透明锂-6基纳米晶/聚合物复合中子闪烁体的可控制备及性能研究

To enhance the low energy neutron sensitivity of plastic scintillation detectors, a novel 6Li-loaded plastic scintillator for neutron detection has received considerable attention. However, lithium-6 has proven difficult to load into plastic scintillators. 6Li-based nanocrystal/polymer composite scintillators for neutron detection herein will be investigated. The method of the growth of nanocrystals with tunable morphologies and sizes will be established, the technology of the surface modification for nanocrystals will be developed, the mechanism of the nanocrystal/polymer composite will also be studied, and transparent nanocrystal/polymer composite scintillators with high lithium-6 content will be prepared. The mechanism of the influence of the nanocrystal morphology and size and the surfactant on the energy transfer process and scintillation properties will be revealed. This work will provide a solid academic and experimental basis for preparing high-performance 6Li-based nanocrystal/polymer composite scintillators for neutron detection.

为提高塑料闪烁探测器对低能中子的探测灵敏度，中子探测用高性能新型载锂-6塑料闪烁体被广泛关注。但目前该类闪烁体存在锂-6含量较低、透明性差的问题，影响了探测效率。为此，本项目拟开展锂-6基纳米晶/聚合物复合中子闪烁体的研究，通过形貌和尺寸可控的纳米晶生长方法调控，开发纳米晶表面改性修饰技术，研究纳米晶/聚合物复合机理，制备出高含量的透明纳米复合材料。重点探索纳米晶的形貌和尺寸调控以及表面修饰剂对复合闪烁体的闪烁探测性能的影响，阐明能量传递过程和闪烁性能影响的作用机理，为开发具有高性能的锂-6基纳米晶聚合物复合中子闪烁探测器奠定坚实的理论和实验基础。

随着中子探测技术在国家安全、惯性约束核聚变、辐射防护、宇宙射线检测、安全检查及油井勘探等领域的应用，迫切需要开发具有宽能区、高探测效率、高能量分辨率和快响应的新型中子探测器。对于En≤1MeV能区的中子，特别是热中子（0.005~0.5eV），普通塑料或液体闪烁探测器的中子灵敏度会随着中子能量的降低而较快的下降。通常采用加入与中子反应截面较大的核素来提高塑料或液体闪烁探测器对低能中子的探测效率。核素6Li具有与中子核反应无阈值、反应截面随着中子能量的降低而升高、反应能高、产生的次级带电粒子能量大、原子序数低以及致光能力较强等优点，是中子探测用核素的最佳选择。但目前该类闪烁体存在锂-6含量较低、透明性差的问题，影响了探测效率。因此，研制高含量锂-6的透明塑料或液体闪烁体成为当前国内外研究的一个热点。. 本项目开展了锂-6基纳米晶有机无机复合中子闪烁体的研究，开发了形貌和尺寸可控的Li3PO4 和LiF纳米晶生长方法，发展了纳米晶表面改性修饰技术，揭示了纳米晶/聚合物复合机理，制备出了高含量的透明纳米复合材料。重点探索了纳米晶的形貌和尺寸调控以及表面修饰剂对复合闪烁体的闪烁探测性能的影响，阐明了能量传递过程和闪烁性能影响的作用机理。主要成果如下： . 首先，采用油相法，合成了单分散性好、尺寸小的Li3PO4 和LiF纳米晶。通过改变油酸/油胺的配比及浓度的改变，实现了Li3PO4纳米晶形貌的调控。Li3PO4 和LiF纳米晶表面有机物的修饰机制可能是羧基的氧原子以双齿模式与金属锂离子发生了配位。. 其次，将制备的6Li3PO4纳米晶掺入到甲苯/萘/PPO/POPOP液体闪烁体中，制备出了对热中子有良好响应的6Li负载量达2.4wt.%的液体闪烁体。. 最后，通过配体交换法，利用可聚合的表面活性剂磷酸氢二(甲基丙烯酰氧乙基)酯（BMEP）替代Li3PO4纳米晶表面的部分油酸分子，解决了Li3PO4纳米晶在聚合物单体中聚合时容易分相的问题。所制备出的透明复合闪烁体具有在X射线下具有良好的发光性能。这为开发具有高性能的锂-6基纳米晶聚合物复合中子闪烁探测器奠定坚实的理论和实验基础。