GdI3晶体中子伽马甄别及成像技术研究

Neutron radiography has been more widely used in aircraft (wing, fuel tank, engine, etc.), spacecraft components, electronic circuits, metallurgical parts, pieces of organic adhesive, non-destructive testing of nuclear fuel components and the hydride testing. Facing the global crisis in 3He gas supply, research on new types of neutron detector as an alternative to 3He is a research hotspot in the field of particle detection. 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 GdI3:Ce crystal has a high density, about 5.2g/cm3, and has high detection efficiency of γ. How to reduce the gamma ray detection efficiency and increase the n/γ ratio is the key to the application of GdI3:Ce crystal in neutron flux measurement and neutron imaging. The simplest method is to reduce the GdI3:Ce crystal thickness, while the preparation of GdI3:Ce thin film is the best means. On this basis, the project creatively utilizes the spatial difference between the internal conversion electrons and the instantaneous gamma ray energy deposition and the temporal correlation of the two, and carries out the research and imaging application of the neutron gamma discrimination technology.GdI3: Ce thin film in the field of nondestructive testing, neutron field in situ measurement will have a broad application prospects.

中子照相技术已广泛地应用于飞机（机翼、油箱、发动机等）、航天飞行器元件、火工品、电子线路、冶金部件、有机粘合件、核燃料组件的无损检测和氢化物的检测。面对3He气体资源严重短缺的国际形势，研究替代3He的新型中子探测器已成为粒子探测领域的研究热点。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，GdI3:Ce晶体密度大，约5.2g/cm3，对γ的探测效率很高。如何降低γ探测效率，提高n/γ比，是GdI3:Ce晶体用于中子通量测量、中子成像应用的关键。最简单的方法是降低GdI3:Ce晶体厚度，而制备GdI3:Ce薄膜是最理想的手段。在此基础上，本项目创造性利用内转换电子与瞬发伽马射线能量沉积的空间差异和两者的时序相关性，开展中子伽马甄别技术研究及成像应用。GdI3:Ce薄膜在无损检测领域，中子场原位测量方面必将具有广阔的应用前景。

由于3He 稀缺昂贵，替代3He的新型中子探测器研制正成为国内外研究热点。天然钆的热中子截面是3He、10B、6Li等同位素的20余倍，钆基闪烁体（GdI3:Ce）理所当然是最高效的中子探测器之一。但是，钆与中子反应后的次级粒子非常复杂，由一系列不同能量的瞬发伽马射线和内转换电子组成。钆基闪烁体密度较大，对伽马射线探测效率很高，而中子环境中通常伴随大量的本底伽马射线，如何区分这两种伽马射线（即中子伽马甄别）是钆基闪烁体（GdI3:Ce）用于中子探测或成像时必须解决的科学难题。围绕解决这一核心科学问题及其应用，本课题主要研究及成果如下：. 1、实现两种超薄钆基闪烁体制备。首先，通过大量GdI3:Ce真空镀膜实验，初步掌握了GdI3:Ce真空蒸镀、碘化铈掺杂、密封工艺流程及参数，成功研制了直径2英寸，厚度10μm左右的薄膜，并完成了紫外激化发射谱、伽马射线和中子响应能谱等基本性能测试。其次，通过机械打磨的方式成功制备了100μm厚的GAGG晶片，其性能直逼GdI3:Ce晶体，且不潮解，可用于中子通量测量及中低分辨率中子成像。. 2、物理建模和试验测试确定了钆与中子反应的瞬发伽马射线在4π空间内均匀分布，不存在特定角度分布。研制了基于FPGA的双通道数字多道系统，在镅铍中子源和锎252中子源开展中子探测实验，结果显示瞬发伽马射线与内转换电子几乎同时产生。结合超薄钆基闪烁体，利用内转换电子、瞬发γ射线的时序相关性实现n/γ甄别的特色方法确实可行，且适应所有钆基中子探测器。. 3、研制了两种中子成像系统，分别为基于SiPM阵列的低通量中子成像系统和基于科研级CMOS相机的高分辨率中子成像系统。低通量中子成像系统在热中子通量约10/cm2/s的镅铍中子源上测得“F”字样中子吸收投影，其空间分辨率约3mm。在见光环境下，用标准分辨率板测得高分辨率成像系统的空间分辨率好于20μm。用X射线源进行了模拟验证，当X光子通量达到105/cm2/s量级时，“LF1”中子吸收体投影清晰可见。