专利摘要
本公开涉及中子探测技术，公开一种中子探测器及中子探测方法，中子探测器包括：中子探测阴极；以及容纳中子探测阴极以及阳极或阳极阵列的真空容器；中子探测阴极包括热中子俘获材料，入射热中子后能转换产生能直接探测的电子，中子探测阴极包括：支撑基板、电极层和中子俘获层，电极层位于支撑基板和中子俘获层之间；中子俘获层包含中子俘获材料，且中子俘获材料俘获中子后释放电子；支撑基板材质为中子透射材料，中子从中子俘获层朝向支撑基板的方向入射至中子俘获层，中子俘获层产生的电子从支撑基板朝向中子俘获层的方向上释放出；以此能对中子经过该俘获层转换的电子进行准确的倍增探测或者直接探测，进而实现对热中子的灵敏探测。
权利要求
1.一种中子探测器，其特征在于，包括：
中子探测阴极；
收集从所述中子探测阴极放出电子的阳极或阳极阵列；以及
容纳所述中子探测阴极以及所述阳极或阳极阵列的真空容器；
其中，所述中子探测阴极包括热中子俘获材料，入射热中子后能转换产生能直接探测的电子，所述中子探测阴极包括：
支撑基板；
电极层，设置于所述支撑基板上；以及
中子俘获层，设置于所述电极层上，所述电极层位于所述支撑基板和所述中子俘获层之间；所述中子俘获层包含中子俘获材料，且所述中子俘获材料俘获中子后释放电子；
其中，所述支撑基板材质为中子透射材料，
中子从所述中子俘获层朝向所述支撑基板的方向入射至所述中子俘获层，所述中子俘获层产生的电子从所述支撑基板朝向所述中子俘获层的方向上释放出。
2.如权利要求1所述的中子探测器，其特征在于，所述中子俘获层为包含有钆的化合物的涂层。
3.如权利要求1所述的中子探测器，其特征在于，所述中子俘获层为掺钆阻性涂层。
4.如权利要求1所述的中子探测器，其特征在于，所述中子俘获层具有半导体薄膜的面电阻，所述电极层为该中子俘获层提供电压，进而形成电场，将出射的电子经过电场的作用进行收集。
5.如权利要求1所述的中子探测器，其特征在于，所述中子探测阴极的支撑基板为所述真空容器的外壳的一部分。
6.一种中子探测器，其特征在于，包括：
中子探测阴极；
用于将从所述中子探测阴极放出的电子级联倍增的电子倍增部；
收集从所述电子倍增部放出的二次电子的阳极或阳极阵列；以及容纳所述中子探测阴极、所述电子倍增部以及所述阳极或阳极阵列的真空容器；
其中，所述中子探测阴极包括热中子俘获材料，入射热中子后能转换产生能直接探测的电子，所述中子探测阴极包括：
支撑基板；
电极层，设置于所述支撑基板上；以及
中子俘获层，设置于所述电极层上，所述电极层位于所述支撑基板和所述中子俘获层之间；所述中子俘获层包含中子俘获材料，且所述中子俘获材料俘获中子后释放电子；
其中，所述支撑基板材质为中子透射材料，
中子从所述中子俘获层朝向所述支撑基板的方向入射至所述中子俘获层，所述中子俘获层产生的电子从所述支撑基板朝向所述中子俘获层的方向上释放出。
7.如权利要求6所述的中子探测器，其特征在于，所述中子探测阴极的支撑基板为所述真空容器的外壳的一部分。
8.一种中子探测方法，包括步骤：
准备位于真空容器的支撑基板、一阴极层、一中子俘获层及一阳极；所述阴极层、一中子俘获层及一阳极顺序排列，所述阴极层与所述中子俘获层贴合，所述阴极层设置于所述支撑基板上；所述中子俘获层设置于所述阴极层上，所述阴极层位于所述支撑基板和所述中子俘获层之间；所述支撑基板材质为中子透射材料，所述中子俘获层包含中子俘获材料，且所述中子俘获材料俘获中子后释放电子；
热中子从所述中子俘获层朝向所述支撑基板的方向入射至所述中子俘获层，被所述中子俘获层俘获，产生电子从所述支撑基板朝向所述中子俘获层的方向上释放出；
所述电子在所述阴极层与所述阳极共同作用下，被阳极收集检测。
说明书
技术领域
本发明总体来说涉及中子探测技术，具体而言，涉及一种能将热中子转换为电子的中子探测阴极，及其构成的对转换电子具有倍增探测功能的探测器，以及一种中子探测方法。
背景技术
与高能带电粒子和高能光子不同，中子不会与探测器介质发生以库仑作用为媒介的电磁相互作用、电离或激发介质原子；亦不会与介质发生光电效应、康普顿散射等，所以，中子不易被直接探测，一般是通过与探测器介质的原子核发生的核散射或核反应来实现对中子的探测。
根据中子能量的高低，中子分类如下：动能小于0.002eV，即等价温度约为20K以下的中子为冷中子；动能范围在0.002～0.5eV之间的中子被归为热中子；动能在1eV～1keV的中子为超热中子或慢中子；快中子的动能大于1keV；动能大于10MeV的中子为相对论中子，此时中子的速度接近光速，开始显现相对论效应。
常见的热中子探测器一般为位置精度很高的成像用探测器，不但有效探测面积小，而且价格昂贵，不利于监测大面积有中子辐射的背景场。
在所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本发明的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。
本发明的一个主要目的在于克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种能对中子进行倍增探测的中子探测阴极、中子探测器及中子探测方法，能对中子经过该俘获层转换的电子进行准确的倍增探测或者直接探测，进而实现对热中子的灵敏探测。
本发明的另一个主要目的在于克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种极高的灵敏度和极低的噪声的中子探测阴极、中子探测器及中子探测方法。
为实现上述发明目的，本发明实施例采用如下技术方案：
根据本发明的一个方面，提供了一种中子探测阴极，包括热中子俘获材料，入射热中子后能转换产生能直接探测的电子，所述中子探测阴极包括：支撑基板、电极层以及中子俘获层。电极层设置于所述支撑基板上；中子俘获层设置于所述电极层与所支撑基板相对的另一侧上，所述中子俘获层包含中子俘获材料，且所述中子俘获材料俘获中子后释放电子。中子倍增探测装置还包括真空容器倍增极及阳极；真空容器具有入射窗；电极层覆盖于真空容器入射窗的内表面；中子俘获层覆盖于电极层的内表面；以此能对中子进行准确的倍增探测。
根据本发明的一实施方式，其中所述中子俘获层为包含有钆的化合物的涂层，或者为掺钆阻性涂层。
根据本发明的一实施方式，其中所述支撑基板材质为中子透射材料；中子从所述支撑基板侧入射至所述中子俘获层，所述中子俘获层产生的电子向所述支撑基板的相反侧释放出。
根据本发明的一实施方式，其中所述支撑基板材质为中子透射材料或中子屏蔽材料；中子从所述支撑基板相反侧入射至所述中子俘获层，所述中子俘获层产生的电子向所述支撑基板的相反侧释放出。
根据本发明的一实施方式，其中所述中子俘获层具有半导体薄膜的面电阻，所述电极层为该中子俘获层提供电压，进而形成电场，将出射的电子经过电场的作用进行收集。
根据本发明的一实施方式，其中所述真空容器为玻璃材质；或者，所述真空容器的入射窗为导电材质，所述电极层与所述真空容器的入射窗集成为一体，所述中子俘获层直接成型于所述真空容器的入射端内表面。
根据本发明的一实施方式，其中在所述电极层至第一个所述倍增极之间，设置有电子束聚焦电场装置。
根据本发明的另一方面，提供一种中子探测器，包括容器、阴极层及阳极；所述阳极为单阳极或阳极阵列，收集从所述中子探测阴极放出电子；所述容器容纳所述中子探测阴极以及所述阳极。
根据本发明的一实施方式，其中所述容器具有入射窗，所述阴极层形成于所述入射窗内表面，所述中子俘获层形成于所述阴极层内表面，所述中子俘获层俘获中子后产生电子；所述电子倍增检测结构位于所述真空容器内，所述电子倍增检测结构通过直接倍增检测所述电子，进而间接检测中子。
根据本发明的一个方面，提供一种中子倍增探测方法，包括步骤：
准备位于真空状态的一阴极层、一中子俘获层及一阳极；所述阴极层、一中子俘获层及一阳极顺序排列；
热中子穿过所述阴极层被所述中子俘获层俘获，产生电子；
所述电子在所述阴极层与所述阳极共同作用下，被阳极收集检测。
根据本发明的一实施方式，其中在阳极与阴极之间，还可以具有一个或多个电子倍增结构，其电位介于阳极与阴极之间，若为多个电子倍增结构，则电位在阳极与阴极之间均匀的进行阶梯过渡。
根据本发明的另一方面，提供一种中子探测器，包括如前所述的中子探测阴极、电子倍增部、阳极或阳极阵列以及容器：所述电子倍增部用于将从所述中子探测阴极放出的电子级联倍增；所述阳极或阳极阵列收集从所述电子倍增部放出的二次电子；所述容器容纳所述中子探测阴极、所述电子倍增部以及所述阳极。
由上述技术方案可知，本发明的中子倍增探测装置及中子倍增探测方法的优点和积极效果在于：
1.本发明实施例的中子探测阴极的中子俘获层的面积可以不受限制，而具体使用的探测器的几何结构取决于真空技术的发展；
2.应该理解的是，可以把各种光电倍增管内的光阴极直接替换为本发明实施例提供的中子俘获层，其他工艺不变，直接可以将光电倍增管转换为中子电子倍增管；
3该款探测器的性能主要决定于光电倍增部件和收集部件的收集倍增效率，决定于其工业技术的发展，可拓展空间很大；
4.对信号的读取方式，如果是单一阳极，可以实现对大面积热中子信号有无的快速甄别；如果是多阳极读出，可以实现位置分辨。
附图说明
通过结合附图考虑以下对本发明的优选实施例的详细说明，本发明的各种目标、特征和优点将变得更加显而易见。附图仅为本发明的示范性图解，并非一定是按比例绘制。在附图中，同样的附图标记始终表示相同或类似的部件。其中：
图1是根据一示例性实施方式示出的一种中子探测阴极的截面结构示意图。
图2是根据一示例性实施方式示出的另一种中子探测阴极的截面结构示意图。
图3是根据一示例性实施方式示出的一种中子倍增探测装置的结构示意图。
图4是根据一示例性实施方式示出的另一种中子倍增探测装置的结构示意图。
其中，附图标记说明如下：
1、真空容器；2、阴极层；3、中子俘获层；4、倍增极；5、阳极；6、微通道板；7、多阳极阵列。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。
图1是根据一示例性实施方式示出的一种中子探测阴极的截面结构示意图。
如图1所示例，本发明一实施例提供一种中子探测阴极，其为透射式中子探测阴极，对应于中子的入射而释放电子，这种中子探测阴极包括支撑基板1、电极层2以及中子俘获层3。
如图1所示，透射式中子探测阴极具备透过适用能量范围的入射中子n
支撑基板1具有作为该透射式中子探测阴极的中子入射面的入射面11、与该入射面11相对的支撑面12。中子俘获层3具有与支撑基板1的支撑面12相对的基面31、与该基面31相对且作为该透射式中子探测阴极的光电子出射面而起作用的释放面32。电极层2的第一面21直接接触于支撑基板1的支撑面12，电极层2的第二面22直接接触于中子俘获层3的基面31，电极层2位于支撑基板1和中子俘获层3之间。
在该透射式中子探测阴极中，入射中子n
应该理解的是，上述透射式中子探测阴极可用于透射式探测器，即放射源与阳极相对位于探测阴极的相对的两侧。
另一方面，图2是本发明所涉及的中子探测阴极的另一个实施方式的反射型中子探测阴极的截面图。如图2所示，反射型中子探测阴极具备透过或阻断适用波长的入射中子n
支撑基板1具有支撑面12。中子俘获层3具有与支撑基板1的支撑面12相对的基面31、与该基面31相对且作为该反射型中子探测阴极1的中子入射面以及电子出射面双作用的释放面32。电极层2的第一面21直接接触于支撑基板1的支撑面12，电极层2的第二面22直接接触于中子俘获层3的基面31，电极层2位于支撑基板1和中子俘获层3之间。
在该反射型中子探测阴极中，在入射中子n
在如上所述的透射式中子探测阴极以及反射型中子探测阴极的任意一个当中，电极层2以及中子俘获层3都可以具有与如以下所述相同的构造。
本发明实施例中，关于中子俘获层的材料，可选择基于核反应法进行中子俘获。核反应法是基于中子与原子核发生核反应后，释放出能量较高的带电粒子及/或γ射线，通过记录这些次级粒子，可以实现对入射中子的探测。中子俘获层的材料可选择为常用的核素
·n+
·n+
·n+
→
中子与裂变物质作用发生核裂变，分裂为两个裂变碎片，并释放出大约170MeV的能量。核裂变分为两种：用于热中子探测的无阈裂变，核素有
本发明实施例中，关于中子俘获层的材料，比如一些稀土重金属(例如钐、铕、钆和镝)具有特别大的中子俘获截面，尤其是钆(Gadolinium)的两种含有奇数中子的天然同位素
本发明一种实施方式中，所述中子俘获层为包含有钆的化合物的涂层，或者为掺钆阻性涂层。上述Gd的两种同位素通过如下反应方程发生核反应：
n+
n+
本领域技术人员应该理解的是，本发明实施例中所述钆的化合物，可以选择为：氧化钆Gadolinium oxide、纳米氧化钆Gadolinium oxide、水合氢氧化钆(REO)Gadolinium(Iii)Hydroxide Hydrate、水合草酸钆(REO)Gadolinium(Iii)Oxalate Hydrate、超干氯化钆(REO)Gadolinium(Iii)Chloride，Ultra Dry、三氟甲磺酸钆Gadolinium(III)trifluoromethanesulfonate、硝酸钆，六水Gadolinium(III)nitrate hexahydrate、氯化钆(III)六水合物Gadolinium chloride hexahydrate、氟化钆Gadolinium(III)fluoride、溴化钆(III)Gadolinium bromide、碘化钆Gadolinium(III)iodide、硫酸钆八水合物Gadolinium(III)sulfate octahydrate、硫酸钆(III)Gadolinium sulfate、氯化钆(III)Gadolinium chloride、硝酸钆,六水Gadolinium(III)nitrate hexahydrate以上的其中之一或至少两种的组合。
因为中子的穿透能力很强，厚度与探测效率相关，所以，中子俘获层的厚度，可以是纳米、微米量级。根据本领域常识，纳米量级是指结构尺寸在1至100纳米范围内；所说微米量级一般指100微米以内。
本发明实施例提供一种中子探测装置，可以认为主要是将中子俘获层与电极层的组合来形成探测器的阴极，其中电极层位于中子入射侧，而中子俘获层位于靠近电子倍增检测结构，以便于利用电场作用下将中子俘获层与中子反应后产生的电子射向电子倍增检测结构。
本发明实施例提供的中子探测装置构造可以参照各种光电倍增管(PMT)，可以是端窗型(Head-on)或侧窗型(Side-on)结构的光电倍增管。侧窗型的光电倍增管，从玻璃壳的侧面接收入射光，而端窗型光电倍增管是从玻璃壳的顶部接收入射光。通常情况下，侧窗型光电倍增管价格较便宜，并在分光光度计和通常的光度测定方面有广泛的使用。大部分的侧窗型光电倍增管使用了不透明阴极(反射式阴极)和环形聚焦型电子倍增极结构，这使其在较低的工作电压下具有较高的灵敏度。端窗型(也称作顶窗型)光电倍增管在其入射窗的内表面上沉积了半透明阴极(透过式阴极)，使其具有优于侧窗型的均匀性。端窗型光电倍增管的特点还包括它拥有从几十平方毫米到几百平方厘米的阴极。端窗型光电倍增管中还有针对高能物理实验用的，可以广角度捕集入射光的大尺寸半球形光窗的光电倍增管。本发明实施例可以选择以上述构型为基础进行改造，以此对应各种需求或环境来探测中子。
而本发明实施例中，电子倍增检测结构的形式，参照现有光电倍增管的结构，举例而言可以是：环形聚焦型、盒栅型、直线聚焦型、百叶窗型、细网型微通道板(MCP)型、金属通道型等电子倍增检测结构，此外，上述结构中两种结构相混合也是可能的。混合的倍增极可以发挥各自的优势。
以下结合附图对本发明一具体实施例说明如下：图3是根据一示例性实施方式示出的一种中子倍增探测装置的结构示意图。
如图所示，本发明具体实施例的一种中子倍增探测装置可主要包括真空容器1、电极层2、中子俘获层3、倍增极4及阳极5。真空容器1具有入射窗部位，入射窗可以是参照光电倍增管(PMT)的端窗式或侧窗式。可选择以一电极层2覆盖于入射窗部位的内表面，电极层2可以是金属其它导体材料通过成膜技术形成。其中的中子俘获层3覆盖于电极层的内表面，可以利用受中子射入后能发生反应产生电信号的材料通过成膜技术形成。这里中子俘获层3可以选择以含有钆氧化物的材料通过成膜技术形成。
关于成膜技术，本发明实施例中，可以选择采用真空蒸镀、溅镀蒸镀、离子镀等为代表的物理气相沉积(PVD)或化学气相沉积(CVD)；或者针对金属电极还可以选择是电镀、化学镀或阳极氧化等方式。
如图所示，本发明具体实施例中，阳极5位于真空容器1内，阳极5可相对电极层2位于真空容器1的另一侧。而倍增极4可以为多个，间隔的分布在电极层2与阳极5之间。如图3所示，从入射窗至阳极5，电极层2、多个所述倍增极4及阳极5按顺序布置，其中各电极的电位依上述顺序逐级升高，以便于形成作用电场，中子俘获层3反应产生的电子逐级引导而倍增放大。
这样，中子从入射端入射至中子俘获层3，中子俘获层3俘获中子后产生电子，电子在真空状态受各电极作用，经各个倍增极4逐级倍增放大后被阳极5收集，可根据阳极5的变化信号来探测中子信号。这些冲击倍增极4的电子能使倍增极4释放更多的电子，它们再被聚焦在下一个倍增极4。这样，一般经十次以上倍增，放大倍数可达到10
该实施例中以含有钆氧化物形成中子俘获层3，对于慢中子探测效果好。应该理解的是，可以在入射窗外增设中子慢化机构，比如利用轻水、重水或石墨制成中子慢化机构，以将快中子慢化为慢中子再进行探测。
一实施例中，真空容器1选择为玻璃材质；真空容器1的入射端或整体也可由导电材质制成，电极层2可与真空容器1的入射端或整体集成为一体，当然，这里导电材质的真空容器要与内部的各电极隔绝，如此，中子俘获层3直接成型于真空容器1的入射端内表面。
一实施例中，在电极层2至第一个倍增极4之间，也可设置有电子束聚焦电场装置。
一实施例中，电子倍增检测结构的形式，还可以是：环形聚焦型、盒栅型、直线聚焦型、百叶窗型、细网型微通道板(MCP)型、金属通道型等电子倍增检测结构，此外，上述结构中两种结构相混合也是可能的。混合的倍增极可以发挥各自的优势。
以下结合附图对本发明另一具体实施例说明如下：图4是根据一示例性实施方式示出的另一种中子倍增探测装置的结构示意图。
如图所示，本发明具体实施例的一种中子倍增探测装置可主要包括真空容器1、电极层2、中子俘获层3、微通道板6及多阳极阵列7。真空容器1具有入射窗部位，入射窗可以是参照微通道板探测器(MCP)。可选择以一电极层2覆盖于入射窗部位的内表面，电极层2可以是金属其它导体材料通过成膜技术形成。其中的中子俘获层3覆盖于电极层的内表面，可以利用受中子射入后能发生反应产生电信号的材料通过成膜技术形成。这里中子俘获层3可以选择以含有钆的化合物材料通过成膜技术形成。
微通道板6及多阳极阵列7位于真空容器1内，多阳极阵列7可相对阴极位于真空容器1的另一侧。如图4所示，从入射窗至多阳极阵列7，电极层2、微通道板6及多阳极阵列7按顺序布置，以便于形成作用电场，中子俘获层3反应产生的电子在多阳极阵列7逐级引导而倍增放大。
这样，中子从入射端入射至中子俘获层3，中子俘获层3俘获中子后产生电子，电子在真空状态受各电极作用，经微通道板6及多阳极阵列7逐级倍增放大后被出射阳极收集。
还可以理解为，本发明一实施例提供了一种中子倍增探测方法，主要包括步骤：
准备位于真空状态的一阴极层、一中子俘获层及一电子倍增结构；所述阴极层、一中子俘获层及一电子倍增结构顺序排列；
中子穿过所述阴极层被所述中子俘获层俘获，产生电子；
所述电子在所述阴极层与所述电子倍增结构共同作用下，进入电子倍增结构，电子倍增检测结构通过倍增检测电子检测中子。
1.本发明实施例的中子探测阴极的中子俘获层的面积可以不受限制，而具体使用的探测器的几何结构取决于真空技术的发展；
2.应该理解的是，可以把各种光电倍增管内的光阴极直接替换为本发明实施例提供的中子俘获层，其他工艺不变，直接可以将光电倍增管转换为中子电子倍增管；
3该款探测器的性能主要决定于光电倍增部件和收集部件的收集倍增效率，决定于其工业技术的发展，可拓展空间很大；
4.对信号的读取方式，如果是单一阳极，可以实现对大面积热中子信号有无的快速甄别；如果是多阳极读出，可以实现位置分辨。
当然，一旦仔细考虑代表性实施例的以上描述，本领域技术人员就将容易理解，可对这些具体的实施例做出多种改型、添加、替代、删除以及其他变化，并且这些变化在本发明的原理的范围内。因此，前面的详细描述应被清楚地理解为是仅以说明和示例的方式来给出的，本发明的精神和范围仅由所附权利要求书及其等同物限定。
中子探测器及中子探测方法专利购买费用说明
Q：办理专利转让的流程及所需资料
A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。
1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。
2：按规定缴纳著录项目变更手续费。
3：同时提交相关证明文件原件。
4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。
Q:专利著录项目变更费用如何缴交
A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式
Q：专利转让变更，多久能出结果
A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。
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