一種金剛石半導體反衝質子望遠鏡的製作方法

2023-04-23 14:02:26 1

本發明涉及中子源強度監測技術領域，尤其涉及一種金剛石半導體反衝質子望遠鏡。

背景技術：

通過測量反衝質子數目是測量中子注量率目前採用的最廣泛的方法，因為1h(n，n＇)1h的截面計算和實驗得出的數據已相當準確，反衝質子望遠鏡方法是1mev-20mev甚至更高能中子注入量率測量的主要方法。

現有技術中反衝質子望遠鏡主要有半導體反衝質子望遠鏡和csi閃爍體反衝質子望遠鏡。csi閃爍體反衝質子望遠鏡適用於5mev以上中子注量率測量，中子流強較高時，需要進行n、γ甄別，輻照損傷嚴重。半導體反衝質子望遠鏡一般包括穿透型探測器和全耗盡探測器，具有結構簡單的優點，但是目前的半導體反衝質子望遠鏡主要用於能量較低中子的測量，如能量低於5mev的中子，用於測量流強較高能量較高(大於5mev)的中子時，則會遇到很強的中子本底、γ射線本底和電磁幹擾，輻照強度高，通常反衝質子望遠鏡會出現嚴重的電子學阻塞，或受到強本底幹擾，或出現中子輻照損傷，存在抗輻照能力差且扣除本底能力較差的問題。

技術實現要素：

有鑑於此，本發明提供一種金剛石半導體反衝質子望遠鏡，以解決現有技術中半導體反衝質子望遠鏡的抗輻照能力差且扣除本底能力較差的問題。

為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：

一種金剛石半導體反衝質子望遠鏡，包括：

真空腔室，所述真空腔室的其中一個端面上設置有中子進入口；

位於所述真空腔室內，且沿所述真空腔室設置有中子進入口的端面朝向所述真空腔室內部的方向上依次設置的聚乙烯轉換膜、穿透型探測器和全耗盡探測器；

位於所述真空腔室外側的電子學，所述電子學分別與所述穿透型探測器、所述全耗盡探測器相連；

其中，所述全耗盡探測器為金剛石探測器。

優選地，所述聚乙烯轉換膜與所述穿透型探測器和所述全耗盡探測器相互平行設置。

優選地，所述穿透型探測器為一個。

優選地，所述穿透型探測器為兩個，包括第一穿透型探測器和第二穿透型探測器，所述第一穿透型探測器和所述第二穿透型探測器相對設置，且位於所述聚乙烯轉換膜和全耗盡探測器之間。

優選地，所述穿透型探測器為穿透型矽探測器。

優選地，穿透型矽探測器為金矽面壘半導體探測器。

優選地，所述真空腔室的長度為10cm～30cm，包括端點值。

經由上述的技術方案可知，本發明提供的金剛石半導體反衝質子望遠鏡包括穿透型探測器和全耗盡探測器，其中，所述全耗盡探測器採用金剛石探測器，由於金剛石探測器具有抗輻照能力強的特點，在中子流強較高時，能夠具有較好的抗輻照能力；而且對於中子能量較高(>10mev)時，產生的反衝質子能量較高，沉積在金剛石探測器後，能夠與本底或其他粒子的能量分離開來，從而能夠甄別出反衝質子，從而達到扣除本底的目的，本底扣除效果更好，進而能夠提高中子源強測量的精度。

進一步地，由於本發明提供的金剛石半導體反衝質子望遠鏡的抗輻照能力更強，可以避免使用屏蔽體對輻照進行屏蔽，從而相對於現有技術中抗輻照能力較差的反衝質子望遠鏡而言，本發明提供的金剛石半導體反衝質子望遠鏡的結構更加簡單。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據提供的附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發明提供的一種金剛石半導體反衝質子望遠鏡結構示意圖；

圖2為本發明提供的金剛石半導體反衝質子望遠鏡應用示意圖；

圖3為本發明提供的金剛石半導體反衝質子望遠鏡中電子學的結構示意圖。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。

現有技術中的半導體反衝質子望遠鏡主要用於能量小於5mev中子的測量，但用於能量5mev以上中子的測量時，由於會與si核反應產生帶電粒子，產生很強的本底限制其用於5mev以上中子的測量。現有技術中採用矽半導體二重符合反衝質子望遠鏡，測量t(d，n)中子時，穿透型探測器(△e探測器)和全耗盡探測器(e探測器)都採用矽半導體，由於中子在矽半導體探測器中引起si(n,α)和si(n，p)等反應對望遠鏡的系統調試造成嚴重幹擾，且影響中子注量的測量精度，測試結果表明輻照損傷和si(n,α)本底均很大。

而且，通常情況下均不涉及強流中子場抗輻照能力改善問題，即使涉及，通常給出的主要技術方案為採取屏蔽措施降低半導體探測器輻照損傷和本底幹擾，如在矽探測器的前端增加大厚屏蔽體減小輻照降低散射，但這樣會造成反衝質子望遠鏡的結構複雜。

基於此，本發明提供一種用於測量流強較強、能量較高的中子注量，且結構簡單、抗輻照能力強、扣除本底能力強的金剛石半導體反衝質子望遠鏡，如圖1所示，所述半導體反衝質子望遠鏡包括：真空腔室5，真空腔室5的其中一個端面上設置有中子進入口；位於真空腔室5內，且沿真空腔室5設置有中子進入口的端面朝向真空腔室5內部的方向上依次設置的聚乙烯轉換膜2、穿透型探測器3和全耗盡探測器4；位於真空腔室5外側的電子學6，電子學6分別與穿透型探測器3、全耗盡探測器4相連；其中，全耗盡探測器4為金剛石探測器。

本發明實施例中全耗盡探測器4為金剛石探測器，金剛石半導體探測器具有禁帶寬度大、抗輻照能力強、對γ不靈敏、時間響應快、性能穩定等優點，由於其抗輻照能力強，因此可以應用於強輻射場中，也即本發明實施例提供的半導體反衝質子望遠鏡能夠適用於強流中子加速器、高能加速器和散裂中子源中子輻射場的源強度監測。

需要說明的是，本發明實施例中對聚乙烯轉換膜2、穿透型探測器3和金剛石探測器4的具體位置不做限定，可選的，聚乙烯轉換膜2、穿透型探測器3和金剛石探測器4相互平行設置，並且與真空腔室5的中子進入口相互平行設置，當高能中子從外面入射到真空腔室5內時，方便調整聚乙烯轉換膜2、穿透型探測器3和金剛石探測器4能夠工作在中子入射的0°方向上，也即聚乙烯轉換膜2、穿透型探測器3和金剛石探測器4的粒子入射表面與中子入射方向垂直，由於中子入射0°方向上的能量最大，從而可以獲得能量最大的反衝質子，使得反衝質子的信號幅度大於中子和金剛石發生的12c(n,α)反應α粒子的幅度。

本實施例中對聚乙烯轉換膜2也不進行限定，可選的，聚乙烯轉換膜2採用高純度聚乙烯製作形成，且面向入射面1設置，中子從入射面1照射到聚乙烯轉換膜上，從而產生反衝質子。

本實施例中對穿透型探測器的具體類型不做限定，只要位於聚乙烯轉換膜2的後方，能夠使中子照射到聚乙烯轉換膜2上產生的反衝質子穿透後，保持一定能量即可，可選的，為使反衝質子通過穿透型探測器3後，保持較高能量，可選的，穿透型探測器3為穿透型矽探測器，更加可選的，可採用金矽面壘半導體探測器，反衝質子穿過時損失較少部分能量。本實施例中所述金矽面壘半導體探測器與聚乙烯轉換膜的夾角為0°，便於後續調節與中子入射方向的夾角。

中子從入射面1打在聚乙烯轉換膜上2時，中子與聚乙烯轉換膜內的氫發生彈性散射產生反衝質子，通過將穿透型探測器3、金剛石探測器4設置在0°方向，反衝質子經穿透型探測器3隻損失少量能量，進入全耗盡反衝質子探測器即金剛石探測器4後，沉積所有能量，因此14mev及更高能量的中子在0°方向反衝質子可以獲得12mev以上能量，該能量產生脈衝幅度可與其它反應及散射、噪聲等在金剛石探測器內產生的脈衝幅度分開，如14mev中子與金剛石探測器直接反應12c(n,α)會產生8.3mev的總沉積能量。

金剛石探測器為全耗盡探測器，金剛石探測器4位於穿透型探測器3後面，將反衝質子的所有能量耗盡在其中，使得反衝質子的能量沉積在金剛石探測器中。

需要說明的是，本發明實施例中提供的金剛石半導體反衝質子望遠鏡可以是二重符合結構，也可以是三重符合結構，本實施例中對此不做限定，當半導體反衝質子望遠鏡為二重符合結構時，半導體反衝質子望遠鏡中包括一個穿透型探測器；當半導體反衝質子望遠鏡為三重符合結構時，半導體反衝質子望遠鏡中包括兩個穿透型探測器，即第一穿透型探測器和第二穿透型探測器，且所述第一穿透型探測器和所述第二穿透型探測器相對設置，且位於所述聚乙烯轉換膜2和全耗盡探測器4之間。當半導體反衝質子望遠鏡為三重符合結構時，本發明實施例中不限定第一穿透型探測器和第二穿透型探測器的具體類型，第一穿透型探測器和第二穿透型探測器的類型可以相同，均可選為金矽面壘半導體探測器，也可以不相同。

為避免金剛石半導體反衝質子能量在空氣中衰減造成能量解析度變壞，真空腔室5需要保證一定真空，可選地，其真空度保持在幾十帕或百帕內均可；更加可選的，真空腔室5內的真空度小於或等於1帕，本實施例中優選的，真空腔室5內的真空度保持在1pa左右。

需要說明的是，本發明實施例中不限定真空腔室的具體形狀，可以是圓筒狀，也可以為長方體形狀，為減小反衝質子在傳輸過程中能量損失，真空腔室的長度可選為10cm～30cm，包括端點值。另外，本發明實施例對真空腔室的其他尺寸不做限定。

現有技術中金剛石探測器可以作為jet中子診斷工具，利用快中子與金剛石的相互作用如12c(n,α)9be直接測量反應產生的帶電粒子，響應相對較低，但現有技術中採用金剛石直接探測12c(n,α)反應產生的α粒子，未涉及採用金剛石探測器測量從輻射體中反衝出來的質子。

本申請中的金剛石半導體反衝質子望遠鏡的具體工作過程，如圖2所示，高能中子(>10mev)從入射面1照射在聚乙烯轉換膜2上，產生反衝質子；反衝質子經位於真空腔室5內穿透型探測器3在金剛石探測器4內沉積所有能量；穿透型探測器3和金剛石探測器4的信號輸出至電子學6中，經符合後作為多道分析器的門信號，金剛石探測器4的信號輸入到電子學6的多道分析器中，通過設置閾值甄別不同粒子和抑制背景。由於不同粒子在金剛石探測器4上的能量沉積不同，進而在多道分析器中產生脈衝高度不同，因此反衝質子能量高於12c(n,α)反應α粒子能量和其它散射粒子能量。根據多道分析器採集到的脈衝幅度譜，通過脈衝幅度甄別技術設置閾值可將反衝質子和α粒子及其它本底粒子進行甄別開，從而達到抑制背景散射及其他本底的目的。

本實施例中電子學6的結構如圖3所示，包括：與穿透型探測器3相連的穿透型探測器高壓電源31和前置放大器32；前置放大器32與主放大器33連接；與金剛石探測器4相連的金剛石探測器高壓電源41和前置放大器42；前置放大器42與主放大器43連接；穿透型探測器的主放大器33和金剛石探測器的主放大器43分別與符合器344相連，通過將穿透型探測器3和金剛石探測器4的輸出信號進行符合後，符合後的信號作為多道分析器347的門345的信號，多道分析器347採集到的金剛石探測器4輸出信號幅度譜，採用脈衝幅度甄別的方式，在多道幅度譜上設置閾值卡掉中子和金剛石探測器的反應本底及其它散射本底信號，根據不同粒子能量沉積大小通過設置閾值甄別不同粒子採用脈衝幅度甄別的方式扣除本底和抑制背景散射，從而將反衝質子從12c(n，α)反應α粒子和從其他粒子中甄別出來。

本實施例中不限定電子學中各結構的具體儀器的型號，可選的，主放大器採用572a放大器；金剛石探測器4的前置放大器為cx-l型號；穿透型矽探測器3的前置放大器為142ih型號。

綜上所述，本發明實施例提供的金剛石半導體反衝質子望遠鏡至少包括以下優點：

1.金剛石探測器抗輻照能力強，可以用於強流中子源、高能加速器及散裂中子源的中子輻射場的源強測量中。

2.由於聚乙烯轉換膜、穿透型探測器和金剛石探測器相對設置，能夠方便調整與中子入射方向垂直，獲取中子入射方向為0°的能量最大的中子，使得出射反衝質子有較高的能量。

3.穿透型探測器和金剛石探測器採用二重符合的方式，接收從0°方向出射的反衝質子，從而可抑制其它方向的散射本底。

4.電子學包括高壓電源、前置放大器、主放大器、符合電路和多道分析器，給穿透型探測器和金剛石探測器分別加高壓，輸出電荷信號各經過一個前置放大器轉換為適合線纜傳輸的電壓信號，並經主放大器進一步放大成形。這兩路信號經符合電路後，在時間上完全重合的信號被記錄下來，多道分析器將不同幅度的電壓信號分入各道，該電子學可用於不同能量粒子甄別，可分辨出反衝質子和12c(n,α)反應產生的α粒子本底。

5.電子學中多道分析器可通過改變甄別閾測得幅度較大脈衝卡掉中子反應產生的本底。

本發明提供的金剛石半導體反衝質子望遠鏡的全耗盡探測器採用耐輻照的金剛石探測器，利用反衝質子能量沉積產生輸出幅度大於12c(n,α)反應幅度的脈衝信號，從而採用脈衝幅度甄別技術抑制本底，有效解決了傳統矽半導體反衝質子望遠鏡測量中子能量在5mev以上時矽本底嚴重和在強流中子源、高能加速器及散裂中子源中子輻射場環境中容易導致輻照損傷的問題。

由於本發明提供的金剛石半導體反衝質子望遠鏡的抗輻照能力更強，可以避免使用屏蔽體對輻照進行屏蔽，從而相對於現有技術中抗輻照能力較差的反衝質子望遠鏡而言，本發明提供的反衝質子望遠鏡的結構更加簡單。

另外，本發明提供的金剛石半導體反衝質子望遠鏡中，中子反應本底可通過脈衝幅度甄別分辨開，對γ不靈敏，可實現n/γ甄別，散射影響小，時間響應快，性能穩定，適用於強流中子加速器、高能加速器和散裂中子源中子輻射場的源強度監測。

需要說明的是，本說明書中的各個實施例均採用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似的部分互相參見即可。

對所公開的實施例的上述說明，使本領域專業技術人員能夠實現或使用本發明。對這些實施例的多種修改對本領域的專業技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發明的精神或範圍的情況下，在其它實施例中實現。因此，本發明將不會被限制於本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的範圍。