中子探測(cè)器與中子探測(cè)方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種中子探測(cè)器與中子探測(cè)方法。中子探測(cè)器包括用于提供漂移電場(chǎng)的漂移電極、用于對(duì)入射的中子進(jìn)行轉(zhuǎn)換的涂硼氣體電子倍增器結(jié)構(gòu)、用于對(duì)中子轉(zhuǎn)換后產(chǎn)生的原初電子進(jìn)行氣體放大的氣體電子倍增器結(jié)構(gòu)以及用于讀出放大后的電子信號(hào)的讀出電極；漂移電極、涂硼氣體電子倍增器結(jié)構(gòu)、氣體電子倍增器結(jié)構(gòu)和讀出電極互相平行設(shè)置且順次排列；涂硼氣體電子倍增器結(jié)構(gòu)采用至少一個(gè)級(jí)聯(lián)的第一氣體電子倍增器膜構(gòu)成，且第一氣體電子倍增器膜的至少一面涂有硼層。本發(fā)明的中子探測(cè)器，能夠大大提高中子探測(cè)效率且計(jì)數(shù)率高，時(shí)間分辨率好，可實(shí)現(xiàn)更高量級(jí)的時(shí)間分辨，同時(shí)該中子探測(cè)器兼具氣體探測(cè)器的優(yōu)點(diǎn)γ抑制能力高、成本低和可大面積制作。
【專利說明】中子探測(cè)器與中子探測(cè)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及中子探測(cè)技術(shù)，尤其涉及一種中子探測(cè)器與中子探測(cè)方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著新一代中子科學(xué)裝置性能的提高，對(duì)中子探測(cè)器的提出了新的挑戰(zhàn)。中子束 通量越來越高要求中子探測(cè)器具有高計(jì)數(shù)率，為提高中子利用率同時(shí)縮短測(cè)量時(shí)間要求中 子探測(cè)器具有高探測(cè)器效率，測(cè)量的空間范圍寬要求探測(cè)器靈敏面積大，譜儀分辨率的提 高要求探測(cè)器具有高的位置分辨率（?_)。
[0003] 為了滿足上述需求，現(xiàn)有的中子探測(cè)器目前絕大多數(shù)采用高氣壓3He氣體進(jìn)行中 子探測(cè)，主要分為兩類：一類是采用多根位置靈敏型高氣壓 3He管拼成一個(gè)面探測(cè)器系統(tǒng)， 在合適的電子學(xué)讀出條件下可達(dá)到2?5mm的位置分辨率；另一類是高氣壓3He多絲正比 室，位置分辨率約2mm;這兩類探測(cè)器都能實(shí)現(xiàn)大面積探測(cè)，探測(cè)效率達(dá)50%以上，γ抑制比 高，且均有商業(yè)化產(chǎn)品，是一項(xiàng)工藝成熟的技術(shù)。
[0004] 但是在實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的過程中，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)中至少存在如下缺點(diǎn)：現(xiàn)有的 中子探測(cè)器，絕大多數(shù)采用高氣壓 3He氣體進(jìn)行中子探測(cè)，然而，這種基于3He的探測(cè)技術(shù)本 征計(jì)數(shù)能力有限（例如小于l〇〇kHz)，飛行時(shí)間（Time of Flight ;T0F)時(shí)間分辨率差，已經(jīng) 不能滿足當(dāng)前高通量的中子探測(cè)器發(fā)展的需求。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 在下文中給出關(guān)于本發(fā)明的簡(jiǎn)要概述，以便提供關(guān)于本發(fā)明的某些方面的基本理 解。應(yīng)當(dāng)理解，這個(gè)概述并不是關(guān)于本發(fā)明的窮舉性概述。它并不是意圖確定本發(fā)明的關(guān) 鍵或重要部分，也不是意圖限定本發(fā)明的范圍。其目的僅僅是以簡(jiǎn)化的形式給出某些概念， 以此作為稍后論述的更詳細(xì)描述的前序。
[0006] 本發(fā)明提供一種中子探測(cè)器與中子探測(cè)方法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中采用高氣壓 3He氣體進(jìn)行中子探測(cè)，導(dǎo)致本征計(jì)數(shù)能力有限以及時(shí)間分辨率差的缺陷，能夠滿足當(dāng)前高 通量的中子探測(cè)器發(fā)展的需求。
[0007] 本發(fā)明提供了一種中子探測(cè)器，包括用于提供漂移電場(chǎng)的漂移電極、用于對(duì)入射 的中子進(jìn)行轉(zhuǎn)換的涂硼氣體電子倍增器結(jié)構(gòu)，用于對(duì)所述中子轉(zhuǎn)換后產(chǎn)生的原初電子進(jìn)行 氣體放大的氣體電子倍增器結(jié)構(gòu)以及用于讀出氣體放大后的電子信號(hào)的讀出電極；所述漂 移電極、所述涂硼氣體電子倍增器結(jié)構(gòu)、所述氣體電子倍增器結(jié)構(gòu)和所述讀出電極互相平 行設(shè)置，且順次排列；所述涂硼氣體電子倍增器結(jié)構(gòu)采用至少一個(gè)級(jí)聯(lián)的第一氣體電子倍 增器膜構(gòu)成，且所述第一氣體電子倍增器膜的至少一面涂有硼層；所述氣體電子倍增器結(jié) 構(gòu)包括第二氣體電子倍增器膜。
[0008] 本發(fā)明還提供了一種中子探測(cè)方法，所述中子探測(cè)方法采用如上中子探測(cè)器探測(cè) 中子，所述中子探測(cè)方法包括：
[0009] 涂硼氣體電子倍增器結(jié)構(gòu)對(duì)入射的中子進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到原初電子；
[0010] 漂移電極提供的漂移電場(chǎng)對(duì)所述原初電子進(jìn)行作用，使得所述原初電子向靠近氣 體電子倍增器結(jié)構(gòu)的方向漂移；
[0011] 所述氣體電子倍增器結(jié)構(gòu)對(duì)所述原初電子進(jìn)行氣體放大，得到放大后的電子信 號(hào)；
[0012] 所述放大后的電子信號(hào)在電場(chǎng)的作用下，向靠近讀出電極的方向漂移；
[0013] 所述讀出電極讀出所述放大后的電子信號(hào)。
[0014] 本發(fā)明的中子探測(cè)器與中子探測(cè)方法，通過采用涂硼氣體電子倍增器結(jié)構(gòu)對(duì)入射 的中子進(jìn)行轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)對(duì)中子探測(cè)，其中涂硼氣體電子倍增器結(jié)構(gòu)中的硼層為硼-10,價(jià)格 低、可商業(yè)大量。且硼-10作為常用固體中子轉(zhuǎn)換材料，其轉(zhuǎn)換效率高。且涂硼氣體電子倍 增器結(jié)構(gòu)采用至少一個(gè)級(jí)聯(lián)的第一氣體電子倍增器膜構(gòu)成，能夠大大提高中子探測(cè)效率。 另一方面氣體電子倍增器作為新型的探測(cè)器，計(jì)數(shù)率高，時(shí)間分辨率好，加上硼層，可實(shí)現(xiàn) 更高量級(jí)的時(shí)間分辨，同時(shí)該中子探測(cè)器兼具氣體探測(cè)器的共同優(yōu)點(diǎn)Y抑制能力高、成本 低和可大面積制作。
[0015] 且近年來出現(xiàn)3He氣體資源嚴(yán)重供應(yīng)不足的國(guó)際形勢(shì)，目前價(jià)格為5年前的10倍 以上，且一直在上漲，這一情況的出現(xiàn)使得中子探測(cè)器繼續(xù)使用高氣壓 3He氣體探測(cè)器搭建 大規(guī)模探測(cè)系統(tǒng)幾乎不再可能。近十年來，全世界科學(xué)家一直在努力尋求替代3He氣體的 新型中子探測(cè)技術(shù)，使得該方向目前正成為粒子探測(cè)領(lǐng)域的新熱點(diǎn)。氣體電子倍增器是近 年來蓬勃發(fā)展起來且技術(shù)日趨成熟的新型氣體探測(cè)器，性能十分突出，有很好的位置分辨， 高計(jì)數(shù)率，耐輻射，信號(hào)讀出方式簡(jiǎn)單、靈活，能大面積制作，應(yīng)用范圍廣，能夠滿足當(dāng)前高 通量的中子探測(cè)器發(fā)展的需求。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016] 為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn) 有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本 發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以 根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0017] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例一提供的中子探測(cè)器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018] 圖2為圖1所示實(shí)施例一的中子探測(cè)器的示例圖。
[0019] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例中中子的轉(zhuǎn)換效率與層數(shù)的關(guān)系示意圖。
[0020] 圖4為本發(fā)明實(shí)施例二提供的一種中子探測(cè)器的示例圖。
[0021] 圖5為本發(fā)明實(shí)施例中不同層數(shù)的中子的轉(zhuǎn)換效率與每層厚度的關(guān)系示意圖。
[0022] 圖6為本發(fā)明實(shí)施例三提供的中子探測(cè)器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023] 圖7的本發(fā)明實(shí)施例所示的二維讀出結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024] 圖8為本發(fā)明實(shí)施例四提供的中子探測(cè)方法的流程圖。

【具體實(shí)施方式】
[0025] 為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例 中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是 本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。在本發(fā)明的一個(gè)附圖或一種實(shí)施方式中描述 的元素和特征可以與一個(gè)或更多個(gè)其它附圖或?qū)嵤┓绞街惺境龅脑睾吞卣飨嘟Y(jié)合。應(yīng)當(dāng) 注意，為了清楚的目的，附圖和說明中省略了與本發(fā)明無關(guān)的、本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的 部件和處理的表示和描述?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有付出創(chuàng)造 性勞動(dòng)的前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0026] 傳統(tǒng)的中子散射譜儀絕大多數(shù)采用高氣壓3He氣體探測(cè)器，然而，這種基于 3He的 探測(cè)技術(shù)本征計(jì)數(shù)能力有限（〈100kHz)，T0F時(shí)間分辨率差，已經(jīng)不能滿足當(dāng)前高通量譜儀 發(fā)展的需求；另外，近年來出現(xiàn) 3He氣體資源嚴(yán)重供應(yīng)不足的國(guó)際形勢(shì)，價(jià)格十分昂貴，使 得中子散射譜儀繼續(xù)使用高氣壓3He氣體探測(cè)器搭建大規(guī)模探測(cè)系統(tǒng)幾乎不再可能。近十 年來，全世界科學(xué)家一直在努力尋求替代 3He氣體的新型中子探測(cè)技術(shù)，其至少應(yīng)具有可與 3He探測(cè)技術(shù)可比擬的高探測(cè)效率、高Y抑制能力以及能大面積制作等特點(diǎn)，而且還應(yīng)具有 高計(jì)數(shù)率能力以及更好的T0F時(shí)間分辨。目前技術(shù)人員提出的幾種新方案，要么探測(cè)效率 很難提高，要么探測(cè)效率提高了，Y抑制能力卻很差，而且很難在短期解決這些致命的技術(shù) 難點(diǎn)。
[0027] 為了解決上述技術(shù)缺陷，本發(fā)明實(shí)施例中采用基于涂硼的氣體電子倍增器（Gas Electron Multiplier ;GEM)的中子探測(cè)器，采用價(jià)格低、可商業(yè)大量獲得的硼-10作為中 子轉(zhuǎn)換體，以先進(jìn)的GEM作為粒子探測(cè)器，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)熱中子進(jìn)行探測(cè)。硼-10作為常用 固體中子轉(zhuǎn)換材料，其轉(zhuǎn)換效率高，通過在GEM膜一側(cè)或者兩側(cè)鍍純硼-10制作涂硼GEM電 極，并采用多層級(jí)聯(lián)的結(jié)構(gòu)，大大提高中子探測(cè)效率，另一方面GEM作為新型的探測(cè)器，計(jì) 數(shù)率高OlOMHz)，時(shí)間分辨率好，加上硼層極薄，可實(shí)現(xiàn)100ns量級(jí)的T0F時(shí)間分辨，同時(shí)兼 具氣體探測(cè)器的共性Y抑制能力高、成本低和可大面積制作。
[0028] 實(shí)施例一
[0029] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例一提供的中子探測(cè)器的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，本實(shí)施例 的中子探測(cè)器，包括用于提供漂移電場(chǎng)的漂移電極10、用于對(duì)入射的中子進(jìn)行轉(zhuǎn)換的涂硼 GEM結(jié)構(gòu)11、用于對(duì)中子轉(zhuǎn)換后產(chǎn)生的原初電子進(jìn)行氣體放大的GEM結(jié)構(gòu)12以及用于讀出 氣體放大后的電子信號(hào)的讀出電極13。其中漂移電極10與涂硼GEM結(jié)構(gòu)11之間的電場(chǎng)稱 為漂移電場(chǎng)。而在GEM結(jié)構(gòu)12和讀出電極13之間的電場(chǎng)為普通電場(chǎng)，簡(jiǎn)稱電場(chǎng)即可。
[0030] 如圖1所示，本實(shí)施例中的漂移電極10、涂硼GEM結(jié)構(gòu)11、GEM結(jié)構(gòu)12和讀出電 極13互相平行設(shè)置，且順次排列；涂硼GEM結(jié)構(gòu)11采用至少一個(gè)級(jí)聯(lián)的第一 GEM膜構(gòu)成， 且第一 GEM膜的至少一面涂有硼層。例如硼層中的硼元素可以為硼-10。GEM結(jié)構(gòu)12包括 第二GEM膜。
[0031] 如圖2為圖1所示實(shí)施例一的中子探測(cè)器的示例圖。如圖2所示，以涂硼GEM結(jié) 構(gòu)11采用五個(gè)級(jí)聯(lián)的第一 GEM膜14為例，介紹本實(shí)施例的中子探測(cè)器。本實(shí)施例中的五 個(gè)第一 GEM膜14以兩側(cè)都涂有硼-10的硼層為例。級(jí)聯(lián)的級(jí)數(shù)也可以稱之為涂硼GEM結(jié) 構(gòu)11中第一 GEM膜14的層數(shù)。如圖2所示，GEM結(jié)構(gòu)12中以包括單層的第二GEM膜15為 例。其中第二GEM膜15與第一 GEM膜14相比，第二GEM膜15中的膜兩側(cè)均未涂硼。
[0032] 下面以圖2所示的中子探測(cè)器為例，介紹本實(shí)施例的中子探測(cè)器的使用原理。
[0033] 本實(shí)施例的中子探測(cè)器中的涂硼GEM結(jié)構(gòu)11實(shí)現(xiàn)中子轉(zhuǎn)換的功能，因此涂硼GEM 結(jié)構(gòu)11中的每一個(gè)第一GEM膜14也可以稱之為轉(zhuǎn)換層。，但是中子轉(zhuǎn)換后的原初電子的信 號(hào)太弱，在讀出電極13讀不到信號(hào)，因此本實(shí)施例中的GEM結(jié)構(gòu)12實(shí)現(xiàn)氣體放大的功能， 以對(duì)中子轉(zhuǎn)換后產(chǎn)生的原初電子進(jìn)行氣體放大，得到放大后的電子信號(hào)。讀出電極13實(shí)現(xiàn) 信號(hào)收集的功能，即收集放大后的電子信號(hào)。三個(gè)過程是相互獨(dú)立的。本實(shí)施例的中子探 測(cè)器工作氣體采用常用的Ar和C02混合氣體，一個(gè)大氣壓流氣式供氣，以保證探測(cè)器工作 穩(wěn)定，延長(zhǎng)使用壽命。本實(shí)施例中的第一 GEM膜14上涂有硼層是硼的同位素、是常用 的熱中子敏感轉(zhuǎn)換材料，化學(xué)活性低便于應(yīng)用，含量豐富，且易獲得濃縮硼C°B豐度99%)可 以獲得最大的中子轉(zhuǎn)換效率，是理想的固體中子轉(zhuǎn)換材料，中子與發(fā)生如下核反應(yīng)：
[0034] n+10B^ a+7Li+2. 79MeV 7% Εα =1. 78MeVELi=l. OMeV
[0035] 7Li+a+ y+2. 31MeV 93% Ea=1.47MeV ELi=0. 84MeV
[0036] 該反應(yīng)產(chǎn)生的7Li，a離子與硼原子發(fā)生庫(kù)侖相互作用，并逐步損失能量，二者在 其中的射程均小于3 μ m，因此硼的厚度超過3 μ m對(duì)提高中子轉(zhuǎn)換效率是無意義的。因此優(yōu) 選地，本實(shí)施例中硼層的厚度為0. lum-3um。單層硼的最大轉(zhuǎn)換效率約為5%，為了實(shí)現(xiàn)高的 轉(zhuǎn)換效率，最好的辦法是在漂移電極10以及第一 GEM膜14上、下表面涂一層、薄層（1? 3 μ m)，并采用多層疊層的結(jié)構(gòu)，這樣既能保證7Li、a離子能從轉(zhuǎn)換體出射出來，又能讓入 射中子穿過足夠厚的轉(zhuǎn)換體實(shí)現(xiàn)高的轉(zhuǎn)換效率。
[0037] 具體地，當(dāng)入射中子被某一層硼俘獲后，產(chǎn)生7Li，a離子方向相反，二者其一直接 損失在涂硼基材里，另一個(gè)進(jìn)入工作氣體，產(chǎn)生大量原初電子-電離對(duì)（?1〇 4對(duì)），在漂移 電極10產(chǎn)生的漂移電場(chǎng)（如?3kV/cm)的驅(qū)動(dòng)下，電子經(jīng)過漂移區(qū)，并在每一層第一涂硼 GEM膜13增益等于1的情況下，順利通過各層第一涂硼GEM膜13,使得原初電子攜帶的中 子擊中信息不失真的通過所有轉(zhuǎn)換層，產(chǎn)生的原初電子經(jīng)最下一層的第二GEM膜15進(jìn)行氣 體放大（例如增益約50)，最后通過讀出電極13讀出。這樣，后續(xù)可以從讀出的信號(hào)中獲取 中子擊中信息如中子的擊中位置和擊中時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)中子的探測(cè)。
[0038] 進(jìn)一步可選地，本實(shí)施例中，為了提高中子轉(zhuǎn)換率，還可以在漂移電極10的靠近 涂硼GEM結(jié)構(gòu)11 一側(cè)的表面涂硼層。
[0039] 本實(shí)施例的中子探測(cè)器，通過采用涂硼GEM結(jié)構(gòu)對(duì)入射的中子進(jìn)行轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)對(duì) 中子探測(cè)，其中涂硼GEM結(jié)構(gòu)中的硼層為硼-10,價(jià)格低、可商業(yè)大量。且硼-10作為常用固 體中子轉(zhuǎn)換材料，其轉(zhuǎn)換效率高。且涂硼GEM結(jié)構(gòu)采用至少一個(gè)級(jí)聯(lián)的第一 GEM膜構(gòu)成，能 夠大大提高中子探測(cè)效率。另一方面GEM作為新型的探測(cè)器，計(jì)數(shù)率高，時(shí)間分辨率好，力口 上硼層，可實(shí)現(xiàn)更高量級(jí)的時(shí)間分辨，同時(shí)該中子探測(cè)器兼具氣體探測(cè)器的共共同優(yōu)點(diǎn)Y 抑制能力高、成本低和可大面積制作。
[0040] 且本實(shí)施例中采用的GEM膜是近年來蓬勃發(fā)展起來且技術(shù)日趨成熟的新型氣體 探測(cè)器，性能十分突出，有很好的位置分辨，高計(jì)數(shù)率，耐輻射，信號(hào)讀出方式簡(jiǎn)單、靈活，能 大面積制作，應(yīng)用范圍廣，能夠滿足當(dāng)前高通量的中子探測(cè)器發(fā)展的需求。
[0041] 實(shí)施例二
[0042] 首先，需要說明的是，探測(cè)效率是中子探測(cè)器最重要的性能指標(biāo)。對(duì)于上述本發(fā)明 實(shí)施例中基于GEM的中子探測(cè)器而言，中子被硼俘獲后產(chǎn)生 7Li，a離子，能量高（?IMeV)， 探測(cè)效率基本是1〇〇%，因此，中子探測(cè)效率可以近似認(rèn)為就是硼對(duì)中子的轉(zhuǎn)換效率。由于庫(kù) 倫相互作用，單層純、對(duì)熱中子的轉(zhuǎn)換效率最大約為5%。如圖3所示的為本發(fā)明實(shí)施例 中中子的轉(zhuǎn)換效率與層數(shù)的關(guān)系示意圖。如圖3所示，中子束穿過轉(zhuǎn)換層（即第一涂硼GEM 膜14)強(qiáng)度隨厚度增加呈指數(shù)衰減，因此總的轉(zhuǎn)換效率并不是隨著層數(shù)(即第一涂硼GEM膜 14的層數(shù)）的增加而線性增加，當(dāng)達(dá)到一定層數(shù)后，轉(zhuǎn)換效率趨于飽和，再增加層數(shù)對(duì)提高 轉(zhuǎn)換效率并不明顯，反而使得制作成本迅速增加，同時(shí)使得探測(cè)器漂移區(qū)數(shù)目增加，探測(cè)器 厚度變厚，在維持一定的漂移電場(chǎng)的情況下，需要提供很高的高壓，如采用10層雙面涂硼 的第一 GEM膜14作為轉(zhuǎn)換層，每層間隔2mm，漂移電場(chǎng)3kV/cm，高壓將高達(dá)6kV以上，在不 減少涂硼的第一 GEM膜14的層數(shù)降低轉(zhuǎn)換效率的前提下，采用在讀出電極13兩側(cè)對(duì)稱安 裝涂硼GEM結(jié)構(gòu)11，，讀出電極13從中間讀出兩側(cè)的信號(hào)，這樣可以將高壓降低一半，因此 圖4為本發(fā)明實(shí)施例三提供的一種中子探測(cè)器的示例圖。如圖4所示，本實(shí)施例的中子探 測(cè)器以上述圖4所示的中子探測(cè)器為基礎(chǔ)，在讀出電極13另一側(cè)對(duì)稱安裝五個(gè)雙面涂硼的 第一 GEM膜14,以及一個(gè)第二GEM膜15,即圖4即為上下對(duì)稱結(jié)構(gòu)，可以降低工作高壓。
[0043] 具體地，本實(shí)施例的中子探測(cè)器實(shí)現(xiàn)中子探測(cè)的原理同上述實(shí)施例相同，詳細(xì)可 以參考上述實(shí)施例的記載，在此不再贅述。
[0044] 另外，對(duì)于不同數(shù)目的轉(zhuǎn)換層，均存在一個(gè)最佳涂層厚度，使得轉(zhuǎn)換效率最大，如 轉(zhuǎn)換體采用20層結(jié)構(gòu)，則每一層的最佳厚度約為1. 2 μ m，轉(zhuǎn)換效率約為46%。具體使用多 少層，以及每一層第一GEM膜14的硼的厚度，取決于中子探測(cè)器的物理應(yīng)用目標(biāo)，可根據(jù)需 要的探測(cè)效率來定制。例如圖5為本發(fā)明實(shí)施例中不同層數(shù)的中子的轉(zhuǎn)換效率與每層厚度 的關(guān)系不意圖。
[0045] 實(shí)施例三
[0046] 圖6為本發(fā)明實(shí)施例三提供的中子探測(cè)器的結(jié)構(gòu)示意圖。在上述實(shí)施例一或者二 的基礎(chǔ)上，本實(shí)施例的中子探測(cè)器還可以包括用于對(duì)讀出電極讀出的放大后的電子信號(hào)進(jìn) 行處理，并計(jì)算得到的中子的擊中位置和擊中時(shí)間的數(shù)據(jù)處理設(shè)備16。該數(shù)據(jù)處理設(shè)備16 是與讀出電極13連接。如圖2所示，以在上述圖1所示實(shí)施例的基礎(chǔ)上，增加數(shù)據(jù)處理設(shè) 備16為例介紹本發(fā)明的技術(shù)方案。其中該數(shù)據(jù)處理設(shè)備16也可以采用現(xiàn)有相關(guān)硬件來集 成實(shí)現(xiàn)其功能。具體地，本實(shí)施例的中子探測(cè)器實(shí)現(xiàn)中子探測(cè)的原理同上述實(shí)施例相同，詳 細(xì)可以參考上述實(shí)施例的記載，在此不再贅述。
[0047] 中子通過本發(fā)明實(shí)施例的基于涂硼GEM的中子探測(cè)器探測(cè)形成可觀測(cè)的電信號(hào)， 因此信號(hào)引出與讀出電子學(xué)也是探測(cè)器系統(tǒng)的重要組成部分之一。現(xiàn)在常用的方法是采用 二維條讀出條上感應(yīng)電荷，通過計(jì)算電荷的重心得到電離點(diǎn)的位置；或者是采用二維讀出 條信號(hào)符合來確定電離點(diǎn)的位置。二者共同的特點(diǎn)是均采用二維條讀出結(jié)構(gòu)，電子學(xué)路數(shù) 在可實(shí)現(xiàn)范圍內(nèi)，由于讀出方法的不同，前者定位精度更為準(zhǔn)確些，但是讀出速度不如后者 快，后者計(jì)數(shù)率更高，因此選擇二維條信號(hào)符合的方法確定中子擊中位置和擊中時(shí)間。由于 探測(cè)器結(jié)構(gòu)為讀出電路板兩側(cè)對(duì)稱安裝探測(cè)單元，需要在讀出電路板兩側(cè)都要設(shè)計(jì)對(duì)稱的 二維讀出條結(jié)構(gòu)，因此，二維讀出條的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、上下兩側(cè)讀出條的信號(hào)引出以及與前放的 連接方式，就成為讀出電路板設(shè)計(jì)需要解決的關(guān)鍵性問題。
[0048] 需要說明的是，上述實(shí)施例的中子探測(cè)器測(cè)量對(duì)象為中子，為了減少?gòu)椥陨⑸湓?成的次級(jí)粒子效應(yīng)，以及減少中子對(duì)中子探測(cè)器氣室材料的活化，因此，中子探測(cè)器氣室可 以采用與中子作用截面小而具有較強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度的鋁，同時(shí)有利于中子探測(cè)器氣室氣密性， 有利于中子探測(cè)器穩(wěn)定工作。中子入射窗厚度為〇. 1_，以減少入射中子的損失。高壓接頭 采用進(jìn)口的氣密高壓轉(zhuǎn)接頭，室體密封采用0型圈進(jìn)行密封。
[0049] 另外，需要說明的是，本發(fā)明實(shí)施例中的第一 GEM13膜可以從CERN獲得商業(yè)的標(biāo) 準(zhǔn)GEM膜（60 μ m厚度，70 μ m孔徑，140 μ m孔心間距），或者采用厚GEM膜（200 μ m厚度， 200 μ m孔徑，500 μ m孔心間距）。然后采用磁控濺射的方法在GEM膜一側(cè)或者兩側(cè)鍍硼，鍍 硼厚度〇. 1 μ m?3 μ m間，具體取決于探測(cè)器物理設(shè)計(jì)目標(biāo)。
[0050] 為了保證GEM膜之間間距的精度，所有支撐框由印刷電路板（Print Circuit Board ;PCB)工廠采用高精度數(shù)字機(jī)床加工，平整度小于0. 1mm，加工精度好于0. 1mm，以保 證各層膜的安裝與定位精度。
[0051] 其中二維讀出條電路板設(shè)計(jì)與快速電子學(xué)的設(shè)計(jì)是讀出電子學(xué)研制中的關(guān)鍵問 題。探測(cè)器結(jié)構(gòu)為讀出電路板兩側(cè)對(duì)稱安裝探測(cè)單元，因此需要在讀出電路板兩側(cè)都要設(shè) 計(jì)對(duì)稱的二維讀出條結(jié)構(gòu)，X與Y方向路數(shù)相同，為說明問題，以下以各方向128路，探測(cè)器 有效面積200mmX 200mm為例（共256路），采用二維讀出條信號(hào)符合的方法進(jìn)行定位，即X 與Y方向信號(hào)符合確定中子擊中的二維坐標(biāo)，可以實(shí)現(xiàn)每個(gè)象素1. 56mmX 1. 56mm的讀出。 為了實(shí)現(xiàn)X與Y兩個(gè)方向讀出條的一致性，采用圖7的本發(fā)明實(shí)施例所示的二維讀出結(jié)構(gòu) 示意圖。圖7為局部圖，實(shí)際應(yīng)用中，每一維讀出條均由128路三角形Pad經(jīng)PCB層間走線 連通，該印刷電路板為柔性電路板，以減少電路板本身對(duì)入射中子的散射影響；另一側(cè)完全 對(duì)稱設(shè)計(jì)，且對(duì)稱位置上的讀出條直接連在一起，然后與相應(yīng)一路前放相連，從而成功實(shí)現(xiàn) 二維條信號(hào)的讀出。
[0052] 實(shí)施例四
[0053] 圖8為本發(fā)明實(shí)施例五提供的中子探測(cè)方法的流程圖。首先，本實(shí)施例的中子探 測(cè)方法是在上述實(shí)施例一至三任一所述的中子探測(cè)器的基礎(chǔ)上探測(cè)中子的探測(cè)方法。如圖 8所示，本實(shí)施例的中子探測(cè)方法，具體可以包括如下步驟：
[0054] 100、涂硼GEM結(jié)構(gòu)對(duì)入射的中子進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到原初電子信號(hào)；
[0055] 其中涂硼GEM結(jié)構(gòu)包括至少一個(gè)級(jí)聯(lián)的第一 GEM膜。
[0056] 例如涂硼G Μ結(jié)構(gòu)對(duì)入射的中子進(jìn)行轉(zhuǎn)換后，先產(chǎn)生次級(jí)帶電粒子，該次級(jí)帶電 粒子在工作氣體內(nèi)產(chǎn)生原初電子。
[0057] 101、漂移電極提供的漂移電場(chǎng)對(duì)原初電子進(jìn)行作用，使得原初電子向靠近GEM結(jié) 構(gòu)的方向漂移；
[0058] 其中GEM結(jié)構(gòu)包括第二GEM膜，例如可以僅包括單層的第二GRM膜。第二GEM膜 與第一 GEM膜的區(qū)別僅在于膜的兩側(cè)均未涂硼。
[0059] 102、GEM結(jié)構(gòu)對(duì)原初電子進(jìn)行氣體放大，得到放大后的電子信號(hào)；
[0060] 103、放大后的電子信號(hào)在電場(chǎng)的作用下，向靠近讀出電極的方向漂移；
[0061] 104、讀出電極讀出放大后的電子信號(hào)。
[0062] 具體地，當(dāng)放大后的電子信號(hào)向讀出電極漂移時(shí)，在讀出電極產(chǎn)生電信號(hào)，最后由 讀出電路讀出產(chǎn)生的電信號(hào)。
[0063] 本實(shí)施例的中子探測(cè)方法實(shí)現(xiàn)中子的探測(cè)，與上述相關(guān)實(shí)施例中中子探測(cè)器實(shí)現(xiàn) 探測(cè)的原理相同，詳細(xì)可以參考上述相關(guān)實(shí)施例的記載，在此不再贅述。
[0064] 本實(shí)施例的中子探測(cè)方法，通過采用涂硼GEM結(jié)構(gòu)對(duì)入射的中子進(jìn)行轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn) 對(duì)中子探測(cè)，其中涂硼GEM結(jié)構(gòu)中的硼層為硼-10,價(jià)格低、可商業(yè)大量。且硼-10作為常 用固體中子轉(zhuǎn)換材料，其轉(zhuǎn)換效率高。且涂硼GEM結(jié)構(gòu)采用至少一個(gè)級(jí)聯(lián)的第一 GEM膜構(gòu) 成，能夠大大提高中子探測(cè)效率。另一方面GEM作為新型的探測(cè)器，計(jì)數(shù)率高，時(shí)間分辨率 好，加上硼層，可實(shí)現(xiàn)更高量級(jí)的時(shí)間分辨，同時(shí)該中子探測(cè)器兼具的共性Y抑制能力高、 成本低和可大面積制作。
[0065] 且本實(shí)施例中采用的GEM膜是近年來蓬勃發(fā)展起來且技術(shù)日趨成熟的新型氣體 探測(cè)器，性能十分突出，有很好的位置分辨，高計(jì)數(shù)率，耐輻射，信號(hào)讀出方式簡(jiǎn)單、靈活，能 大面積制作，應(yīng)用范圍廣，能夠滿足當(dāng)前高通量的中子探測(cè)器發(fā)展的需求。
[0066] 可選地，在上述實(shí)施例中的步驟104 "讀出電極讀出放大后的原初電子"之后，還 可以包括：數(shù)據(jù)處理設(shè)備對(duì)原初電子信號(hào)進(jìn)行處理，并計(jì)算得到的中子的擊中位置和擊中 時(shí)間。
[0067] 上述實(shí)施例的中子探測(cè)方法實(shí)現(xiàn)中子的探測(cè)，與上述相關(guān)實(shí)施例中中子探測(cè)器實(shí) 現(xiàn)探測(cè)的原理相同，詳細(xì)可以參考上述相關(guān)實(shí)施例的記載，在此不再贅述。
[0068] 上述實(shí)施例的中子探測(cè)方法，能夠有效地提高中子的探測(cè)效率，且性能十分突出， 有很好的位置分辨，高計(jì)數(shù)率，耐輻射，信號(hào)讀出方式簡(jiǎn)單、靈活，能大面積制作，應(yīng)用范圍 廣，能夠滿足當(dāng)前高通量的中子探測(cè)器發(fā)展的需求。
[0069] 在本發(fā)明上述各實(shí)施例中，實(shí)施例的序號(hào)僅僅便于描述，不代表實(shí)施例的優(yōu)劣。對(duì) 各個(gè)實(shí)施例的描述都各有側(cè)重，某個(gè)實(shí)施例中沒有詳述的部分，可以參見其他實(shí)施例的相 關(guān)描述。
[0070] 本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解：實(shí)現(xiàn)上述方法實(shí)施例的全部或部分步驟可以通 過程序指令相關(guān)的硬件來完成，前述的程序可以存儲(chǔ)于一計(jì)算機(jī)可讀取存儲(chǔ)介質(zhì)中，該 程序在執(zhí)行時(shí)，執(zhí)行包括上述方法實(shí)施例的步驟；而前述的存儲(chǔ)介質(zhì)包括：只讀存儲(chǔ)器 (Read-Only Memory，簡(jiǎn)稱 ROM)、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（Random Access Memory，簡(jiǎn)稱 RAM)、磁碟 或者光盤等各種可以存儲(chǔ)程序代碼的介質(zhì)。
[0071] 在本發(fā)明的裝置和方法等實(shí)施例中，顯然，各部件或各步驟是可以分解、組合和/ 或分解后重新組合的。這些分解和/或重新組合應(yīng)視為本發(fā)明的等效方案。同時(shí)，在上面 對(duì)本發(fā)明具體實(shí)施例的描述中，針對(duì)一種實(shí)施方式描述和/或示出的特征可以以相同或類 似的方式在一個(gè)或更多個(gè)其它實(shí)施方式中使用，與其它實(shí)施方式中的特征相組合，或替代 其它實(shí)施方式中的特征。
[0072] 應(yīng)該強(qiáng)調(diào)，術(shù)語(yǔ)"包括/包含"在本文使用時(shí)指特征、要素、步驟或組件的存在，但 并不排除一個(gè)或更多個(gè)其它特征、要素、步驟或組件的存在或附加。
[〇〇73] 最后應(yīng)說明的是：雖然以上已經(jīng)詳細(xì)說明了本發(fā)明及其優(yōu)點(diǎn)，但是應(yīng)當(dāng)理解在不 超出由所附的權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下可以進(jìn)行各種改變、替代和 變換。而且，本發(fā)明的范圍不僅限于說明書所描述的過程、設(shè)備、手段、方法和步驟的具體實(shí) 施例。本領(lǐng)域內(nèi)的普通技術(shù)人員從本發(fā)明的公開內(nèi)容將容易理解，根據(jù)本發(fā)明可以使用執(zhí) 行與在此所述的相應(yīng)實(shí)施例基本相同的功能或者獲得與其基本相同的結(jié)果的、現(xiàn)有和將來 要被開發(fā)的過程、設(shè)備、手段、方法或者步驟。因此，所附的權(quán)利要求旨在在它們的范圍內(nèi)包 括這樣的過程、設(shè)備、手段、方法或者步驟。
【權(quán)利要求】
1. 一種中子探測(cè)器，其特征在于，包括： 用于提供漂移電場(chǎng)的漂移電極、用于對(duì)入射的中子進(jìn)行轉(zhuǎn)換的涂硼氣體電子倍增器結(jié) 構(gòu)、用于對(duì)所述中子轉(zhuǎn)換后產(chǎn)生的原初電子進(jìn)行氣體放大的氣體電子倍增器結(jié)構(gòu)以及用于 讀出放大后的電子信號(hào)的讀出電極； 所述漂移電極、所述涂硼氣體電子倍增器結(jié)構(gòu)、所述氣體電子倍增器結(jié)構(gòu)和所述讀出 電極互相平行設(shè)置，且順次排列； 所述涂硼氣體電子倍增器結(jié)構(gòu)采用至少一個(gè)級(jí)聯(lián)的第一氣體電子倍增器膜構(gòu)成，且所 述第一氣體電子倍增器膜的至少一面涂有硼層；所述氣體電子倍增器結(jié)構(gòu)包括第二氣體電 子倍增器膜。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的中子探測(cè)器，其特征在于，所述硼層的厚度為0. lum-3um，和 /或，所述硼層中的硼元素為硼-10。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的中子探測(cè)器，其特征在于，所述中子探測(cè)器包括兩個(gè)所述漂 移電極和兩個(gè)所述涂硼氣體電子倍增器結(jié)構(gòu)；兩個(gè)所述漂移電極對(duì)稱分布于所述讀出電極 兩側(cè)，兩個(gè)所述涂硼氣體電子倍增器結(jié)構(gòu)也對(duì)稱分布于所述讀出電極兩側(cè)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1-3任一所述的中子探測(cè)器，其特征在于，所述中子探測(cè)器還包括用 于對(duì)所述讀出電極讀出的放大后的電子信號(hào)進(jìn)行處理，并計(jì)算得到的所述中子的擊中位置 和擊中時(shí)間的數(shù)據(jù)處理設(shè)備，所述數(shù)據(jù)處理設(shè)備與所述讀出電極連接。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1-3任一所述的中子探測(cè)器，其特征在于，所述讀出電極采用二維讀 出條結(jié)構(gòu)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的中子探測(cè)器，其特征在于，每一維所述讀出條結(jié)構(gòu)由多路三 角形板經(jīng)印刷電路板層間走線連通。
7. -種中子探測(cè)方法，所述中子探測(cè)方法采用如上權(quán)利要求1-6任一所述的中子探測(cè) 器探測(cè)中子，其特征在于，所述中子探測(cè)方法包括： 涂硼氣體電子倍增器結(jié)構(gòu)對(duì)入射的中子進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到原初電子； 漂移電極提供的漂移電場(chǎng)對(duì)所述原初電子進(jìn)行作用，使得所述原初電子向靠近氣體電 子倍增器結(jié)構(gòu)的方向漂移； 所述氣體電子倍增器結(jié)構(gòu)對(duì)所述原初電子進(jìn)行氣體放大，得到放大后的電子信號(hào)； 所述放大后的電子信號(hào)在電場(chǎng)的作用下，向靠近讀出電極的方向漂移； 所述讀出電極讀出所述放大后的電子信號(hào)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的中子探測(cè)方法，其特征在于，所述讀出電極讀出所述原初電 子之后，所述方法還包括： 所述數(shù)據(jù)處理設(shè)備對(duì)所述原初電子進(jìn)行處理，并計(jì)算得到的所述中子的擊中位置和擊 中時(shí)間。
【文檔編號(hào)】G01T3/08GK104111471SQ201310136203
【公開日】2014年10月22日 申請(qǐng)日期:2013年4月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年4月18日
【發(fā)明者】孫志嘉, 周健榮, 陳元柏, 王艷鳳, 楊桂安, 許虹, 唐彬, 楊振 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所