中子灵敏微通道板研究

目前NIST以及世界上多个大型中子散射装置，都在寻求以一种新的探测介质来应对3He气体资源严重匮乏的 问题。微通道板（microchannel plate, MCP）是一种具有二维空间、时间和能量分辨能力的电子倍增器，但其不具备对中子的探测能力，通过在MCP玻璃中掺杂中子灵敏核素，可使MCP的诸多优点应用到这种基于中子灵敏MCP的中子探测器中。本课题以中子灵敏MCP为研究对象，采用在MCP玻璃中掺杂10B或natGd以使MCP具备中子探测能力的方法，进行中子灵敏MCP设计制作和应用性能的研究，以阐明中子灵敏MCP的中子吸收、核反应产物粒子的出射及其引发通道中产生电子雪崩的机制，揭示中子灵敏MCP的中子吸收与探测效率、中子信号特性与MCP玻璃中的中子灵敏核素的数量密度以及MCP结构参数间的关联规律，为基于中子灵敏MCP的中子探测系统的研究奠定技术基础。

本课题以中子灵敏MCP为研究对象采用在MCP玻璃中掺杂B2O3和/或Gd2O3以使MCP具备中子探测能力。由此将MCP成像探测技术及其在空间、时间和能量分辨能力上的优点，拓展到以中子为探针的成像探测应用中。本课题共研制了四种不同掺杂natB2O3或/和natGd2O3含量的MCP玻璃，并制作成50mm外径10μm孔径的MCP。试验显示，尽管B2O3可以在MCP玻璃中较大量的引入，但掺20mol%natB2O3的MCP玻璃已难于满足MCP的制作工艺要求，而其它三种玻璃均通过了MCP的制作。同时，建立了基于MCP和WSA位置灵敏阳极的MCP成像探测器，并以X射线作为辐射物进行了成像探测实验，实验结果显示可达到145μm或4.5lp/mm以上的空间分辨力。.　　　对掺杂不同B2O3和Gd2O3含量的MCP的中子吸收概率和中子探测效率进行了预估，由于157Gd非常大的中子俘获截面，掺natGd2O3的玻璃MCP比掺浓缩10B2O3更有效，理论模型预示掺3mol%natGd2O3的MCP对热中子的探测效率相当于甚至是优于掺20mol%，在3mol%natGd2O3的基础上，再增加MCP玻璃中的中子吸收原子数量，对探测效率改善的效果并不明显。1片掺3mol%natGd2O3的有效玻璃面积40%，厚度为0.6mm的MCP的探测效率将达到34%。而通过合适斜切角、开口面积比和长径比的优化MCP结构，探测效率还具有相当程度的提高的潜力。因此掺natGd2O3的MCP是实现高效率中子灵敏MCP的一个很有前途的途径。.　　　通过将掺杂3mol%natGd2O3玻璃的中子敏感MCP加载在构筑的基于MCP和WSA位置灵敏阳极的成像探测器上，实现了以中子为探针的MCP成像探测，实验显示3mol%natGd2O3玻璃的MCP可以实现对热中子35%的探测效率，与理论模型基本吻合，稍高于预估值的原因是探测器可能并非垂直于中子流束，实验结果进一步的明确了今后的研究方向。