学生 陆年华 指导老师 杨祎罡 清华大学工程物理系 粒子技术与辐射成像教育部重点实验室 lnh2005011660@gmail.com 针对高探测效率 热中子探测器的模拟研究 学生 陆年华 指导老师 杨祎罡 清华大学工程物理系 粒子技术与辐射成像教育部重点实验室 lnh2005011660@gmail.com 各位老师、同学，下午好。今天我的报告题目是基于镀膜微通道板中子转换体的研究。 2018/11/8 Tsinghua University
报告提纲 背景介绍 探测器设计 模拟计算 结论与展望 基于MCP的热中子转换体 提升MCP的热中子吸收能力 中子在MCP中的衰减 带电粒子的出射 热中子探测效率 结论与展望 我的报告分为这四个部分。 2018/11/8 Tsinghua University
背景介绍 安全检查&无损检测 X射线方法 中子方法 技术成熟 应用广泛 补充X射线方法 大部分重元素 某些轻元素 有机物质 爆炸物 区分同位素 在安全检查以及无损检测中，基于X射线的技术发展已经非常广泛。X射线在穿透检测物质时，高Z高密度物质对于X射线具有较大的衰减，而低Z元素如C、H、B对X射线的衰减会很弱，因此在检测中不容易发现。而这些元素又是构成危险品的常见元素，所以提升对低Z元素的检测能力是值得关心的问题。相比X射线成像，中子成像有一些优势：穿透重元素物质，大部分重元素如铁、铅、铀对中子的吸收系数小；某些轻元素，如水、碳氢化合物、硼等对中子系数系数较大；区分同位素；中子照相在穿透金属、重金属检测内部有机物质状况上具有很大的优势。右图是中子成像与X射线成像的比较，可以看到中子图像中，相机内部的结构能容易分辨。因此中子成像的研究无论是对X射线成像技术的补充还是独自成像研究，都是很重要的。 X-ray & Neutron 2018/11/8 Tsinghua University
中子探测器 气体探测器 固体探测器 微型脉冲强子源（CPHS） 灵敏体积大 @Tsinghua University 参数实现 信噪比较好 空间分辨率差 气体对带电粒子的阻止能力 固体探测器 结构紧凑 空间分辨率好 探测效率不高 中子的吸收 带电粒子的出射 微型脉冲强子源（CPHS） @Tsinghua University 参数实现 探测效率 >50% @ 25.3meV 热中子 空间分辨率 <100 μm 计数率 103 counts/mm2/s 中子是不带电粒子，通过中子与物质作用如3He(n, p)3H、6Li(n, a)3H、10B(n, a)7Li产生带电粒子继而被探测。对于气体探测器，其优点灵敏体积可以做得较大，信噪比比较好，但是由于对带电粒子的阻止本领较弱，空间分辨率不是很好。气体探测器中的气体介质既可以作为与中子反应的介质，同时也作为带电粒子信号读出。相比气体探测器，固体探测器结构紧凑，空间分辨率号，但是因为固体探测器的中子转换成带电粒子与带电粒子信号倍增读出部分是分离开的，提升转换体的厚度固然能够将更多的中子转换为带电粒子，但是同时厚度的增大会影响带电粒子的出射。我们目前研究的目标是希望能够实现对于热中子实现探测效率大于50%，空间分辨率小于100um，计数率实现103counts/mm2/s的热中子探测器。我们提出了基于微通道板中子转换体的设想。 更好的探测系统？ 基于微通道板中子转换体 2018/11/8 Tsinghua University
微通道板 D 12~13 μm P 15~16 μm 2018/11/8 Tsinghua University 首先我们了解一下微通道板，微通道板的是一种大面阵的高空间分辨的电子倍增探测器，并具备非常高的时间分辨率，主要用作高性能夜视像增强器。微通道板以玻璃薄片为基，在基片上以数微米到十几微米的空间周期以六角形周期排布孔径比空间周期略小的微孔。一块MCP上约有上百万微通道，二次电子可以在通道壁上碰撞倍增放大。 2018/11/8 Tsinghua University
中子转换实现 MCP只是载体 中子吸收核素 MCP结合中子吸收核素 掺杂： 镀膜： 结构的优异性 10B~3835b natGd~49700b MCP结合中子吸收核素 掺杂 镀膜 掺杂： 受MCP玻璃成分的限制 中子吸收核素的密度较小 需要大的厚度 带电粒子不容易进入通道 可行？ 镀膜： 不受MCP玻璃成分的限制 中子吸收核素的密度很大 厚度可以较小 带电粒子容易进入通道 可行√ 我们考虑利用微通道板设计中子转换体是由于微通道板的结构优异性，但是微通道板本身的玻璃材料对于中子却很不敏感，我们考虑利用10B和natGd作为中子吸收元素，实现的方法有掺杂和镀膜两种方法。对于掺杂而言，考虑到MCP玻璃成分的限制，中子吸收核素的含量会比较少，因此要得到高的探测效率，需要玻璃的厚度更厚，而镀膜却不存在上面产生这两个问题。对于掺杂的实现，目前还不清楚，镀膜目前我们正在通过ALD技术进行初步尝试。 2018/11/8 Tsinghua University
模拟研究 掺杂模型 镀膜模型 2018/11/8 Tsinghua University
模拟研究 模拟 P1：中子在微通道板中消失的概率 P2：电子从镀层中出射到通道中的概率 MCNP5模拟 25.3meV Neutron natGd2O3镀膜 P2：电子从镀层中出射到通道中的概率 P1是中子在穿过单层玻璃的两层镀膜时的消失概率，P2是电子从镀层中出射到通道中的概率。 2018/11/8 Tsinghua University
P1 :中子在MCP中的衰减概率 25.3meV thermal neutron @ MCP 镀膜 & 掺杂 中子俘获后放出的带电粒子的概率为Pne 10B(n, α)7Li @ Pne=1 natGd (n, γ) @ Pne=0.794 157Gd(n, γ)158Gd @ Pne=0.5887 P1的模拟结果如图，很明显，厚的镀层以及小的入射角有利于中子的衰减。 2018/11/8 Tsinghua University
P2 :带电粒子的出射概率 中子俘获得到的带电粒子 10B(n, α)7Li中子俘获反应产物能量及其射程 中子俘获反应形成连续的带电粒子源 （MeV） MCP玻璃（3.80g/cm3） B2O3（2.55g/cm3） 6% α 1.777 5.51 µm 4.66 μm 7Li 1.014 2.64 µm 2.38 μm 94% α 1.472 4.53 µm 3.84 μm 7Li 0.838 2.32 µm 2.12 μm P2的模拟结果如图，薄的镀层有利于次级电子的出射。 2018/11/8 Tsinghua University
热中子探测效率 10B掺杂MCP 157Gd掺杂MCP 2018/11/8 Tsinghua University
热中子探测效率 10B2O3镀膜 natGd2O3镀膜 2018/11/8 Tsinghua University
ALD: Atomic Layer Deposition 原子层沉积 镀膜研究 ALD: Atomic Layer Deposition 原子层沉积 优点: 极好的保形性 大面积、均匀性的纯薄膜 简单精确地薄膜厚度控制 不需要控制反应物流量的均一性 薄膜生长可在低温下进行（室温到400oC） 缺点: 沉积速度慢 沉积材料的选择 对于镀膜的实现，目前我们在使用原子层沉积技术进行实现。如图所示，这边是盛有前驱体也就是反应物的容器，在电脑的控制下，前驱体1首先进入加热的腔体，在样品表面发生反应，形成一层薄膜，然后真空泵抽真空，将前驱体1抽走；接下来前驱体2进入腔体，与之前形成的一层薄膜发生反应，生出需要的镀膜，然后再抽真空，重复上面的循环过程。逐渐长出后的薄膜。 2018/11/8 Tsinghua University
镀膜研究 这是我们给样品镀膜时的一些图片。 2018/11/8 Tsinghua University
镀膜研究 孔深度7μm ，直径100nm 使用ALD镀膜 得到46nm厚的均匀薄膜 保形效果很好 2018/11/8 如左图所示，深度7um、直径100nm的孔利用ALD技术镀膜得到很好的均匀薄膜。氧化钆ALD镀膜的前驱体选择如图所示。 2018/11/8 Tsinghua University
初步镀膜效果 微通道板孔，是凹下去的 镀层natGd2O3 交界处 玻璃断面 2018/11/8 Tsinghua University 初步的镀膜结果如图。 玻璃断面 2018/11/8 Tsinghua University
初步镀膜效果 2018/11/8 Tsinghua University
初步镀膜效果 2018/11/8 Tsinghua University
镀膜结果 ~208.65nm 2018/11/8 Tsinghua University
Thanks for your attention! 谢谢各位。 2018/11/8 Tsinghua University