CN105445779B - 慢中子转换体及慢中子探测器 - Google Patents

Abstract

本申请涉及慢中子转换体及慢中子探测器，属于慢中子探测领域。一种慢中子转换体包括基体，所述基体包括沿第一方向延伸的多个孔洞和所述多个孔洞之间的绝缘壁，所述多个孔洞为贯穿孔洞。所述慢中子转换体还包括至少覆盖所述多个孔洞的暴露表面的硼层。根据本申请的慢中子转换体及具有该慢中子转换体的慢中子探测器能够保持较高的慢中子探测效率。另外，可以降低探测器制作的复杂程度与制作的成本，从而实现有效、便捷、低成本的慢中子探测目的。

Description

慢中子转换体及慢中子探测器

技术领域

本公开涉及慢中子探测，具体而言，涉及慢中子转换体及具有该慢中子转换结构的慢中子探测器。

背景技术

随着慢中子探测、成像技术在国土安全、材料监测、慢中子散射源测量等多个方向应用逐渐增多，对于慢中子探测器的需求也逐渐增加。然而，广泛使用的³He气体已不能满足持续增长的使用需求，不同类型的新型慢中子探测器被研发出来用于替代³He，包括气体慢中子探测器、闪烁体慢中子探测器、半导体慢中子探测器等。

对一个慢中子探测器而言，慢中子转换体是其中的一个重要结构。慢中子本身不带电荷，除了少数几种慢中子敏感核素如⁶Li、¹⁰B、Gd等，慢中子与其他物质的反应截面都比较小，直观效果就是慢中子难以被直接探测到。慢中子转换体内部富含较多的慢中子敏感核素，能够通过核反应将慢中子转换为带电粒子。探测器可以较为方便地测量到这些带电粒子的能量、位置信息，进而可以得到入射慢中子的相关物理信息。

在气体慢中子探测器设计中，根据使用的基础探测器的不同，可有多种类型的慢中子转换体与慢中子探测器，例如基于圆柱形正比探测器阵列的气体慢中子探测器、基于平板型电离室堆叠的气体慢中子探测器。

在基于圆柱形正比探测器阵列的气体慢中子探测器中，最基本的慢中子探测单元是一个圆柱形的正比探测器，每个单元都有独立的阳极丝和信号收集处理系统，典型代表如“稻草管”慢中子探测器阵列。然而，探测器的慢中子敏感面积与慢中子探测效率大致与圆柱形正比探测器个数的二次方成正比，整个系统内大量阳极丝的安装、维修会有很大的工作量，各个慢中子探测单元探测效率的差异也会影响系统整体的性能。

在基于平板型电离室堆叠的气体慢中子探测器中，最基本的慢中子探测单元是一个平板型电离室，每个电离室有独立的二维信号读出系统，典型代表如Gd-GEM慢中子探测器。然而，单层平板电离室的慢中子探测效率比较低，需要采用多个堆叠、慢中子掠入射等方法提高整体的慢中子探测效率，但这会给整体的信号读出处理带来很大压力，不方便实现大面积慢中子探测。

因此，需要一种新的慢中子转换体及慢中子探测器。

在所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本申请公开一种慢中子转换体及慢中子探测器，能够保持较高的慢中子探测效率。

本公开的其他特性和优点将通过下面的详细描述变得显然，或部分地通过本公开的实践而习得。

根据本公开的一方面，提供一种慢中子转换体，包括：基体，所述基体包括沿第一方向延伸的多个孔洞和所述多个孔洞之间的绝缘壁；硼层，至少覆盖所述多个孔洞的暴露表面。所述多个孔洞为贯穿孔洞。

根据一些实施例，每个孔洞具有圆形或多边形截面。

根据一些实施例，每个孔洞具有正多边形截面。

根据一些实施例，每个孔洞具有正六边形截面且所述多个孔洞均匀排布，从而所述慢中子转换体具有蜂窝状结构。

根据一些实施例，每个孔洞具有0.1mm至20mm范围内的内切圆直径。

根据一些实施例，每个孔洞具有3mm至10mm范围内的内切圆直径。

根据一些实施例，所述基体沿所述第一方向具有1cm至30cm范围内的高度。

根据一些实施例，所述基体沿所述第一方向具有10cm至15cm范围内的高度。

根据一些实施例，所述硼层包括^natB。

根据一些实施例，所述硼层具有0.232-0.694mg/cm²的质量厚度。

根据一些实施例，所述硼层具有0.3-0.4mg/cm²的质量厚度。

根据一些实施例，所述硼层具有0.37mg/cm²的质量厚度。

根据一些实施例，所述基体具有立方体或长方体形状。

根据一些实施例，所述绝缘壁具有1微米至50微米范围内的厚度。

根据一些实施例，所述绝缘壁具有5微米至20微米范围内的厚度。

根据一些实施例，所述绝缘壁包括芳纶纸。

根据本公开的另一方面，提供一种慢中子探测器，包括：如前所述的任一慢中子转换体，其中所述多个孔洞中填充电离工作气体；阴极极板，设置在所述慢中子转换体的一端；电子倍增器，设置在所述慢中子转换体的另一端；阳极极板，与所述电子倍增器相对设置，所述阴极极板和所述阳极极板用于在二者之间形成电场。

根据一些实施例，所述电子倍增器包括气体电子倍增器、微网平面气体探测器。

根据一些实施例，慢中子探测器还包括具有圆柱状结构的场笼，所述场笼围绕所述慢中子转换体。

根据一些实施例，所述场笼包括多个同轴铜圈，所述多个同轴铜圈用于分别加上梯度电压。

根据一些实施例，慢中子探测器还包括设置在所述场笼两侧的保护环。

根据本公开的慢中子转换体及慢中子探测器，能够保持较高的慢中子探测效率。另外，根据本公开的方案，可以降低探测器制作的复杂程度与制作的成本，从而实现有效、便捷、低成本的慢中子探测目的。

附图说明

通过参照附图详细描述其示例实施方式，本公开的上述和其它特征及优点将变得更加明显。

图1示出根据本公开一示例实施方式的慢中子转换体的立体图；

图2示出图1所示的慢中子转换体的剖视图；

图3示出根据本公开的慢中子转换体的慢中子探测效率与硼层质量厚度的关系图；

图4示出根据本公开一示例实施方式的慢中子探测器的结构图；

图5示出根据本公开的慢中子探测器的工作原理图。

具体实施例

现在将参考附图更全面地描述示例实施例。然而，示例实施例能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施例；相反，提供这些实施例使得本公开将全面和完整，并将示例实施例的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。

此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而没有所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、材料、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、方法、装置、实现、材料或者操作以避免模糊本公开的各方面。

本公开提出一种新型探测器，利用硼层结构制作慢中子转换体，其完成慢中子吸收、带电粒子电离和电子漂移等功能，再利用电子倍增器件来实现信号的放大。

图1示出根据本公开一示例实施方式的慢中子转换体的立体图。图2示出图1所示的慢中子转换体的剖视图。应理解，图1-2示意性示出的结构仅是根据本公开的慢中子转换体的一种示例，本公开并不限于此。

如图1-2所示，根据本公开的慢中子转换体100可包括基体120。

基体120可包括沿第一方向贯穿所述基体的多个孔洞124和所述多个孔洞之间的绝缘壁122。

每个孔洞124可具有圆形或多边形截面。根据一些实施例，每个孔洞具有正多边形截面。根据另一些实施例，个孔洞具有正六边形截面且所述多个孔洞均匀排布，从而所述慢中子转换体具有蜂窝状结构，如图1-2所示，但本公开不限于此。孔洞124可用于填充电离工作气体，如后面所详细描述的。

如图2所示，慢中子转换体100还包括至少覆盖所述多个孔洞124的暴露表面的硼层126。根据一些实施例，可通过浸涂或其他合适的方式形成硼层126。

孔洞124可具有光滑的暴露表面，从而使覆盖基体122的硼层具有较好的均匀性和表面粗糙度(例如，小于0.1微米的平整度)。

根据本公开，可使用^natB(自然硼)或¹⁰B(提纯硼)作为慢中子转换材料。

根据一些实施例，基体120具有立方体或长方体形状，但本公开不限于此。

根据一些实施例，绝缘壁122可具有1微米至50微米范围内的厚度。例如，绝缘壁可具有5微米至20微米范围内的厚度。

根据一些实施例，绝缘壁122包括芳纶纸。

图3示出根据本公开的慢中子转换体慢中子探测效率与硼层质量厚度关系的曲线图。

如图3所示，如果使用^natB作为慢中子转换材料，硼层的质量厚度保持在0.232-0.694mg/cm2的范围内时(密度2.35g/cm³时，对应厚度1-3μm)，可以实现较高的慢中子探测效率。

根据一些实施例，硼层具有0.232-0.694mg/cm²的质量厚度。再根据一些实施例，所述硼层具有0.3-0.4mg/cm²的质量厚度。再根据一些实施例，硼层具有0.37mg/cm²的质量厚度。

发明人发现，硼层太薄会导致与慢中子发生反应的概率降低，而硼层太厚会导致反应产生的重带电粒子难以从转换体的涂层内进入蜂窝状孔洞，这均会大大降低整体的慢中子探测效果。

另外，慢中子转换体的孔径要合适。根据一些实施例，孔洞124可具有0.1mm至20mm范围内的内切圆直径。根据另一些实施例，孔洞可具有3mm至10mm范围内的内切圆直径。在本申请中使用时，内切圆指的是可与孔洞的最多边相切的圆。

此外，慢中子转换体的高度也要合适，以兼顾较高的慢中子探测效率与较好的电子导出效果。根据一些实施例，基体120具有1cm至30cm范围内的高度。例如，基体120可具有10cm至15cm范围内的高度。

根据一些实施例，可通过将纳米级硼粉均匀沉积在芳纶纸基材上而制成蜂窝状结构，再经过切割与裁剪可以制成孔径、长度、硼层厚度均满足要求的慢中子转换体。

图4示意性示出根据本公开一示例实施方式的慢中子探测器的结构图。

如图4所示，慢中子探测器500可包括慢中子转换体520。慢中子转换体520可以是如前所述的慢中子转换体。慢中子探测器500还包括设置在所述慢中子转换体一端的阴极极板510、设置在所述慢中子转换体520的另一端的电子倍增器530、以及与所述电子倍增器530相对设置的阳极极板540。所述阴极极板510和所述阳极极板540之间形成电场以驱动电子向电子倍增器一端漂移，如后面将详细描述的。

如前所述，慢中子转换体520可包括基体120和硼层126。基体120的多个孔洞124中填充电离工作气体，以用于产生电子，如后面将详细描述的。可使用电子横向扩散系数小的工作气体，使电子在漂移导出过程中的横向扩散尽量小。根据一些实施例，电离工作气体可以是95％的氩气与5％的二氧化碳的混合气体，但本公开不限于此，也可以气体适宜的工作气体。

根据一些实施例，电子倍增器530可包括气体电子倍增器、微网平面气体探测器等。电子倍增器能够倍增通过电子的数量，保证有效电信号的形成。

根据一些实施例，如图5所示，慢中子探测器500还可包括具有圆柱状结构的场笼550，所述场笼550围绕所述慢中子转换体。场笼550可包括多个同轴铜圈，所述多个同轴铜圈用于分别加上梯度电压。场笼550可起到隔离屏蔽的作用，并可约束内部气体环境的等势面在大部分区域保持平行，即形成近似的匀强电场。

此外，根据一些实施例，慢中子探测器500还可包括保护环(未示出)。保护环可设置在场笼两侧，用于提供两端平面的电位，对匀强电场的实现起辅助作用。

图5示出根据本公开的慢中子探测器的工作原理。下面参照图4和图5描述根据本公开的慢中子探测器500的工作原理。

如图4-5所示，根据本公开的慢中子探测过程可分为三大部分：慢中子吸收到电子形成、电子漂移、电子倍增及信号收集。

慢中子吸收到电子形成阶段的物理过程发生在慢中子转换体内部。入射慢中子501在硼层126中发生¹⁰B(n，α)⁷Li反应，产生重带电粒子α粒子与⁷Li，它们的运动方向相反且是在4π立体角内均匀分布的。因此，每次反应最多只有一个粒子进入蜂窝状孔洞124的气体环境中。当α粒子或⁷Li在孔洞内的气体环境中运动时，会通过电离作用沉积能量，产生电子。这些电子如果被探测器探测到，就能够形成相应的电信号。

在这个环节中，慢中子穿过硼层126时发生¹⁰B(n，α)⁷Li反应的概率与α粒子、⁷Li进入孔洞124的平均概率决定整个探测器可能的慢中子探测效率。如前参照图3所述，当硼层的质量厚度保持在0.232-0.694mg/cm²的范围内时(密度2.35g/cm³时，对应厚度1-3μm)，可以实现较高的慢中子探测效率。

由于重带电粒子的电离效应，电子产生的初始位置分布在整个慢中子转换体的各个蜂窝状孔洞的内部。为使这些电子形成输出的电信号，本公开的方案使电子从孔洞内漂移出来。如前所述，电子在电场驱动下向慢中子转换体的一端漂移，即向电子倍增器530漂移。

电子倍增器530能够倍增通过电子的数量，保证有效电信号的形成。气体电子倍增器(GEM)、微网平面气体探测器(micromegas)等电子倍增器件均能够配合硼层慢中子转换体正常工作。

电子被阳极极板540收集并进一步形成电信号，此处不再赘述。

通过以上的详细描述，本领域的技术人员易于理解，根据本发明实施例的系统和方法具有以下优点中的一个或多个。

利用本公开的新型硼层慢中子转换体，可以制成性能较好的气体慢中子探测器。

在保持较高的慢中子探测效率基础上，降低了探测器制作的复杂程度与制作的成本。

以上具体地示出和描述了本公开的示例性实施例。应该理解，本公开不限于所公开的实施例，相反，本公开意图涵盖包含在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等效布置。

Claims (20)

1.一种慢中子转换体，其特征在于，包括：

基体，包括沿第一方向延伸的多个孔洞和所述多个孔洞之间的绝缘壁；

硼层，至少覆盖所述多个孔洞的暴露表面，

所述多个孔洞为贯穿孔洞；

其中所述绝缘壁包括芳纶纸；以及

慢中子转换体中产生的电子在沿第一方向延伸的电场的驱动下向慢中子转换体的一端漂移。

2.如权利要求1所述的慢中子转换体，其中每个孔洞具有圆形或多边形截面。

3.如权利要求2所述的慢中子转换体，其中每个孔洞具有正多边形截面。

4.如权利要求3所述的慢中子转换体，其中每个孔洞具有正六边形截面且所述多个孔洞均匀排布，从而所述慢中子转换体具有蜂窝状结构。

5.如权利要求1所述的慢中子转换体，其中每个孔洞具有0.1mm至20mm范围内的内切圆直径。

6.如权利要求5所述的慢中子转换体，其中每个孔洞具有3mm至10mm范围内的内切圆直径。

7.如权利要求1所述的慢中子转换体，其中所述基体沿所述第一方向具有1cm至30cm范围内的高度。

8.如权利要求7所述的慢中子转换体，其中所述基体沿所述第一方向具有10cm至15cm范围内的高度。

9.如权利要求1所述的慢中子转换体，其中所述硼层包括^natB。

10.如权利要求9所述的慢中子转换体，其中所述硼层具有0.232-0.694mg/cm²的质量厚度。

11.如权利要求9所述的慢中子转换体，其中所述硼层具有0.3-0.4mg/cm²的质量厚度。

12.如权利要求9所述的慢中子转换体，其中所述硼层具有0.37mg/cm²的质量厚度。

13.如权利要求1所述的慢中子转换体，其中所述基体具有立方体或长方体形状。

14.如权利要求1所述的慢中子转换体，其中所述绝缘壁具有1微米至50微米范围内的厚度。

15.如权利要求1所述的慢中子转换体，其中所述绝缘壁具有5微米至20微米范围内的厚度。

16.一种慢中子探测器，其特征在于，包括：

如权利要求1-15中任一项所述的慢中子转换体，其中所述多个孔洞中填充电离工作气体；

阴极极板，设置在所述慢中子转换体的一端；

电子倍增器，设置在所述慢中子转换体的另一端；

阳极极板，与所述电子倍增器相对设置，所述阴极极板和所述阳极极板用于在二者之间形成电场。

17.如权利要求16所述的慢中子探测器，其中所述电子倍增器包括气体电子倍增器、微网平面气体探测器。

18.如权利要求16所述的慢中子探测器，还包括具有圆柱状结构的场笼，所述场笼围绕所述慢中子转换体。

19.如权利要求18所述的慢中子探测器，其中所述场笼包括多个同轴铜圈，所述多个同轴铜圈用于分别加上梯度电压。

20.如权利要求18所述的慢中子探测器，还包括设置在所述场笼两侧的保护环。