用于中子探测的高密度、大面积、高均匀性10B4C薄膜关键技术研究

Demand for neutron detectors is significantly increasing with the construction of Neutron sources and wide application of neutron probe technology. In order to address the shortage of 3He, novel boron-based detectors are urgently needed. To satisfy the need of large-area detectors for China Spallation Neutron Source, this project is focusing on high-density, large-area and high homogeneity 10B4C thin films. Theoretical simulation, special fabrication technology, micro-structure characterization and neutron radiation will be mainly studied to find reliable and efficient material for neutron conversion layer. The research can provide key elements and technique support for Boron-based neutron detectors in China and realize the replacement of 3He, solving the problem of 3He sources which are controlled by other countries for a long time.

随着我国中子源的大量建成和中子探针技术的广泛应用，对中子探测器的需求急剧增加，为解决氦-3（3He）极度短缺的国际难题，急需研制新型硼基中子探测器。本项目针对中国散裂中子源对大面积探测器的需求，拟开展高密度、大面积、高均匀性10B4C薄膜关键技术研究，从理论模拟、特殊工艺探索、微观结构性能测量与表征、中子辐照特性等入手，以高密度和高转换效率为突破口，研制稳定可靠的高性能中子转换层材料，为我国自主研制硼基中子探测提供关键器件和技术支持，尽早实现氦-3替代技术，解决长期受制于人的关键技术难题。

中子探测器是中子光学系统的关键器件，用于中子束流的计数与监控。先进中子源例如中国散裂中子源、中国先进研究堆和中国绵阳研究堆的建设对高效率、大面积的中子探测器件有迫切的需求。目前，常用的3He探测器存在储量短缺、价格昂贵等问题，涂硼中子探测器是替代3He探测器的最优选择。本项目立足国内需求，开展基于10B中子转换层材料技术研究，开发用于中子探测器的高密度、大面积、高均匀性10B4C薄膜，解决10B4C薄膜的设计、制备与检测技术。利用蒙特卡罗模拟程序进行吸收效率的模拟，归纳密度、厚度、10B丰度对中子效率的影响。自主研发大面积磁控溅射沉积装置，专门用于镀硼工艺研究。研究了关键磁控参数包括气压、功率、靶距等对微米级B4C薄膜结构、应力、机械性能的影响。采用掠入射X射线反射、X射线衍射、扫描电子显微镜对薄膜界面、密度、厚度以及结晶特性研究，采用X射线光电子能谱、飞行时间二次离子质谱对薄膜组分进行研究，采用纳米压痕测试进行机械性能研究。论证采用热辅助沉积改善B4C薄膜结构应力优化方案，采用低温冷凝泵降低残余水汽的优化方案。开发在阴极Al与陶瓷GEM基底上沉积工艺，研究基底清洗、打磨工艺与粘附层工艺，提高基底的粘附性与稳定性。中子测试结果显示显示3μm 10B4C薄膜对25meV热中子探测效率为3.26%。满足先进中子源所需的探测器要求。