本發(fā)明涉及核輻射劑量與輻射防護(hù)，尤其涉及一種中子探測器及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、中子探測器的研發(fā)及其在輻射環(huán)境中的安全可控，對人類社會、自然生態(tài)環(huán)境及精密儀器設(shè)備都極為重要。而要保證中子輻射環(huán)境的安全可控，就必須要發(fā)展先進(jìn)的、可靠的中子輻射探測技術(shù)。作為實(shí)現(xiàn)中子輻射探測的關(guān)鍵，提高中子探測器的研制水平，顯得尤為重要。中子探測器技術(shù)對物理學(xué)上基礎(chǔ)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究有著極大的促進(jìn)作用，隨著核技術(shù)的廣泛應(yīng)用，中子輻射探測技術(shù)所面臨的應(yīng)用環(huán)境也變得越來越苛刻。傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料制成的半導(dǎo)體中子探測器，已經(jīng)難以滿足核裂變、核聚變、加速器、外太空環(huán)境等高溫、強(qiáng)輻射、高靈敏度的要求，必須尋找新的半導(dǎo)體材料來制作新一代中子探測器。金剛石具有優(yōu)異的光、電、熱、機(jī)械及抗輻照性能，已成為制作新一代中子探測器的首選材料。

2、中子探測器目前可以分為三類：氣體中子探測器、閃爍體中子探測器、半導(dǎo)體中子探測器。氣體中子探測器通常使用3h或者bf3作為反應(yīng)氣體，這些與中子反應(yīng)之后生成帶電粒子，通過電離產(chǎn)生信號。這種探測器體積較大，不具備便攜性，難以實(shí)現(xiàn)小型化。閃爍體中子探測器通過中子與閃爍材料反應(yīng)產(chǎn)生光子進(jìn)而被探測。閃爍體中子探測器的缺點(diǎn)是必須搭配光電倍增管，體積大成本高，其脈沖計(jì)數(shù)的機(jī)理不能適應(yīng)高通量粒子的測量，較難實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。半導(dǎo)體中子探測器常用的材料si或ge，這兩種材料抗輻射能力和耐熱能力差，需要低溫保存。

3、現(xiàn)有的半導(dǎo)體中子探測器普遍使用10b作為中子轉(zhuǎn)化材料，雖然10b對熱中子的探測有一定效果，但其效率有限，主要由于中子捕獲反應(yīng)后產(chǎn)生的次級粒子帶有較低的能量。這種低能量的粒子在探測過程中更容易受到伽馬射線的干擾，從而降低了信號的精確性。

4、因此，現(xiàn)有技術(shù)還有待于改進(jìn)和發(fā)展。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種中子探測器及其制備方法，旨在解決現(xiàn)有中子探測器存在的安全性和便攜性不足，且在探測過程中易受到伽馬射線干擾而降低信號精確性的問題。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

3、本發(fā)明的第一方面，提供一種中子探測器，包括：金剛石單晶層、位于所述金剛石單晶層上表面的第一電極層、位于所述金剛石單晶層下表面的第二電極層和位于所述第一電極層表面的中子轉(zhuǎn)化層，所述中子轉(zhuǎn)化層包括6lif。

4、可選地，所述金剛石單晶層的厚度為0.3mm～0.5mm。

5、可選地，所述電極層包括金電極、鈀電極、鉑電極或氧化銦錫中的一種。

6、可選地，所述電極層的厚度為0.1μm～0.2μm。

7、可選地，所述中子轉(zhuǎn)化層的厚度為25μm～28μm。

8、本發(fā)明的第二方面，在于提供一種中子探測器的制備方法，包括步驟：

9、s1、采用微波等離子體化學(xué)氣相沉積法生長金剛石單晶層；

10、s2、采用電子束蒸發(fā)法在所述金剛石單晶層的上下表面沉積電極薄膜，退火處理后得到電極層；

11、s3、采用電子束蒸發(fā)法在上表面電極層的表面沉積6lif，冷卻至室溫后，在惰性氣氛下進(jìn)行退火處理，形成中子轉(zhuǎn)化層，得到所述中子探測器。

12、其中，所述采用微波等離子體化學(xué)氣相沉積法生長金剛石單晶層的步驟，包括：

13、將金剛石片進(jìn)行拋光處理后，得到上下表面為(100)晶面的金剛石籽晶，經(jīng)超聲處理后置于生長腔體內(nèi)，通入氫氣后，開啟微波源激發(fā)等離子體，再通入氧氣進(jìn)行表面處理得到金剛石襯底，通入碳源，在所述金剛石襯底上同質(zhì)外延生長金剛石單晶，沉積得到厚度為0.3mm～0.5mm的金剛石單晶層。

14、其中，所述采用電子束蒸發(fā)法在所述金剛石單晶層的上下表面沉積電極薄膜，退火處理后得到電極層的步驟，包括：

15、對所述金剛石單晶層進(jìn)行清潔處理，再通過氧等離子體處理金剛石單晶層的上下表面，采用電子束蒸發(fā)法在所述金剛石單晶層上下表面分別沉積厚度為0.1μm～0.2μm的金、鈀、鉑或氧化銦錫薄膜中的一種，然后在惰性氣氛下，300℃～350℃下退火處理30min，得到電極層。

16、其中，所述采用電子束蒸發(fā)法在上表面電極層的表面沉積6lif得到中子轉(zhuǎn)化層的步驟，包括：

17、對上表面電極層的表面進(jìn)行清潔，使用丙酮、異丙醇和去離子水依次進(jìn)行超聲清洗，然后置入真空蒸鍍腔中，真空度保持在10-6torr，使用電子束蒸發(fā)法對高純度6lif靶材進(jìn)行加熱以使6lif蒸發(fā)，沉積6lif的薄膜層厚度至25μm～28μm，退火處理后得到所述中子轉(zhuǎn)化層。

18、可選地，所述沉積6lif的速率為在1～2nm/s。

19、步驟s3中，可選地，所述退火處理的溫度為200℃～300℃；所述退火處理的時(shí)間為30min。

20、有益效果：

21、本發(fā)明提供一種中子探測器，包括：金剛石單晶層、位于所述金剛石單晶層上表面的第一電極層、位于所述金剛石單晶層下表面的第二電極層和位于所述第一電極層表面的中子轉(zhuǎn)化層，所述中子轉(zhuǎn)化層包括6lif。其中，金剛石單晶層作為本征層，6lif作為中子轉(zhuǎn)化層，利用中子與中子轉(zhuǎn)化層發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生的帶電粒子在金剛石單晶層中的電離來實(shí)現(xiàn)中子探測。本發(fā)明提供的所述中子探測器中6lif和熱中子反應(yīng)產(chǎn)生的次級粒子能量高，容易入射到靈敏層，有利于在中子n、伽馬射線γ混合場下實(shí)現(xiàn)n/γ甄別，所述中子探測器具有較強(qiáng)的抗伽馬射線干擾能力，并具備出色的穩(wěn)定性和高效的中子探測能力。同時(shí)因使用固態(tài)材料代替高壓氣體或液體閃爍體，避免了泄漏風(fēng)險(xiǎn)和材料輻射損傷，提高了探測器的安全性和使用壽命，并且采用緊湊的固態(tài)設(shè)計(jì)，減小了探測器的體積和重量，簡化了探測器的制造工藝和維護(hù)要求，適合便攜式和現(xiàn)場應(yīng)用。

技術(shù)特征：

1.一種中子探測器，其特征在于，包括：金剛石單晶層、位于所述金剛石單晶層上表面的第一電極層、位于所述金剛石單晶層下表面的第二電極層和位于所述第一電極層表面的中子轉(zhuǎn)化層，所述中子轉(zhuǎn)化層包括6lif。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中子探測器，其特征在于，所述金剛石單晶層的厚度為0.3mm～0.5mm。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中子探測器，其特征在于，所述電極層包括金電極、鈀電極、鉑電極或氧化銦錫中的一種；所述電極層的厚度為0.1μm～0.2μm。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中子探測器，其特征在于，所述中子轉(zhuǎn)化層的厚度為25μm～28μm。

5.一種中子探測器的制備方法，其特征在于，包括步驟：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的中子探測器的制備方法，其特征在于，所述采用微波等離子體化學(xué)氣相沉積法生長金剛石單晶的步驟，包括：

7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的中子探測器的制備方法，其特征在于，所述采用電子束蒸發(fā)法在所述金剛石單晶層的上下表面沉積電極薄膜，退火處理后得到電極層的步驟，包括：

8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的中子探測器的制備方法，其特征在于，所述采用電子束蒸發(fā)法在上表面電極層的表面沉積6lif得到中子轉(zhuǎn)化層的步驟，包括：

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的中子探測器的制備方法，其特征在于，所述沉積6lif的速率為在1～2nm/s。

10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的中子探測器的制備方法，其特征在于，步驟s3中，所述退火處理的溫度為200℃～300℃；所述退火處理的時(shí)間為30min。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及核輻射劑量與輻射防護(hù)技術(shù)領(lǐng)域，具體公開一種中子探測器及其制備方法。所述中子探測器包括金剛石單晶層、位于金剛石單晶層上表面的第一電極層、位于金剛石單晶層下表面的第二電極層和位于第一電極層表面的中子轉(zhuǎn)化層，中子轉(zhuǎn)化層包括<supgt;6</supgt;LiF。所述中子探測器利用中子與中子轉(zhuǎn)化層反應(yīng)產(chǎn)生的帶電粒子在金剛石單晶層中電離實(shí)現(xiàn)中子探測，<supgt;6</supgt;LiF和熱中子反應(yīng)產(chǎn)生的次級粒子能量高，容易入射到靈敏層，有利于在n、γ混合場下實(shí)現(xiàn)n/γ甄別，并具有較強(qiáng)的抗伽馬射線干擾能力。因使用固態(tài)材料避免了泄漏風(fēng)險(xiǎn)和輻射損傷，提高了探測器的安全穩(wěn)定性，緊湊的固態(tài)設(shè)計(jì)增強(qiáng)了便攜性，簡化了探測器的制造工藝，適合現(xiàn)場探測應(yīng)用。

技術(shù)研發(fā)人員：吳正新,林淑賢,顏強(qiáng),萬波,劉國卿,劉永,黎剛,黃有駿,楊戴博
受保護(hù)的技術(shù)使用者：深圳大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/8