一种用于中子探测的玻璃光纤、闪烁材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种用于中子探测的玻璃光纤，包括纤芯及包覆于其外层的包层管；所述纤芯采用闪烁材料制作，用作中子探测器的闪烁体；所述包层管采用高纯石英材料制作，用作中子探测器的闪烁体壳体。通过将闪烁材料制备成玻璃光纤，可实现激活剂离子的闪烁发光在纤芯内全反射；该玻璃光纤用作中子、γ射线探测时，可大幅提高热中子探测的位置分辨率，且易于被设计、加工成各式各样的探测器结构。本发明专利技术还提供了用于制备上述玻璃光纤的制备方法。

A glass fiber, scintillator and its preparation method for neutron detection

【技术实现步骤摘要】
一种用于中子探测的玻璃光纤、闪烁材料及其制备方法
本专利技术涉及中子探测
，尤其涉及一种用于中子探测的玻璃光纤、闪烁材料及其制备方法。
技术介绍
闪烁探测器是利用电离辐射在某些物质中产生的闪光来进行探测的，也是目前应用最多、最广泛的电离辐射探测器之一，其核心部件为闪烁体。闪烁体是一种可以把X射线、伽马射线或高能粒子的电离能转化成紫外/可见光的发光材料。早在1903年，威廉·克鲁克斯就专利技术了由硫化锌荧光材料制成的闪烁镜并用其观察镭衰变放出的辐射，卢瑟福在其著名的卢瑟福散射实验中也曾使用硫化锌荧光屏观测α粒子。不过，由于传统荧光材料在使用上很不方便，闪烁探测器一直没有大的进展。1947年，Coltman和Marshall成功利用光电倍增管测量了辐射在闪烁体内产生的微弱荧光光子，这标志着现代闪烁体探测器的发端。由于Ce3+的发射属于5d-4f跃迁，衰减时间较短且其5d-4f间能级差在La系离子中最小，非常有利于能量的传递，稀土离子Ce3+掺杂的含6Li锂硅酸盐闪烁材料非常适于中子探测，因而吸引了大量的科研工作者。目前，用于热中子探测的稀土离子Ce3+掺杂的含6Li锂硅酸盐闪烁玻璃已经被广泛应用于中子飞行时间实验、石油测井、无损检测以及中子照相等领域。现代闪烁探测器主要由闪烁体(及其壳体)和光电倍增管组成，闪烁探测器的结构相对简单，探测效率不高而且其空间分辨率相对较低，且囿于闪烁体形状与尺寸，应用场合与应用领域收到较大限制，因此如何提高闪烁探测器的探测效率和空间分辨率，及其应用场合与应用领域是辐射探测成像技术的研究重点。
技术实现思路
本专利技术针对上述存在的问题，提供一种用于中子探测的玻璃光纤，通过将闪烁材料制备成玻璃光纤，可实现激活剂离子的闪烁发光在纤芯内全反射，用作中子、γ射线探测时，可大幅提高热中子探测的位置分辨率，位置分辨率可达到一百多微米甚至数十微米，而且易于被设计、加工成各式各样的探测器结构，具有更广泛的适用性。本专利技术采用如下技术方案：一种用于中子探测的玻璃光纤，其特征在于：包括纤芯及包覆于其外层的包层管；所述纤芯采用闪烁材料制作，用作中子探测器的闪烁体；所述包层管采用石英玻璃、高硅氧玻璃、铝硅酸盐玻璃中的任意一种材料制作，优选地采用高纯石英材料制作，用作中子探测器的闪烁体壳体。本专利技术中，通过将闪烁材料制成玻璃光纤，纤芯为闪烁材料，包层管由折射率低于纤芯的材料制成，或者再外包一层树脂材料，可实现激活剂离子发光在纤芯内全反射。上述玻璃光纤可被应用于中子飞行时间实验、核材监测、中子辐照场检测等领域。上述玻璃光纤在中子、γ射线探测等应用方面具备以下两个方面的优势：首先，可大幅提高热中子探测器的位置分辨率，位置分辨率可达到一百多微米甚至数十微米；其次，玻璃光纤易于被设计、加工成各式各样的探测器结构，能够有效扩大中子探测器的应用场合与范围，例如，玻璃光纤可应用于Pu肺的检测，光纤面板可增大探测效率与探测精度。上述玻璃光纤的制备方法包括以下步骤：步骤1：采用闪烁材料制成预定尺寸的纤芯细棒；步骤2：根据所述纤芯细棒的尺寸，采用石英玻璃、高硅氧玻璃、铝硅酸盐玻璃中的任一种材料制成包层管，所述包层管内径略大于所述纤芯细棒外径；步骤3：清洗所述纤芯细棒和包层管，清洗后作真空干燥处理；步骤4：将所述纤芯细棒放置在所述包层管中，将所述包层管的一端密封，对所述包层管的内部抽真空，再密封所述包层管的另一端后，得到光纤预制棒；步骤5：对所述光纤预制棒进行拉丝操作，得到所述玻璃光纤。进一步地，所述步骤1中，所述闪烁材料经切割、磨抛操作制成所述纤芯细棒；进一步地，所述步骤2中，所述包层管内径比所述纤芯细棒外径大1mm～2mm；进一步地，所述步骤3中，以丙酮为介质，超声清洗所述纤芯细棒和包层管，清洗后用真空干燥烘箱在110℃～150℃下作真空干燥处理；进一步地，所述步骤4中，待所述纤芯细棒和包层管冷却至常温后，再将所述纤芯细棒放置在所述包层管中；进一步地，所述步骤5中，在所述制作包层管的材料的软化温度下，根据预设拉丝速度、预设所获光纤尺寸，对所述光纤预制棒进行拉丝操作。更进一步地，所述步骤1中，所述磨抛操作包括粗磨、粗抛光和精抛光；更进一步地，所述步骤4中，对所述包层管的内部抽真空1h～3h。为满足用于中子探测的玻璃光纤的制作要求，上述闪烁材料需具有高发光效率、高熔点、高热稳定性、化学稳定性强等特征，且其应当具有相对较低的声子能量、易于拉制成纤维的特点。为此，本专利技术还提供一种用于制作上述玻璃光纤的闪烁材料，其特征在于：所述闪烁材料为Ce3+离子掺杂含6Li锂铝硅酸盐玻璃或Ce3+离子掺杂含6Li锂镁铝硅酸盐玻璃。进一步地，所述闪烁材料为Ce3+离子掺杂含6Li锂铝硅酸盐玻璃，具有如下按重量份计的氧化物成分：13～21份Li2O、15～25份Al2O3、45.5～72份SiO2和0.50～1.25份Ce2O3；或者，所述闪烁材料为Ce3+离子掺杂含6Li锂镁铝硅酸盐玻璃，具有如下按重量份计的氧化物成分：13～21份Li2O、15～25份Al2O3、45.5～72份SiO2、0.50～1.25份Ce2O3和不超过8.5份的MgO。上述闪烁材料的制备方法包括以下步骤：步骤01：取适量6LiH粉末水解，制得6Li2O粉末；至少分别称取适量所述6Li2O粉末以及SiO2、Al2O3和CeO2粉末，或适量所述6Li2O粉末以及SiO2、Al2O3、MgO和CeO2粉末，经高能球磨混合，得到混合氧化物粉末；步骤02：所述混合氧化物粉末经熔融、浇铸、退火操作，得到Ce3+离子掺杂含6Li锂铝硅酸盐玻璃或Ce3+离子掺杂含6Li锂铝镁硅酸盐玻璃，即为所述闪烁材料。进一步地，所述步骤01中，称取适量纯度为90％以上的6LiH粉末，分为多份进行水解反应生成6LiOH；其中，待前份的6LiH粉末与水反应完全并得到澄清透明液体后，再向所述澄清透明液体依次加入后份的6LiH粉末和去离子水，最终得到6LiH粉末与去离子水反应完全的透明6LiOH水溶液；将得到的6LiOH水溶液在120℃～150℃温度下烘干，得到干燥的6LiOH粉末。将得到的6LiOH粉末置于温度500℃～700℃的硅钼棒电阻炉中，恒温保持3h～5h，优选地为2h～4h，得到6LiOH的分解产物6Li2O粉末。进一步地，所述步骤01中，所述高能球磨采用ZrO2陶瓷罐，以无水乙醇、ZrO2小球作为研磨介质，球磨转速为400r/min～600r/min，球磨时间为24h～36h。进一步地，所述步骤02中，熔融温度为1400℃～1650℃，熔融时间2h～4h，且在熔融过程中采用活性碳粉作为还原剂，将原料中的CeO2还原为Ce2O3；浇铸温度为350℃～550℃；退火温度450℃～650℃，退火保温时间为2h～4h，降温时间不小于10h。上述制备方法，用Ce3+作激活剂离子，并掺杂于含6Li锂铝硅酸盐玻璃本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于中子探测的玻璃光纤，其特征在于：/n包括纤芯及包覆于其外层的包层管；所述纤芯采用闪烁材料制作，用作中子探测器的闪烁体；所述包层管采用石英玻璃、高硅氧玻璃、铝硅酸盐玻璃中的任意一种材料制作，用作中子探测器的闪烁体壳体。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于中子探测的玻璃光纤，其特征在于：
包括纤芯及包覆于其外层的包层管；所述纤芯采用闪烁材料制作，用作中子探测器的闪烁体；所述包层管采用石英玻璃、高硅氧玻璃、铝硅酸盐玻璃中的任意一种材料制作，用作中子探测器的闪烁体壳体。


2.一种用于中子探测的玻璃光纤的制备方法，其特征在于：
步骤1：采用闪烁材料制成预定尺寸的纤芯细棒；
步骤2：根据所述纤芯细棒的尺寸，采用石英玻璃、高硅氧玻璃、铝硅酸盐玻璃中的任一种材料制成包层管，所述包层管内径略大于所述纤芯细棒外径；
步骤3：清洗所述纤芯细棒和包层管，清洗后作真空干燥处理；
步骤4：将所述纤芯细棒放置在所述包层管中，将所述包层管的一端密封，对所述包层管的内部抽真空，再密封所述包层管的另一端后，得到光纤预制棒；
步骤5：对所述光纤预制棒进行拉丝操作，得到所述玻璃光纤。


3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：
所述步骤1中，所述闪烁材料经切割、磨抛操作制成所述纤芯细棒；
所述步骤2中，所述包层管内径比所述纤芯细棒外径大1mm～2mm；
所述步骤3中，以丙酮为介质，超声清洗所述纤芯细棒和包层管，清洗后用真空干燥烘箱在110℃～150℃下作真空干燥处理；
所述步骤4中，待所述纤芯细棒和包层管冷却至常温后，再将所述纤芯细棒放置在所述包层管中；
所述步骤5中，在所述制作包层管的材料的软化温度下，根据预设拉丝速度、预设所获光纤尺寸，对所述光纤预制棒进行拉丝操作。


4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：
所述步骤1中，所述磨抛操作包括粗磨、粗抛光和精抛光；
所述步骤4中，对所述包层管的内部抽真空1h～3h。


5.一种用于制备玻璃光纤的闪烁材料，其特征在于：
所述玻璃光纤用于中子探测；
所述闪烁材料为Ce3+离子掺杂含6Li锂铝硅酸盐玻璃或Ce3+离子掺杂含6Li锂镁铝硅酸盐玻璃。


6.根据权利要求5所述的闪烁材料，其特征在于：
所述闪烁材料为Ce3+离子掺杂含6Li锂铝硅酸盐玻璃，具有如下按重量份计的氧化物成分，13～21份Li2O、15～25份Al2O3、45.5～72份S...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈艳平，雷洪波，李强，程浩，唐贤臣，黄斌，罗德礼，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院材料研究所，
类型：发明
国别省市：四川;51