中子探测器制造技术

本发明专利技术涉及一种中子探测器，首次允许构造大约1m

Neutron detector

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】中子探测器
本专利技术涉及中子探测器及其用途。
技术介绍
中子探测器用于，例如在辐射防护监视或基础研究中，监视和测定自由中子的流量和光谱。由于中子缺乏电荷，因此仅与物质发生微弱的相互作用，因此必须通过与合适的中子吸收材料发生核反应来检测其存在，在此过程中会产生电荷载流子或带电的放射性核素，可以使用合适的检测器进行检测，例如，装有计数气体的计数管。粒子与中子吸收材料的相互作用用横截面σ来描述，该横截面的单位尺寸为1barn(10-24cm2)。总横截面σtot可以通过每单位时间的相互作用数除以入射粒子通量密度来计算。在相互作用期间产生的次级粒子应在计数气体中具有足够的自由程，以使所述粒子可以到达检测器的敏感区域，并在该处沉积足够大的能量以进行检测。沉积的能量到电离的转换对于检测很重要。常规的中子吸收材料将在下面描述：同位素3He(3He+n→3H+1H+0.764MeV；σ＝5.327barns)，在中子俘获后会产生质子和氚核的物质，被广泛用于比例计数管中。优点是较大的截面和较小的原子序数(Z＝2)，从而确保探测器的低γ灵敏度。缺点之一是气体中反应产物的路径长，这对空间分辨率具有负面影响。包括多个基于3He的分离的中子探测器的中子探测器设置是已知的，例如可见于WO2015/088748A1。转换材料6Li(6Li+n→3H+α+4.78MeV；σ＝940barns)通常用于闪烁体，既可以用作掺杂剂，也可以用作闪烁体晶体的组成部分。但是，它也可以用作气体检测器中的转换膜。主要优点是反应过程中释放大量的能量。可惜的是，横截面相对较小并且处理复杂。包括多个基于6Li的中子探测器元件的中子探测器设置是已知的，例如可见于WO2015/173540A1。所使用的闪烁材料是ZnS(Ag)，与6LiF混合作为中子吸收材料。10B(10B+n→7Li+α+2.792MeV(6％)；σ＝3.842barns)用于充有BF3的气体检测仪，但由于其毒性而难以操作。在固态检测器中，可使用化学惰性的B4C，既可作为掺杂剂，也可作为转换薄膜。横截面可达大于6Li的4倍，释放的能量足以产生可检测的信号。具有多个掺杂有10B的多边形中子探测器元件的中子探测器设置是已知的，例如可见于EP3187902A1。钆(Gd,Gadolinium)具有七个稳定的自然同位素，其中157Gd(自然丰度15.68％)具有所有已知原子(157Gd+n→158Gd*→158Gd+γ+e-+29keV-181keV；σ＝254000barns)的热中子中最大已知捕获截面。同位素155Gd，其相对丰度为14.73％，仍具有61000barns的高捕获截面积(155Gd+n→156Gd*→156Gd+γ+e-(29keV-181keV；σ＝61000barns)。天然的或具有天然同位素分布的钆具有平均捕获横截面49000barns，然而钆经常不被使用，源于其成本过高以及操作困难。已知的使用钆的中子探测器，例如可见于DE199614452A1。现有技术的中子检测器使用外部压力容器，以确保填充有计数气体的检测体积的所需填充压力(几个MPa)。压力容器和相关气密性电导管的存在需要额外的费用。具有外部压力容器的检测器的重量较大，从而中子检测器的制作以及运行中的操作都很困难。另外，迄今尚不可能制造具有高捕获截面并同时具有高空间分辨率的大面积中子探测器(m2级)。本专利技术的目的在于提供一种中子检测器，其具有与基于3He的中子检测器类似的高效率，然而能在没有外部压力容器的情况下运行。此外，所述检测器应当具有较大的检测面积，同时具有较高的空间分辨率。
技术实现思路
所述目的是通过具有权利要求1的特征的中子探测器来实现。根据本专利技术的中子探测器包括至少一个探测器元件，其各自包括两个相互平行的、由第一中子透明材料制成的基板，所述基板各自跨接在由第二中子透明材料制成的自支撑框架上以形成补偿容积，并且在远离所述补偿容积的一侧面上涂覆中子吸收材料，其中涂覆中子吸收材料的所述侧面分别面向带有中子吸收材料的另一基板，以及填充有计数气体的气密的测量空间，其被限定在彼此相对的涂覆的基板之间并且其中设置有平行于所述基板的两个电极线平面，而在各个电极线平面中有电极线平行延伸，并且所述电极线平面由间隔框架彼此隔开。将电压，通常是高压(≥+/-1kV)施加到电极线上。由于施加了高压，因此加速了通过中子吸收材料产生的电荷，从而由于在计数气体中的电荷倍增而发生气体放大，并将产生的电荷雪崩转移到电极线平面。优选地，两个电极线平面的电极线相对于相应的另一个电极线平面的电极线成直角布置以形成电极线栅，从而中子事件的位置可以利用延迟线上信号的飞行时间测量方法确定。基板的第一中子透明材料和自支撑框架的第二中子透明材料可以是具有足够中子透明度的任何可处理材料。基板的第一中子透明材料和/或框架的第二中子透明材料优选地选为铜，或者尤其选为铝。进一步优选地，所述第一和第二中子透明材料是相同的。所述基板的厚度优选为20μm至600μm。所述自支撑框架的厚度优选为2mm至5mm，并且取决于框架的尺寸，框架的宽度优选为1cm至20cm。在本专利技术的语义中，“自支撑”是指框架没有任何附加的支撑。所述自支撑框架优选地各自形成为一件。涂覆的基板优选为矩形，特别是正方形，并且边长优选为20cm至2m，特别是50cm至1.2m。因此，根据本专利技术的检测器构造可以形成制作具有异常大检测面积(m2级)并且同时具有高空间分辨率的中子检测器。中子吸收材料可以包含6Li，10B或Gd，并且优选为10B4C。所述10B4C涂层在基板上的层厚优选为500nm至1.5μm，更优选为1μm至1.2μm。涂层是优选地由溅射的方式施加。由第一中子透明材料制成的基板优选地粘接到由第二中子透明材料制成的自支撑框架上。优选采用环氧树脂粘接剂或丙烯酸树脂粘接剂进行粘接。在测量空间中使用的计数气体优选是氩和CO2(Ar/CO2)或CF4或它们的混合物。测量空间中的计数气体压力优选为100至130kPa。施加到电极线的高压优选为≥1kV，以及优选为1.5kV至3.5kV，并且所述电压指定为绝对值。在两个电极线平面中的电极线各自的间距为1至3mm，优选为大约2mm。两个电极线平面之间的间距优选为1.2至4mm，尤其优选为1.6至3mm。本专利技术另一实施方式提供的中子探测器，包括多个，例如2个或更多个，优选2至18个，尤其优选4至15个，更尤其优选8到12个探测器元件的堆叠布置。所述检测器元件各自优选地布置成使得相应的自支撑框架相互连接以彼此覆盖，其中在连接的自支撑框架的至少一侧，优选两侧，设有气体通道，以形成可变的补偿容积。连接的自支撑框架优选粘性地粘合在一起，其中优选使用丙烯酸树脂粘合剂。或者，在这种堆叠布置中，由第一中子透明材料制成的基板可以跨接在自支撑框架的两侧，其中所述自支撑框架，其两侧跨接有所述基板，形成两个相邻检测器元件的末端，其中气体通道设置在已经连接在一起的自支本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种中子探测器，包括至少一个探测器元件，其各自包括两个相互平行的、由第一中子透明材料制成的基板，所述基板各自跨接在由第二中子透明材料制成的自支撑框架上以形成补偿容积，并且在远离所述补偿容积的一侧面上涂覆中子吸收材料(1、5)，其中涂覆中子吸收材料的所述侧面分别面向带有中子吸收材料(1、5)的另一基板，以及填充有计数气体的气密的测量空间，其被限定在彼此相对的涂覆的基板之间并且其中设置有平行于所述基板的两个电极线平面，而在各个电极线平面(2)中有电极线平行延伸，并且所述电极线平面由间隔框架彼此隔开。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170804 EP 17184906.01.一种中子探测器，包括至少一个探测器元件，其各自包括两个相互平行的、由第一中子透明材料制成的基板，所述基板各自跨接在由第二中子透明材料制成的自支撑框架上以形成补偿容积，并且在远离所述补偿容积的一侧面上涂覆中子吸收材料(1、5)，其中涂覆中子吸收材料的所述侧面分别面向带有中子吸收材料(1、5)的另一基板，以及填充有计数气体的气密的测量空间，其被限定在彼此相对的涂覆的基板之间并且其中设置有平行于所述基板的两个电极线平面，而在各个电极线平面(2)中有电极线平行延伸，并且所述电极线平面由间隔框架彼此隔开。


2.根据权利要求1所述的中子探测器，其中基板的所述第一中子透明材料和所述第二中子透明材料相同，并且为铜或铝。


3.根据权利要求1所述的中子探测器，其中所述两个电极线平面(2)的电极线设置为各自相对于另一电极线平面(2)的取向以90°的角度布置，以形成电极线栅。


4.根据前述权利要求任一项所述的中子探测器，其中在所述两个电极线平面(2)中的电极线分别具有1mm至3mm的间距。


5.根据前述权利要求任一项所述的中子探测器，其中所述两个电极线平面(2)彼此相对的间距为1.2mm至4mm。


6.根据前述权利要求任一项所述的中子检测器，其中所述中子吸收材料(1、5)包括6Li,10B或Gd...

【专利技术属性】
技术研发人员：约格·伯姆斯特，格雷戈·贾塞克·诺瓦克，约恩·普莱卡，克里斯蒂亚·雅科布森，卡斯滕·彼得·格雷格森，沃尔夫冈·普尔斯，安德亚斯·贝尔朵斯基，德克·扬·西默斯，鲁迪格·基恩，斯文·克莱班德，托尔斯滕·波特榭，格尔德·穆西拉克，埃里克·斯特科，约翰·海德，
申请(专利权)人：亥姆霍兹中心盖斯特哈赫特材料及海岸研究中心有限公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE