一种基于硼转换多级网格气体的中子探测器制造技术

本发明专利技术公开一种可以代替3He管探测器的基于硼转换多级网格气体的中子探测器；采用镀硼的铝片条构成多层方形管道，铝片条上每隔一定的距离开设有卡槽，使得方形管道间的距离即是卡槽间的间距，将镀硼的铝片条上的卡槽插进预先设计好的铝框内，每一个单元方形管道中心均设置有阻性阳极丝，通过电荷分配法获得沿丝方向的位置，单元管所在的位置确定横向位置，单元管所在的层位置给出纵向位置，从而可以精确测量中子具体在哪一个单元被探测，实现中子的三维探测；可替代3He管的中子探测技术，探测效率大于30%；可以通过增加单元方形管道的层数来增加有效硼中子转换层的厚度，从而实现增加探测效率，降低生产成本。

【技术实现步骤摘要】
一种基于硼转换多级网格气体的中子探测器
本专利技术涉及核辐射探测
，尤指一种可以代替3He管探测器的基于硼转换多级网格气体的中子探测器。
技术介绍
中子散射技术是研究物质结构和动力学性质的理想探针，已被广泛应用于凝聚态物理(固体和液体)、化学(特别是高分子化学)、生命科学、医药、材料科学(特别是纳米材料科学)、航空以及国防建设等诸多领域[1]的研究中。与X射线散射技术相比，中子散射技术具有穿透能力极强、轻元素敏感、同位素分辨以及磁结构微观分析等不可替代的优势。我国早在上世纪五十年代就利用重水研究堆开展中子散射研究，九十年代末中国原子能科学研究院开始建造中国先进研究堆(CARR)，主要用来开展中子散射工作，进行凝聚态物质研究，该堆已于2010年开始试运行。作为新一代强流中子源，兆瓦级脉冲式散裂中子源更具优势，不仅能提供高通量脉冲中子束，具有高效率、能谱宽和低本底的特点，而且更为安全可靠。2011年，我国正式开工建造发展中国家第一台散裂中子源(CSNS)，国家投资高达14亿，计划耗时六年半，建成以后将进入世界四大散裂中子源行列，为国内外科学家提供世界一流的中子科学综合实验装置，其中大部分谱仪用于中子散射相关技术应用。中子散射技术主要用于研究凝聚态物质在原子、分子尺度范围的微观结构特性，故常使用慢化后的冷、热中子束，波长范围一般在0.1-10Å，通过探测器测量经样品散射后的中子能量和动量的变化，研究物质在原子、分子尺度上的微观结构和运动规律。中子探测器是中子散射谱仪装置的关键部件之一，在很大程度上决定着谱仪的分辨能力，高分辨谱仪要求探测器具有以下优异性能：探测效率：大于40%定位精度：0.1-1cmTOF时间分辨率：～10μsn/γ抑制比：好于10-7计数率：大于100kHz大面积：-m2量级当前国际形势下，中子探测器的发展与应用面临巨大挑战。对于热中子(波长1.8Å)，一般利用核反应法进行探测，常用的有3He(n,p)T、10B(n,α)7Li和6Li(n,α)T三个核反应，它们与中子的反应截面都比较大，其中3He气体化学稳定、截面大、在高气压下仍具有很好的正比特性，被认为理想的热中子探测材料。目前国际上超过70%以上的中子散射谱仪采用3He气体探测器，主要有两种，一类是采用多根位置灵敏型高气压3He管组成一个面探测器阵列，配合适当的读出电子学可获得-5mm的位置分辨率；另一类是高气压3He多丝正比室，位置分辨率约2mm；这两类探测器都能实现大面积探测，探测效率达50%以上，γ抑制能力高，且均有商业化产品，是一项工艺成熟的技术。然而3He气体是由制造核武器氢弹的原料氚经β衰变(半衰期12.3年)生成，然后通过提纯得到高纯度的3He气体，一直以来只有美国能够大量生产该气体，其产量决定于氚的生产及3He气体的需求，美国于1988年关闭了氚的生产，随着近年来日益急剧增长的3He气体的需求，导致自2008年开始，出现3He气体资源供应严重不足的国际形势，价格也在近5年内上涨超过20倍，而且3He气体被作为战略物质由美国能源部严格控制出口，这一情况的出现使得中子散射谱仪继续使用高气压3He气体探测器搭建大规模探测系统几乎不再可能，研发新型中子探测器已迫在眉睫。经过几十年的发展，我国现在已经形成了三个大型中子科学应用平台：中国散裂中子源、中物院二所研究型反应堆以及中国原子能研究院先进研究堆，然而国内尚不能自主生产大面积的中子探测器，几乎所有已运行和在建谱仪的探测器均依赖国外进口，存在定制周期长、运输风险高、维修与升级成本大等缺点，给中子谱仪的建设和运行带来极大的不便，甚至会造成中子谱仪长时间不能正常运行，已成为长期制约我国中子散射技术发展的重要技术瓶颈之一。近年来，全世界科学家一直在努力寻求替代3He气体的新型中子探测技术，使得该方向目前已成为粒子探测领域的新热点。目前国际上大致有五个研究方向：一、基于6LiF/ZnS(Ag)闪烁体：技术虽然能使热中子探测效率大于30%，位置分辨率约1mm，但是γ抑制能力低，造价高；二、基于涂硼GEM探测器：技术虽然能使热中子探测效率大于30%，位置分辨率约3mm，面积100mm×100mm，但是探测面积小；三、基于内涂硼管探测器：技术虽然能使热中子探测效率约30%，但是探测效率低；四、基于BF3管：技术采用2atmBF3管，每只单管长2m，由32只排列在一起组成阵列，虽然使得探测效率约30%，但是探测效率低；五、网格气体探测器：技术能使有效面积达到192cm×8cm，像素2cm，且探测效率大于40%，容易大面积扩展，位置分辨可提高，整体性能与3He探测器相当。
技术实现思路
针对目前中子探测的技术瓶颈问题，本专利技术旨在提供一种生产安装便捷探测精度高的中子探测器，尤指一种可以代替3He管探测器的基于硼转换多级网格气体的中子探测器。本专利技术采用的技术方案是：一种基于硼转换多级网格气体的中子探测器，所述的中子探测器采用镀硼的铝片条构成多层方形管道，所述的铝片条上每隔一定的距离开设有卡槽，使得方形管道间的距离即是卡槽间的间距，将镀硼的铝片条上的卡槽插进预先设计好的铝框内，形成网格结构，铝框内插入镀硼铝片条的数目即为方形管道层数，每一个单元管道中心均设置有阻性阳极丝，通过电荷分配法获得沿丝方向的位置，单元管所在的位置确定横向位置，单元管所在的层位置给出纵向位置，从而可以精确测量中子具体在哪一个单元被探测，实现中子的三维探测。所述的镀硼采用的是硼的同位素10B。所述的铝片条采用磁控溅射的方法在铝基片上镀厚度为1-3μm的10B薄层。所述的探测器通过增加单元方形管道的层数来增加有效硼中子转换层的厚度。所述的方形管道两端设计有端面，用来固定定位子。所述的阻性阳极丝通过夹丝与焊接的方法固定在定位子的铜管上。所述定位子的铜管外面采用耐高压材料，通过定位子同时实现阻性阳极丝的固定和高压的引出。所述的阻性阳极丝选用直径为25μm的镍铬合金丝。所述的中子探测器背后设置有高压分配盒，高压分配盒中一路正高压输入，经两级滤波电路及保护电阻后，同时为每一路阳极丝提供高压，每一路信号由一个镉直电容直接从阳极丝两端引出，最后经前放以及后续电路通过电荷分配法测量中子击中的位置。所述的探测器实现三个彼此相互独立工作过程，中子转换、气体倍增和信号读出；中子转换：向中子探测器采用一个大气压流气式供气，工作气体采用Ar和CO2混合气体，使探测器工作在正比区，入射中子与10B发生核反应，该核反应有两个反应道，其中93%分支比反应生成激发态7Li，瞬间退激产生1.47MeVα和0.84MeV7Li两种粒子，另7%分支比反应直接到基态产生1.79MeVα和1.0MeV7Li。两种粒子的运动方向相反，与硼原子发生库仑相互作用，并逐步损失能量，使得7Li，α两种粒子能从转换体出射出来，入射中子穿过转换体实现转换。气体倍增：当入射中子被10B俘获后，产生的7Li，α两种方向相反的粒子，其中α粒子直接损失在涂硼铝基材里，7Li粒子进入工作气体，产生大量原初电子-电离对，在单元管内电场的驱动下，电子向阳极丝漂移，并在阳极丝附近气体放大，增益约100倍。信号读出：在阻性阳极丝上产生感应信号，每一路信号由一个镉直电容直接从阻性阳极丝两端引出本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于硼转换多级网格气体的中子探测器，其特征在于：所述的中子探测器采用镀硼的铝片条构成多层方形管道，所述的铝片条上每隔一定的距离开设有卡槽，使得方形管道间的距离即是卡槽间的间距，将镀硼的铝片条上的卡槽插进预先设计好的铝框内，形成网格结构，铝框内插入镀硼铝片条的数目即为方形管道层数，每一个单元管道中心均设置有阻性阳极丝，通过电荷分配法获得沿丝方向的位置，单元管所在的位置确定横向位置，单元管所在的层位置给出纵向位置，从而可以精确测量中子具体在哪一个单元被探测，实现中子的三维探测。

【技术特征摘要】
1.一种基于硼转换多级网格气体的中子探测器，其特征在于：所述的中子探测器采用镀硼的铝片条构成多层方形管道，所述的铝片条上每隔一定的距离开设有卡槽，使得方形管道间的距离即是卡槽间的间距，将镀硼的铝片条上的卡槽插进预先设计好的铝框内，形成网格结构，铝框内插入镀硼铝片条的数目即为方形管道层数，每一个单元管道中心均设置有阻性阳极丝，通过电荷分配法获得沿丝方向的位置，单元管所在的位置确定横向位置，单元管所在的层位置给出纵向位置，从而可以精确测量中子具体在哪一个单元被探测，实现中子的三维探测。2.根据权利要求1所述的一种基于硼转换多级网格气体的中子探测器，其特征在于：所述的镀硼采用的是硼的同位素10B。3.根据权利要求1所述一种基于硼转换多级网格气体的中子探测器，其特征在于：所述的铝片条采用磁控溅射的方法在铝基片上镀厚度为1-3μm的10B薄层。4.根据权利要求1所述的一种基于硼转换多级网格气体的中子探测器，其特征在于：所述的探测器通过增加单元方形管道的层数来增加有效硼中子转换层的厚度。5.根据权利要求1所述的一种基于硼转换多级网格气体的中子探测器，其特征在于：所述的方形管道两端设计有端面，用来固定定位子。6.根据权利要求1所述的一种基于硼转换多级网格气体的中子探测器，其特征在于：所述的阻性阳极丝通过夹丝与焊接的方法固定在定位子的铜管上。7.根据权利要求6所述的一种基于硼转换多级网格气体的中子探测器，其特征在于：所述定位子的铜管外面采用耐高压材料，通过定位子同时实现阻性阳极丝的固定和高压的引出。8.根据权利要求1所述的一种基于硼转换多级网格气体的中子探测器，其特征在于：所述的阻性阳极丝选用直径为25μm的镍铬合金丝。9.根据权利要求1所述的一种基于硼转换多级网...

【专利技术属性】
技术研发人员：周健荣，孙志嘉，陈元柏，周晓娟，修青磊，腾海云，王艳凤，夏远光，
申请(专利权)人：中国科学院高能物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11