提高GdI3晶体中子探测效率的研究

Duo to the widespread applications of neutron detection in the fields of nuclear power plant, nuclear physics research and environmental monitoring,etc,in recent years, research on the neutron detector receives more and more attention in material science and physics. Rare-earth element gadolinium (Gd) has very large cross-section to thermal neutrons (of the order of 100000 barn) which is more than 20 times greater than other usual converters,like 3He,10B and 7Li, makes it ideal to use for theromal neutron detection and absorbing material theoretically. Increasing attention has beening paid to the research of neutron detection by using the property of gadolinium, especially neutron scintillator detector based on Gd. With excellent properties such as large cross section,high light output,short decay time and so on,GdI3: Ce crystals becomes a leading candidate of new inorganic neutron detector. However,the reaction product ingredients between Gd and thermal neutron are very complicated, including internal conversion electron, γ-rays, etc., and the gamma ray energy range is very wide, resulting in GdI3: Ce crystals are still far away from commercial application. This research will innovatively foucs on the differences of location producing fluorescence in GdI3:Ce crystal between internal conversion electrons and the background γ-rays, solving the key scientific problems including the mechanism producing fluorescence produced by the secondary particle, transportation, and efficiently collecting in the crystal. The goal of this project is to achieve screening gamma rays, and effectively improve the thermal neutron detection efficiency.

近年来，随着中子探测在核能利用、核物理研究和环境监测等领域应用的日益广泛，对中子探测器的研究越来越受到材料学和物理学者的重视。稀土元素钆（Gd）的热中子反应截面为十万量级，是其他常用核素如氦3、硼10、锂7 的20倍以上，是非常理想的中子探测、吸收材料。利用钆的这一特性进行中子探测研究，特别是基于Gd的中子闪烁体探测器越来越受到人们的广泛关注。GdI3:Ce晶体以中子响应截面大、光输出高、衰减时间短等优异的特性成为新型无机中子探测器中的佼佼者。但是，Gd与热中子的反应产物成份复杂，包括内转换电子、γ射线等，且γ射线的能量范围很宽，导致GdI3:Ce晶体离商业应用尚远。本项目创造性地依据内转换电子与本底γ射线在GdI3:Ce晶体内产生荧光的位置差异，通过解决这些次级粒子在晶体内荧光产生的机制、运输到高效收集所面临的关键科学问题，从而达到甄别γ射线，并有效提高热中子探测效率的研究目标。

近年来，随着中子探测在核能利用、核物理研究和环境监测等领域应用的日益广泛，对中子探测器的研究越来越受到材料学和物理学者的重视。稀土元素钆（Gd）的热中子反应截面为十万量级，是其他常用核素如氦3、硼10、锂7 的20倍以上，是非常理想的中子探测、吸收材料。利用钆的这一特性进行中子探测研究，特别是基于Gd的中子闪烁体探测器越来越受到人们的广泛关注。GdI3:Ce晶体以中子响应截面大、光输出高、衰减时间短等优异的特性成为新型无机中子探测器中的佼佼者。本课题以提高GdI3:Ce晶体中子探测性能为目标，主要研究工作及成果如下：.1、利用Geant4软件包对GdI3:Ce晶体与中子反应的物理过程建模，研究GdI3:Ce晶体厚度与不同能量伽玛、热中子探测效率的关系，优化n/γ甄别方案。模拟算出了GdI3:Ce晶体的内转换电子谱、瞬发伽玛发射谱，内转换电子、伽玛能量沉积过程，由此得出GdI3:Ce晶体测量热中子的理想厚度为250μm。如果单独以内转换电子作为热中子计数，GdI3:Ce晶体的最大探测效率约为67%；如果考虑瞬发伽玛的奉献，其整体热中子探测效率为72%。在此基础上，模拟计算了屏蔽材料及厚度对中子、伽玛探测的影响，2mm厚的铅或锡是最佳方案，并通过实验验证了铅屏蔽方案。.2、掌握了真空石英坩埚下降法生长GdI3:Ce晶体的工艺流程及参数，获得了GdI3:Ce晶体各项性能数据，在国内尚属首次。XRD分析表明掺杂晶体GdI3:2%Ce与纯GdI3晶体结构物相相同。X射线激发发射(XEL)和紫外激发发射谱(PL）测试GdI3:2%Ce晶体在450~700nm有宽带发光峰，发光峰位分别位于520nm和550nm，对应于Ce3+的5d-4f跃迁发光。以550nm为监控波长测得紫外激发谱的波长为262nm、335nm、440nm。GdI3:2%Ce 晶体在137Cs源伽马射线(662KeV) 激发下能量分辨率为3.4%，通过高斯拟合得到的衰减时间为58±3ns。.3、采用2mm铅板屏蔽本底伽玛，GdI3:Ce晶体在Cf252放射源前面测得了明显的中子峰，峰位约80Kev。相比原有晶体，本课题研制的新晶体中子探测性能明显改善，n/γ比提高了3倍以上。