新型高位置分辨和高gamma射线甄别能力的热中子探测器研究

A new thermal neutron detector with a high spatial resolution (in microns) and a high neutron-gamma discrimination ability based on the Li-6 or B-10 doped microcapillary array is proposed. Compared with the current widely investigated thermal neutron detector based on the boron and gadolinum co-doped microchannel plate, the proposed one has its advantage: through detecting the tracks of the neutron reaction products instead of the statistical average of tracks, a higher spatial resolution and high neutron-gamma discrimination ability are expected. The detailed studies include that 1) Writing a Monte Carlo simulation program, and then simulating the thermal neutron conversion process, the electron production, transportation and amplification, the optimized parameters of the microstructures, etc.; 2) studing and manufacturing the microcapillary structure based on silicon and glass materials; 3) investigating and optimizing the method to produce the microstructure with high Li-6 and/or B-10 concentrations; 4) using the ALD technique to deposit electron emission materials enriched with Li-6 and B-10 on the inner wall of capillary arraies; 5) designing and manufacturing the micro-structure thermal neutron detector, optimizing its electron transportation efficiency, photon transportation efficiency, and optical coupling; 6) Developing the track reconstruction program and the reaction point of neutron and detector material base don Hugh algorithm and ion transportation theory in matter. With quasi-thermal neutrons from a 252Cf neutron source and a nuclear reactor, the performance of the detector will be characterized and optimized and finally obtain a thermal neutron detector with a spatial resolution of 2 microns and the gamma discrimination ability close to that of helium-3 tube detector.

项目提出了一种新型基于含锂6或硼10微通道结构的高位置分辨（微米量级）且具有高gamma射线甄别能力的热中子探测器。与现有的微通道板热中子探测器的主要不同点是:探测器探测热中子反应产物径迹而不是统计平均，这意味着微米量级的高位置分辨（利用径迹重建技术）和高gamma甄别能力（利用径迹的差异）。具体的研究内容如下：1）编写蒙特卡洛模拟程序，模拟热中子的转换，电子传输和放大，微通道结构参数等对探测器性能的影响，指导探测器设计和实验工作；2）研究并制作基于硅和玻璃的微米孔径的微通道结构；3）研究锂6和硼10在微结构中的最佳扩散工艺；4）采用原子层沉积技术，在孔径内壁沉积含锂6或硼10的电子发射层；5）设计并制作探测器，优化电子传输，光传输和光耦合；6）基于Hugh算法和射程理论编写径迹重建程序和中子反应点识别程序。通过具体的模拟和实验，制作出位置分辨为2微米且具有接近氦3管甄别能力的热中子探测器

冷热中子探测器对于中子的探测一般基于中子与6Li，10B或Gd核素的核反应，但是由于反应产物的径迹长度一般在几十微米左右，这就极大的限制了基于这些反应的探测器的位置分辨。基于此，本团队提出了径迹识别和反应点重建技术可以有效地突破这一限制，原则上可以将位置分辨提高到微米量级。在具体的实际研究过程中，团队首先采用了微通道版结构，通过实验证明这种结构很难实现。因此，团队进而采用了闪烁纤维面板的结构做突破。首先利用锂玻璃闪烁体制作纤维面板，但是研究中发现目前的商用锂玻璃闪烁体均存在热稳定差的问题，在拉丝过程中容易析晶，不适合纤维面板制作的工艺要求。由此，团队分两个方向进行攻关：1）研发新型的适合拉丝并满足纤维板制作工艺的锂玻璃闪烁体；2）研发新型的Gd玻璃闪烁体并基于该玻璃研发了纤维面板结构，进而基于该纤维面板结构制作了高位置分辨冷热中子成像探测器。实验结果表明，该成像探测器的位置分辨可达到14.5微米，冷中子吸收效率由于94%。该研究是团队自主知识产权，所取的性能指标在国内属于领用水平，在国际上也在领先水平行列。虽然瑞士PSI研究所的冷中子成像探测器具有5微米的位置分辨，高于本团队的，但是冷中子吸收效率仅为39.9%，远差于本团队索取得的结果。该探测器的研制成功，不仅可以直接提升我国在冷热中子成像技术领域的水平，而且使我国在该领域不再受制于国外的技术垄断。由此，就可以更好地服务于国防关键部件，如火工品装药量和航空发动机涡轮叶片等缺陷的无损检测，提升军队战斗力。