一种高γ抑制比的中子敏感的微通道板及其制作方法技术

本发明专利技术公开了一种高γ抑制比的中子敏感的微通道板及其制作方法，采用

【技术实现步骤摘要】
一种高
γ
抑制比的中子敏感的微通道板及其制作方法


[0001]本专利技术涉及一种微通道板，尤其是涉及一种对中子敏感的微通道板，更具体地讲，对中子具有较高探测效率且对γ有非常低的探测效率，即后者对前者的比例被称之为γ抑制比低到0.1％的微通道板。
技术背景
[0002]作为中性粒子的中子，其具有极强的穿透能力，对轻元素敏感(尤其是氢)、可识别同位素、拥有自旋和磁矩、适用于强放射性样品等优点，使得中子成像具有其它无损检测技术所没有的特点和优势。联合飞行时间方法发展起来的能量分辨中子成像技术能同时实现多参量、多维度、多尺寸信息测量，满足先进材料研发、新能源材料和器件、高端装备制造、关键核心零部件制造、装备和部件服役性能和寿命等高新技术和国家重大需求产业领域的应用需求。因而在工程材料科学、新能源、生命科学、考古、地质、软物质、航空航天、交通、军工、核产业、安检等众多学科研究和工业领域得到广泛应用。中子成像是基于中子束穿过物体时会发生衰减的基本原理，即当中子入射到物质后，与物质中的原子核相互作用(散射或核反应)，导致透射后中子的强度及其分布发生变化，由此提供物质的微观结构信息。
[0003]但由于传统微通道板(简称MCP)材料对中子不敏感，无法直接进行中子成像探测。通过在MCP玻璃中引入中子灵敏核素成分，使MCP对中子敏感，即可将MCP在空间和时间分辨率上的优势成功拓展到中子成像探测应用。
[0004]最早提出中子敏感MCP(简称nMCP)并初步完成实验验证的是G.W.Fraser和J.F.Pearson，他们是在传统MCP玻璃材料中引入6Li2O来实现中子转换并进而实现电子倍增的，即中子与6Li发生核反应产生3H和4He，两者穿过MCP基材进入MCP通道诱发产生二次电子，由此实现电子倍增。其优点是6Li原子序数小，γ灵敏度低，但也因其与中子反应截面相对较小(σT＝939b)、天然6Li丰度低(7.5％)，只有大量引入Li2O才能提高中子的探测效率，或者直接引入6Li2O，前者到一定程度会导致玻璃析晶，后者费用极高，再者，反应产物3H的穿透能力强，径迹长度大，将会导致分辨率变差。鉴于上述原因，高掺杂6Li的nMCP的实用性大打折扣。2007年，H.S.Oswald、A.S.Tremsin等人利用含
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B和含
nat
Gd的氧化物构成玻璃成分制作出nMCP，采用延迟线读出进行了中子成像实验，该nMCP探测器的空间分辨率达到40μm，热中子探测效率达20％。2012年，A.S.Tremsin等人采用双片“V”型叠加的MCP，利用Timepix芯片，通过重心法，实现了在～MHz/cm2计数率下优于15μm空间分辨率的中子成像探测。其中，第一片为美国Nova公司提供的掺
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B的nMCP(8μm孔径)，第二片为日本滨松(Hamamatsu)公司提供的常规铅硅酸眼玻璃的MCP(孔径10μm)，双片MCP增益可达104～105，该nMCP探测器热中子的效率可达50％(模拟计算)，但由于该探测器中nMCP与hMCP来源渠道不同，未进行统筹的配合设计，双片MCP的整体性能未得到完全发挥。
[0005]美国Nova公司生产的nMCP代表了目前中子探测用MCP的国际领先水平。Nova公司现有的nMCP主要产品参数如表1所示。
[0006]表1 Nova公司nMCP产品性能参数
[0007][0008]该公司制造的nMCP主要有三种技术途径：其一是在传统MCP高铅玻璃材料中直接引入
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B2O3和(或)
nat
Gd2O3来实现MCP的中子敏感；其二是采用三层玻璃结构来制作nMCP，即最外层采用引入
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B2O3和(或)
nat
Gd2O3和其它低原子序数元素氧化物的玻璃材料作为nMCP的玻璃材料，中间层采用传统高铅硅酸盐玻璃材料以形成MCP导电层和二次电子发射层，芯层采用酸溶玻璃材料以便于后续酸蚀处理形成微孔通道，这种结构的优势在于将中子敏感与MCP导电和倍增功能分开，其中子敏感玻璃材料中
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B2O3含量为12％～17％(mol)。其三是在低原子序数玻璃通孔阵列的每一个通道内壁，利用原子层沉积技术(Atomic layer deposition，以下简称ALD)将
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B2O3沉积于通孔内壁表面形成中子敏感层，并采用ALD技术在该中子敏感层上制备掺铝的氧化锌(AZO)导电层与Al2O3发射层，从而进一步减少nMCP中的高原子序数材料，以降低nMCP探测器的γ灵敏度(～0.1％)，但由于该种高性能nMCP目前尚处于研发阶段，技术难度大，尚未形成商业产品。
[0009]国内现状是：2013年，北方夜视技术股份有限公司通过在传统高铅微通道板玻璃材料中引入3mol％的
nat
Gd2O3，制备了外径50mm、厚0.6mm、通道孔径为10μm的nMCP，实现了对25.3meV热中子33％的探测效率，探测器的暗计数率为0.11events/cm2/s。2012年，清华大学在传统高铅玻璃微通道板上，开展了通道孔壁的ALD沉积
nat
Gd2O3薄膜沉积的研制工作，采用Monte Carlo方法模拟了斜切角、
nat
Gd2O3膜厚对板厚为0.51mm，孔径为14μm，孔间距为16.25μm的nMCP热中子探测效率的影响，成功制备了～208nm厚的ALD
‑
nat
Gd2O3的中子敏感薄膜层，但未对该nMCP中子成像特性进行实际测试，也未考察其γ灵敏度。长春理工大学、北方夜视和清华大学联合开展的nMCP研究工作对于国内nMCP的研制具有开拓性意义，但受限于中子成像测试条件等的影响，其尚未研制出高分辨、高中子探测效率、低γ灵敏度的nMCP。2015年，中国工程物理研究院也开展了nMCP的Monte Carlo研究，探讨了含
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B2O3玻璃材料与含
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B2O3涂层厚度对nMCP探测效率的影响，模拟结果表明，当MCP板厚为0.4mm，孔径为8μm时，
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B2O3为15mol％的玻璃材料的热中子探测效率可超过40％，镀制1.5μm厚的
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B2O3薄膜的MCP热中子探测效率可达60％。2018年，西北核技术研究所开展了基于微通道板的中子探测器γ灵敏度的研究，建立了探测器的γ灵敏度理论计算模型和方法，通过比对法在
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Co源和
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Cs源上实测探测器的γ灵敏度。
[0010]2015年前后，中国建筑材料科学研究总院曾开展过nMCP玻璃材料的探索性研究工
作，成功实现了B2O3含量为12mol％的中子敏感MCP玻璃材料制备，但是鉴于当时的科研条件，未能进一步测试中子探测性能。
[0011]在MCP玻璃材料引入6Li2O、
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B2O3、
155，1本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高γ抑制比的中子敏感的微通道板，由高硼硅酸盐玻璃骨架构成的微通道阵列以及依次附着在该通道内表面的电阻层和二次电子发射层构成，还包括在其输入、输出面内蒸镀覆盖整过表面并深入一定通道深度的电极，所述的高硅酸盐玻璃骨架包含的组分以及各组分的摩尔百分含量为：。2.根据权利要求1所述的微通道板，其特征是：所述通道之间的最小间隔为1～2μm。3.根据权利要求1或2所述的微通道板，其特征是：所述电阻层的电阻在30～200MΩ。4.根据权利要求1、2或3所述的微通道板，其特征是：所述二次电子发射层的二次电子发射系数在200～300eV时，δ＞2。5.根据权利要求1所述的微通道板，其制作方法包括如下步骤：(1)将权利要求1所述配方的摩尔百分比转化为重量百分比，其SiO2从石英砂引入，
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B2O3从同位素分离后的硼酸引入，Na2O、K2O则分别从以硝酸盐(NaNO3、KNO3)或碳酸盐(Na2CO3、K2CO3)引入，Al2O3则从Al(OH)3引入，添加工业精盐(NaCl)作为澄清剂，根据熔炼玻璃的总重量，考虑上述原材料的纯度和含水量，依次折算出引入的各原材料的重量。称量后，充分混合，分次投放到熔炼炉中的坩埚内，按照测算的工艺，熔炼并浇注成直径在30～40mm、长度在420～500mm的玻璃棒，在退火温度范围内退火，待应力完全消除后，缓慢冷却到室温。(2)将步骤(1)浇注退火后的玻璃棒两端及其侧面实施冷加工，即将其两端用线切割机或者内圆切割机亦或是外圆切割机平行切割掉两个端头，随后再倒角45
°
，再细磨两个端面；将玻璃棒装在玻璃车床上，依次切削成六个侧面，构成六面柱体，并对六个侧面进行抛光处理。六棱柱棱长为轴截面内接正六边形的边长，即为玻璃棒的半径。(3)依据加工好后的正六棱柱实施打孔，孔的大小、排布则依据其轴截面的尺寸以及拉成单丝后期望的尺寸来确定，当然，也考虑是否实施拉复丝来确认，孔的直径一般设定在2～10mm，相邻两孔中心距为3～14mm。(4)将上述打孔后的六棱柱空内壁进行清洗、烘干，然后安装到拉丝机拉制规定尺寸的单丝，如最后制作50μm及其以上的孔径的微通道板，则直接排在熔压模具(六个模块构成的六角模具)内，其单丝长度与该熔压模具的深度尺寸相当；如孔径小于50μm，则考虑拉复丝，其单丝的尺寸、长度与常规微通道板拉复丝的工艺尺寸相当，将上述单丝在六角模具(不同于熔压模具)内排版，用棉绳捆扎后再实施拉丝，其长度与熔压模具的深度尺寸相当，...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘术林，孙志嘉，闫保军，周健荣，衡月昆，张斌婷，韦雯露，闫文静，彭华兴，
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：