment is on the
이와 같이 구성된 본 발명의 중성자 검출장치의 작동원리를 보면, 입사된 중성자는 감속재에 의해 열중성자로 감속되어 중성자나노튜브의 중성자반응층(4b)과 핵반응을 일으킨 후 하전입자를 방출하고, 방출된 하전입자가 중성자나노튜브의 전자방출층(4c)을 통과하면서 전자를 방출하게 된다.In 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, and after causing a nuclear reaction with the
이 방출전자(5)는 전기장을 따라 이동하여 직접 전자수집 전극(7)에서 수집할 수 있으며 이 전자신호는 수집전극에 연결된 신호처리회로를 통해서 중성자의 선속(flux)을 검출하게 된다. The
한편 탄소나노튜브를 이용한 중성자나노튜브(4)와 수집전극(7) 사이에 마이크로챈널 플레이트(6)를 두게 되면, 상기 방출전자(5)는 마이크로챈널 플레이트의 채널로 유입되며 전자증폭이 일어나게 되어 수집전극에서는 증폭된 신호를 얻을 수 있게 된다. Meanwhile, when the
마이크로챈널 플레이트의 공급전압 1000V 내외에서 마이크로챈널 플레이트의 증폭도(gain)는 104정도이며, 상기 중성자 검출장치 내부의 진공도는 10-5 torr이하 로 하는 것이 좋다. 한편 상기 중성자나노튜브를 이용한 중성자 검출장치는 진공에서 동작하며 전자신호를 검출하기 때문에 동작속도가 매우 빠르다.Within a supply voltage of 1000 V of the microchannel plate, the gain of the microchannel plate is about 10 4 , and the inside of the neutron detector may have a vacuum of 10 −5 torr or less. On the other hand, the neutron detection apparatus using the neutron nanotubes operates in a vacuum and detects an electronic signal, so the operation speed 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 탄소나노튜브의 외면에 중성자를 포획하고 전자를 방출할 수 있는 중성자전환층을 형성하여 입사된 중성자를 효과적으로 전자로 방출할 수 있도록 하며, 이를 이용하여 중성자 측정을 고속으로 정밀하게 행할 수 있도록 하여, 중성자 검출의 신뢰성을 크게 높일 수 있게 된다는 장점이 있는 유용한 발명으로 가속기, 원자로, 산업체 등에서 그 이용이 크게 기대되는 발명이다.
The present invention as described above forms a neutron conversion layer capable of capturing neutrons and emitting electrons on the outer surface of the carbon nanotubes so as to effectively emit incident neutrons as electrons, by using this to accurately measure neutrons at high speed. It is a useful invention having the advantage that the reliability of neutron detection can be greatly improved by making it possible to do so.
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