中子探测探头及中子探测芯片的制作方法

本实用新型涉及辐射探测技术领域，特别是涉及一种中子探测探头及中子探测芯片。

背景技术：

辐射探测是一种通过辐射探测器观察特定对象的微观现象的技术手段。其中，辐射探测器是辐射探测的核心设备，其主要是利用粒子与物质的相互作用的原理，将核辐射和粒子的微观现象表征为可观察的宏观现象。传统的辐射探测器主要有气体电离探测器、半导体探测器和闪烁探测器三大类。

其中，传统的辐射探测器利用的粒子与物质的相互作用的原理，主要是利用带电粒子与半导体材料的相互作用，使半导体材料产生电信号，从测量电信号来计算辐射信息。然而，中子作为一种中性粒子，传统的半导体材料无法与中子产生相互作用，即通过半导体材料无法探测中子的辐射信息。

技术实现要素：

基于此，有必要针对传统的半导体材料无法与中子产生相互作用，即通过半导体材料无法探测中子的辐射信息的缺陷，提供一种中子探测探头及中子探测芯片。

一种中子探测探头，包括半导体器件以及设置在所述半导体器件一侧的中子转换层；

所述中子转换层用于将入射中子转换为反应信号；

所述半导体器件用于根据所述反应信号生成探测信号。

上述的中子探测探头，通过中子转换层将入射中子转换为反应信号，并通过半导体器件根据反应信号生成探测信号。基于此，可通过计算半导体器件生成的探测信号，计算入射中子对应的探测。

在其中一个实施例中，所述半导体器件包括pn结，所述中子转换层包括⁶lif层；

所述⁶lif层设置在所述pn结的n区表面。

在其中一个实施例中，所述半导体器件包括光电式半导体，所述中子转换层包括⁶lif和zns(ag)混合涂层。

在其中一个实施例中，所述⁶lif和zns(ag)混合涂层的厚度为400至500μm。

在其中一个实施例中，还包括设置在所述光电式半导体与所述⁶lif和zns(ag)混合涂层间的保护层。

一种中子探测芯片，包括芯片外壳，以及设置在芯片外壳内的脉冲模式电路、电流模式电路和如上述任一实施例的中子探测探头；

其中，所述脉冲模式电路包括前置放大单元和次级主放大单元；所述前置放大单元的输入端用于在所述中子探测探头的剂量率小于等于剂量限定值时获取所述中子探测探头的探测信号；所述前置放大单元的输出端用于通过所述次级主放大单元连接外部处理器；

其中，所述电流模式电路包括所述电流测量单元和所述电流转换单元；所述电流测量单元的输入端用于在所述中子探测探头的剂量率大于剂量限定值时获取所述中子探测探头的探测信号，所述电流测量单元的输出端用于通过所述电流转换单元连接外部处理器。

上述的中子探测芯片，剂量率小于等于剂量限定值时，通过脉冲模式电路获取中子探测探头的探测信号，其输出脉冲数与探测信号对应的中子数相同，外部处理器计算得到探测结果；而当剂量率大于剂量限定值，会超过脉冲模式电路计数率上限，此时采用电流模式电路，将测量到的电流转换为电压，通过外部处理器计算探测结果。基于此，在实现辐射探测设备的芯片化的同时，通过脉冲读出模式和电流读出模式协同工作，实现中子探测芯片对中子辐射的宽量程探测。

在其中一个实施例中，所述脉冲模式电路还包括幅度甄别单元和单稳态触发单元；

所述前置放大单元的输出端用于依次通过所述次级主放大单元、幅度甄别单元和单稳态触发单元连接外部处理器。

在其中一个实施例中，还包括设置在芯片外壳内的内置处理器；

所述前置放大单元的输出端通过所述次级主放大单元连接所述内置处理器；所述电流测量单元的输出端通过所述电流转换单元连接内置处理器。

在其中一个实施例中，前置放大单元包括电荷灵敏放大器，次级主放大单元包括成形滤波电路。

在其中一个实施例中，幅度甄别单元包括甄别器或第一模数转换电路，单稳态触发单元包括单稳态触发电路。

在其中一个实施例中，电流测量单元包括跨阻放大器或电流采样电路；电流转换单元可选用第二模数转换电路。

在其中一个实施例中，还包括升压模块；

其中，升压模块用于接入芯片级电压，并对芯片级电压作升压处理，将升压后的芯片级电压为中子探测探头提供偏压。

在其中一个实施例中，芯片外壳包括电磁屏蔽盒。

附图说明

图1为一实施方式的中子探测探头结构示意图；

图2为另一实施方式的中子探测探头结构示意图；

图3为一实施方式的中子探测芯片电路模块结构示意图；

图4为一实施方式的脉冲模式电路图；

图5为一实施方式的前置放大单元设计电路图；

图6为一实施方式的次级主放大单元设计电路图；

图7为另一实施方式的中子探测芯片电路模块结构示意图。

具体实施方式

为了更好地理解本实用新型的目的、技术方案以及技术效果，以下结合附图和实施例对本实用新型进行进一步的讲解说明。同时声明，以下所描述的实施例仅用于解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型实施例提供了一种中子探测探头。

一种中子探测探头，包括半导体器件以及设置在所述半导体器件一侧的中子转换层；

所述中子转换层用于将入射中子转换为反应信号；

所述半导体器件用于根据所述反应信号生成探测信号。

其中，中子探测探头在探测中子辐射时，中子转换层与入射中子产生反应，生成反应信号。在其中一个实施例中，反应信号包括电荷或光信号。

在其中一个实施例中，中子转换层包括转换材料为¹⁰b、⁶li、¹⁵⁸gd、¹⁵⁷gd或¹¹³cd等的转换层。作为一个较优的实施方式，中子转换层选用转换材料为⁶li的转换层。⁶li与热中子具有较大的反应界面，产生的次级带电粒子能量大，⁶li与中子发生核反应后会发射一个³h能量为e3h＝2.73mev以及一个α粒子能量为eα＝2.05mev。

在其中一个实施例中，基于⁶li转换材料可进一步选用⁶lif转换材料，⁶lif在单位质量内锂原子具有较高的密度。即，转换材料为⁶li的转换层可进一步选用转换材料为⁶lif的转换层。

其中，半导体器件接收中子转换层发射出的反应信号，半导体器件内部的半导体材料与反应信号产生相互作用，生成探测信号。在其中一个实施例中，探测信号为电信号。

在其中一个实施例中，图1为一实施方式的中子探测探头结构示意图，如图1所示，所述半导体器件包括pn结，所述中子转换层包括⁶lif层；

所述⁶lif层设置在所述pn结的n区表面。

如图1所示，⁶lif层设置在pn结的n区表面，在⁶lif层接收到入射中子后产生反应，生成α粒子作为反应信号。在应用一实施方式的中子探测探头时，pn结两端存在偏压，此时α粒子入射到pn结的耗尽层，会产生一个有效的脉冲信号，即探测信号。

在其中一个实施例中，半导体器件可选用二极管。

在其中一个实施例中，⁶lif层直接涂覆在pn结的n区表面，与pn结的n区直接接触。一般地，具备pn结的半导体器件表面均具有保护层，⁶lif层涂覆到保护层内，与pn结的n区表面直接接触。

需要注意的是，在满足探测信号的生成需求的前提下，⁶lif层还可设置在pn结的p区表面。

在其中一个实施例中，图2为另一实施方式的中子探测探头结构示意图，如图2所示，半导体器件包括光电式半导体，所述中子转换层包括⁶lif和zns(ag)混合涂层。

其中，如图2所示，⁶lif和zns(ag)混合涂层设置在光电式半导体一侧。由⁶lif和zns(ag)按一定比例混合组合形成闪烁体的⁶lif和zns(ag)混合涂层在接收到入射中子时，当中子入射与6li发生核反应后，产生的带电粒子在zns(ag)中沉积能量发出荧光，荧光入射到光电式半导体，光电式半导体通过光电效应转换为电信号，即探测信号。

在其中一个实施例中，光电式半导体包括pin半导体探测器或硅光电倍增管等。

在其中一个实施例中，⁶lif和zns(ag)混合涂层中⁶lif和zns(ag)的混合比例为：⁶lif：zns(ag)为1：4，或⁶lif：zns(ag)为1：2等。

在其中一个实施例中，⁶lif和zns(ag)混合涂层的厚度为400至500μm。通过厚度为400至500μm的⁶lif和zns(ag)混合涂层，平衡⁶lif和zns(ag)混合涂层的探测效率和透光性。

在其中一个实施例中，另一实施方式的中子探测探头还包括设置在所述光电式半导体与所述⁶lif和zns(ag)混合涂层间的保护层。作为一个较优的实施方式，⁶lif和zns(ag)混合涂层间的保护层包括环氧树脂层。

上述任一实施例的中子探测探头，通过中子转换层将入射中子转换为反应信号，并通过半导体器件根据反应信号生成探测信号。基于此，可通过计算半导体器件生成的探测信号，计算入射中子对应的探测。

本实用新型实施例还提供一种中子探测芯片。

图3为一实施方式的中子探测芯片电路模块结构示意图，如图3所示，一实施方式的中子探测芯片包括芯片外壳200，以及设置在芯片外壳200内的脉冲模式电路201、电流模式电路202和如上述任一实施例的中子探测探头203；

其中，所述脉冲模式电路201包括前置放大单元300和次级主放大单元301；所述前置放大单元300的输入端用于在所述中子探测探头203的剂量率小于等于剂量限定值时获取所述中子探测探头203的探测信号；所述前置放大单元300的输出端用于通过所述次级主放大单元301连接外部处理器；

其中，所述电流模式电路202包括所述电流测量单元400和所述电流转换单元401；所述电流测量单元400的输入端用于在所述中子探测探头203的剂量率大于剂量限定值时获取所述中子探测探头203的探测信号，所述电流测量单元400的输出端用于通过所述电流转换单元401连接外部处理器。

其中，探测信号的电信号大小与剂量率呈正相关，剂量率包括电流值或电荷值。剂量限定值包括预设电流值或预设电荷值。

在其中一个实施例中，中子探测探头203直接输出的探测信号为电离电荷信号，探测信号并无雪崩放大过程，探测信号的电荷量通常为0.1fc～100fc量级，正比于电离辐射沉积能量。在剂量率小于等于剂量限定值时，通过脉冲模式电路201获取中子探测探头203的探测信号，其输出脉冲数与探测信号对应的中子数相同，外部处理器计算得到探测结果；而当剂量率大于剂量限定值，会超过脉冲模式电路201计数率上限，此时采用电流模式电路202，将测量到的电流转换为电压，通过外部处理器计算探测结果。基于此，在实现辐射探测设备的芯片化的同时，通过脉冲读出模式和电流读出模式协同工作，实现中子探测芯片对中子辐射的宽量程探测。

在其中一个实施例中，脉冲模式电路201可选用jfet与晶体管等分立器件组合电路、jfet与运放等组合电路或基于cmos工艺的专用集成电路。作为一个较优的实施方式，脉冲模式电路201选用基于cmos工艺的专用集成电路。图4为一实施方式的脉冲模式电路201图，如图4所示，在基于cmos工艺的专用集成电路下，前置放大单元300包括电荷灵敏放大器500。电荷灵敏放大器500用于将电荷信号转换为电压信号，作为第一级放大，其噪声性能和频率特性对电路特性影响最大。次级主放大单元301包括成形滤波电路501。作为一个较优的实施方式，成形滤波电路501可选用带通滤波器，用于滤除无关频带的信号，提高输出信号的信噪比。在其中一个实施例中，幅度甄别单元302包括比较器502，通过比较器502输出数字信号。

作为一个较优的实施方式，为获得低噪声、低功耗和合适的增益带宽等，在电路图设计阶段可根据理论计算及仿真结果，选择合适的制程，逐步调整各晶体管的宽长比等参数。由于在集成电路内部实现高阻值电阻较为困难，可通过设计泄放电路泄放掉基于cmos工艺的专用集成电路中各反馈电容上积累的电荷。

在其中一个实施例中，图5为一实施方式的前置放大单元设计电路图，如图5所示，一实施方式的前置放大单元300具有获得低噪声、低功耗和合适的增益带宽等有益效果。

在其中一个实施例中，图6为一实施方式的次级主放大单元设计电路图，如图6所示，一实施方式的次级主放大单元301可有效地提高次级主放大单元301的输出信号的信噪比。

在其中一个实施例中，图7为另一实施方式的中子探测芯片电路模块结构示意图，如图7所示，脉冲模式电路201还包括幅度甄别单元302和单稳态触发单元303；

所述前置放大单元300的输出端用于依次通过所述次级主放大单元301、幅度甄别单元302和单稳态触发单元303连接外部处理器。

在其中一个实施例中，如图7所示，中子探测芯片还包括设置在芯片外壳200内的内置处理器204；

所述前置放大单元300的输出端通过所述次级主放大单元301连接所述内置处理器；所述电流测量单元400的输出端通过所述电流转换单元401连接内置处理器204。

其中，中子探测芯片还可通过内置处理器204，替换外部处理器，实现中子探测芯片的探测结果自计算，提高中子探测芯片的通用性。

在其中一个实施例中，幅度甄别单元302可选用甄别器或第一模数转换电路，并在甄别器或第一模数转换电路后级配置电压比较电路，以输出lvcmos数字信号至单稳态触发单元303。

在其中一个实施例中，单稳态触发单元303可选用单稳态触发电路。单稳态触发单元303接收幅度甄别单元302输出的数字信号，将幅度甄别单元302输出的数字信号转换为脉冲信号，并将脉冲信号给到外部或内置处理器，以便于外部或内置处理器通过脉冲信号计算辐射探测结果。

在其中一个实施例中，电流测量单元400可选用跨阻放大器或电流采样电路，用于将中子探测探头203中的电流信号转换为电压输出，作为一个较优的实施方式，在电流测量单元400的后级还配置有滤波电路，以滤除电流测量单元400的电压输出中的高频噪声。

在其中一个实施例中，电流转换单元401可选用第二模数转换电路，用于将电流测量单元400的电压输出转换为数字信号，以便于外部或内置处理器通过该数字信号计算辐射探测结果。

在其中一个实施例中，如图7所示，又一实施方式的中子探测芯片还包括升压模块600；

其中，升压模块600用于接入芯片级电压，并对芯片级电压作升压处理，将升压后的芯片级电压为中子探测探头203提供偏压。

在其中一个实施例中，升压模块600可选用变压器线圈或升压芯片。作为一个较优的实施方式，升压模块600选用升压芯片。

在其中一个实施例中，芯片外壳200选用电磁屏蔽盒，设置在芯片外壳200内的各电路成分布式布置，以提高电磁兼容性能。

作为一个较优的实施方式，芯片外壳200内设置有芯片基板，脉冲模式电路201、电流模式电路202、内置处理器204和中子探测探头203均固定在芯片基板上，脉冲模式电路201、电流模式电路202、处理器和中子探测探头203间的电气连接通过金线键合或倒装焊实现。

在其中一个实施例中，还通过塑料封装或陶瓷封装对中子探测芯片进行封装。

在其中一个实施例中，内置处理器204选用单片机或dsp处理器。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。