专利名称：一种掺钆阻性板及其构成的探测器的制作方法
技术领域：
本发明涉及气体探测器，尤其涉及一种掺钆阻性板及其构成的探测器。
背景技术：
阻性板探测器是一种用于探测高能粒子的气体探测器，现有技术中的阻性板探测 器直接利用高体电阻率的绝缘阻性板加载工作高压来形成工作电场，当外部入射粒子照射 或穿越阻性板探测器，将电离阻性板探测器内部某区域的工作气体而产生电离粒子；电离 粒子在由加载到石墨电极的外部工作高压形成的强电场作用下，进而发生雪崩放大和流光 放大，产生雪崩信号或流光信号。阻性板探测器的结构如图1所示，两块阻性板1平行放置，分别在所述两块阻性板 1的外表面涂覆一层均勻的石墨电极2作为供电的阴极和阳极，在石墨电极2的外层通过一 层的绝缘材料3和与印刷电路板信号电极4相连。外部入射粒子电离该结构阻性板探测器 内某区域的工作气体后，电离粒子进而发生雪崩放大和流光放大，产生雪崩信号或流光信 号后，在该阻性板的阴阳电极相应区域表面会同时导致电场的变化，这些感应电荷少部分 被阻性板介质吸收掉，其余大部分在经过该绝缘材料3，将在印刷电路板读数电极4上感应 出相应信号，以此获知入射粒子的击中位置、感应电荷以及时间响应等特性。与高能带电粒子和高能光子不同，中子不会与探测器介质发生以库仑作用为媒介 的电磁相互作用、电离或激发介质原子；亦不会与介质发生光电效应、康普顿散射等，所以， 中子不易被直接探测，一般是通过与探测器介质的原子核发生的核散射或核反应来实现对 中子的探测。常见的热中子探测器一般为位置精度很高的成像用探测器，不但有效探测面积 小，而且价格昂贵，不利于监测大面积有中子辐射的背景场。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种造价低的掺钆阻性板，所要解决的技术问题是使 其能够用来探测热中子。为此，本发明所提供的一种掺钆阻性板，包括掺钆涂层面纸、面纸以及位于所述掺钆涂层面纸和面纸之间的内芯材料；其中所述掺钆涂层面纸印刷有掺钆涂层；其中所述面纸为浸渍了三聚氰胺树脂的装饰板专用钛白装饰纸；其中所述内芯材料为浸渍了酚醛树脂后的电工绝缘浸渍纸。本发明还提供一种制作上述掺钆阻性板的制作方法，以使能够制作出上述结构的 掺钆阻性板，所述方法包括以下步骤掺钆涂层面纸制作步骤，包括将氧化钆粉末混合在胶液中，通过凹版印刷技术将 其转移到一面纸上，干燥后将所述面纸进行三聚氰胺胶液的浸胶，使其表面再涂覆一层三 聚氰胺胶液，经过干燥并半固化，成为掺钆涂层面纸；
内芯材料制作步骤，包括将电工绝缘浸渍纸浸渍酚醛树脂，然后干燥并半固化， 成为内芯材料；面纸制作步骤，包括将装饰板专用钛白装饰纸浸渍三聚氰胺树脂，然后干燥并固 化，成为面纸；一体成型步骤，包括将所述掺钆涂层面纸、内芯材料以及面纸依次叠放，然后在 一定高温高压下采用电镀抛光不锈钢模板进行压制，从而制成掺钆阻性板。本发明的另一目的是提供一种易于大规模生产的大面积、低成本的掺钆阻性板探 测器，以使能够从多粒子源中分辨出热中子，所述探测器包括两块相向而对的阻性板，其一侧分别与所述两块阻性板外侧相连的两块石墨电 极，分别通过一绝缘膜与所述两块石墨电极另一侧相连的两块读数电极，所述其中一块或 全部两块阻性板为掺钆阻性板，所述探测器通过两块石墨电极来加载工作电压。本发明还提供一种可进行位置分辨的单层掺钆阻性板探测器，包括两块相向而 对的阻性板，其一侧分别与所述两块阻性板外侧相连的两块石墨电极，分别通过一绝缘膜 与所述两块石墨电极另一侧相连的两块读数电极，所述其中一块或全部两块阻性板为掺钆 阻性板；所述探测器通过两块石墨电极来加载工作电压；其中所述高电位的石墨电极为由 多个交叉相邻的A类石墨电极和B类石墨电极矩阵单元构成的矩阵电极，所述A类石墨电 极与B类石墨电极并分别加载不同的高电位电压；与所述高电位石墨电极相连的读数电极 也为由多个A类读数电极和多个B类读数电极交叉相连构成的矩阵电极；所述多个A类读 数电极和多个B类读数电极分别与多个A类石墨电极和B类石墨电极的位置一一对应。优选地，所述加载在A类石墨电极与B类石墨电极上的电压具有500-1000V的电 压压差。本发明提供一种双层掺钆阻性板探测器，包括两个采用所述掺钆阻性板探测器结构的第一探测器和第二探测器；其中所述第一探测器和第二探测器公用一读数电极；所述第一探测器和第二探测器工作电压具有一定的电压差。优选地，与所述公用读数电极相邻的第一探测器和第二探测器的石墨电极加载同 样的电压，所述第一探测器和第二探测器另一石墨电极加载不同的电压。优选地，所述电压差为500-1000V。优选地，所述第一探测器和第二探测器另一读数电极为矩阵电极。本发明提供一种采用掺钆阻性板探测器探测热中子的方法，所述方法为对掺钆阻性探测器加载不同工作高压；当外部入射粒子与所述掺钆阻性探测器发生反应时，判断在所述不同工作高压下 所述探测器读数电极上感应到信号的幅度谱是否不一致，是则入射粒子为中子，否则所述 外部粒子为伽马光子或者其它粒子。本发明还提供一种采用单层掺钆阻性板探测器探测热中子的方法，所述方法为将单层掺钆阻性板探测器的A类石墨电极和多个B类石墨电极分别加载不同的电 压；判别任意两个相邻位置的A类读数电极和B类读数电极感应出信号的幅度谱是否 不一致，是则所述外部粒子为热中子，否则所述外部入射粒子为伽马光子或者其它粒子。
本发明还提供一种采用双层掺钆阻性板探测器探测热中子的方法，所述方法为分别对两个掺钆阻性板探测器加载不同的工作电压；当外部入射粒子与所述掺钆阻性探测器发生反应时，判断所述两个掺钆阻性板探 测器的另一读数电极所感应出信号的幅度谱是否不一致，是则所述外部入射粒子为热中 子，否则所述外部入射粒子为伽马光子或者其它粒子。所述判断的方法还包括将所述两个掺钆阻性板探测器另一读数电极划分成由多个矩阵单元构成的矩阵 电极；当外部入射粒子与所述掺钆阻性探测器发生反应时，判断两个掺钆阻性板探测任 意一相对应位置处矩阵单元输出的信号幅度谱是否不一致，是则所述该矩阵单元位置处的 所述外部入射粒子为热中子，否则所述外部入射粒子为伽马光子或者其它粒子。由上述技术方案可知，本发明的实施例通过采用一种掺钆阻性板制作成的探测 器，从而能从多粒子源中分辨出热中子，具有以下有益效果1、所述掺钆阻性板材料为碳氢物质，为很好的中子慢化体，并且对Y光子不敏 感，能够很好地甄别出热中子；2、所述采用掺钆阻性板构成探测器的几何结构简单，尺寸范围很宽，可制作面积 很大的探测器，相比于其他探测器，本发明的探测器造价低廉，而且易于大规模生产，可以 制作大面积、低成本的墙式探测器，来实现对环境中子本底的监测。3、可以通过单个的探测器自我对比信号，实现对入射束流中是否有热中子成分进 行甄别，也可以通过将供电电极(石墨电极)和读数电极划分成矩阵电极来将进一步地分 辨热中子源的具体位置。通过以下参照附图对优选实施例的说明，本发明的上述以及其它目的、特征和优 点将更加明显。
图1为现有技术中阻性板探测器的结构示意图；图2为本发明采用掺钆阻性板探测中子源和伽马光子源的信号幅度谱。图3是本发明采用掺钆阻性板探测中子源和伽马光子源的信号幅度谱峰位中心 值随工作电压的变化曲线图；图4是本发明一种掺钆阻性板的结构示意图；图5是本发明一种实施例掺钆阻性板探测器的结构示意图；图6是图5所示的单层掺钆阻性板探测器的一种矩阵结构石墨电极的示意图；图7是图5所示的单层掺钆阻性板探测器的一种矩阵结构读数电极的示意图；图8是本发明另一种实施例双层掺钆阻性板探测器的结构示意图；图9是图8所示的双层掺钆阻性板探测器的一种矩阵结构读数电极的示意图。
具体实施例方式下面将详细描述本发明的具体实施例。应当注意，这里描述的实施例只用于举例 说明，并不用于限制本发明。
在详细描述本发明之前，这里以识别中子源和伽马光子源为例，先说明一下本发 明的掺钆阻性板探测器从不同粒子中甄别出热中子的原理。在阻性板探测器工作区域加载不同工作电压，会在阻性板探测器局部范围内形成 不同的电场，而钆原子与热中子反应的多粒子效应在不同的电场中的雪崩、流光放大程度 不一样，探测到的信号幅度也不一样，因此掺钆阻性板探测器在不同工作高压时，接受中子 源和伽马光子源的辐照，其探测到的幅度谱不同，如图2所示。在不同工作高压条件下，掺 钆阻性板探测器探测到的伽马光子的幅度谱是比较稳定的，而探测到的中子源的幅度谱则 随探测器工作高压的提高而逐渐增大。将上述幅度谱进行高斯拟合，获取其幅度谱峰位中心值数据，其随着不同工作高 压的变化趋势如图3所示。很明显的看到当阻性板探测器的工作高压达到额定工作条件 时，继续增大工作高压，其探测到的伽马光子的的幅度谱基本不再变化，但探测到的中子源 的幅度谱始终呈增大趋势。由此可以简单的选择不同的工作高压，同时探测中子源和伽马 光子放射源，比较其幅度谱峰位的差异，即可实现对中子源和伽马光子源的甄别。因此，本发明提供一种阻性板探测器，该探测器采用掺钆阻性板，对该探测器工作 区域加载不同的工作电压，使热中子与钆反应，根据从该探测器读数电极感应到信号幅度 谱的差异，从外部入射粒子中分辨出热中子。在说明本发明阻性板探测器之前，结合图4所示的掺钆阻性板的结构，先描述一 下掺钆阻性板的制作工艺。如图4所示，掺钆阻性板分为三层，一层是掺钆涂层面纸41，一层是普通面纸43， 在普通面纸43和掺钆涂层面纸41之间是一层内芯材料42。具体地，掺钆涂层面纸41通过下列步骤来制作将氧化钆粉末混合在胶液中，通 过凹版印刷技术将其转移到面纸上，干燥后完成掺钆涂层的印制；将上述印刷了掺钆涂层 的面纸进行三聚氰胺胶液的浸胶，使其表面再涂覆一层三聚氰胺胶液，经过干燥烘箱干燥 并半固化，成为掺钆涂层面纸41。掺钆涂层的厚度可以通过改变胶液的浓度、印刷次数、凹 版印刷机的刮刀与面纸的间距等方法进行调节。涂层厚度将影响吸收层对中子的探测效 率。具体地，面纸43采用装饰板专用钛白装饰纸，浸渍三聚氰胺树脂，经过干燥烘箱 干燥并固化，成为面纸43。具体地，内芯材料42采用电工绝缘浸渍纸浸渍酚醛树脂，经过干燥烘箱进行干燥 并半固化，成为内芯材料42。上述各层制作完毕之后，然后按照图4所示的方法将掺钆涂层面纸41、内芯材料 42、面纸43依次叠放后，用电镀抛光不锈钢模板44经高温高压压制成复合层压板，为掺钆 阻性板。在压制材料和压制钢板之间，可以加入脱模剂45，由此可提高阻性板的表面光洁度。这里须说明的是掺钆涂层面纸41、内芯材料42、面纸43的干燥固化情况将会影响 阻性板体电阻率，调节其在干燥烘箱内的干燥时间，可完成对阻性板材料体电阻率的控制。 并且在上述高温高压一体成型压制过程中，通过调整温度、压力、压制时间，将会调节阻性 板材料的体电阻率等性能。采用上述掺钆阻性板制作的探测器，根据本发明的一个具体实施例，其具体结构如图5所示，主要包括两块阻性板、两个石墨电极以及两个读数电极。其中两块阻性板51相 向而对，其中一块阻性板上涂有掺钆涂层56，两层阻性板中间可以通过垫片形成气隙55 ； 通过两个石墨层52分别给两块阻性板51加载工作电压，其中一个石墨电极加载高电位的 电压，另一块石墨电极加载低电位的电压(高电位的石墨电极也称为阳极石墨电极，低电 位的石墨电极也称为阴极石墨电极)；两块读数电极54分别通过绝缘膜53与石墨层52进 行绝缘，与阳极石墨电极相邻的读数电极为阳极读数电极，与阴极石墨电极相邻的读数电 极为阴极读数电极，阴极读数电极一般为完整的接地铜膜电极。所述两个石墨电极所加载高电位和低电位的工作电压，其高电位和低电位的压差 需要满足使探测器能够工作在流光模式下的条件，依据所采用的阻性板材料体电阻率的不 同，其工作高压有所不同，优选地，此掺钆阻性板探测器的工作高压在7000v以上。优选地，上述结构中的探测器中的两块阻性板都可以采用掺钆阻性板，以使更加 提高探测器的性能。所述探测器在有一定能量的粒子(带电粒子、伽马光子)照射或穿越时，将电离阻 性板探测器内部某区域的工作气体而产生电离粒子；电离粒子在由加载到石墨电极的外部 工作高压形成的强电场作用下，进而发生雪崩放大和流光放大，产生雪崩信号或流光信号。 当热中子束流57入射辐照掺钆阻性板探测器的某个工作区域时，热中子会与该工作区域 内掺钆涂层中的钆原子发生瞬发核反应，产生俄歇电子、Y射线、X射线、内转换电子等次 级粒子。这些次级粒子同样在该探测器内部会电离工作气体产生正负离子对，在强电场作 用下，进而发生雪崩放大或流光放大，形成雪崩信号或流光信号。一个中子被钆俘获发生瞬 发核反应的效果，相当于多个带电粒子或多个伽马光子同时入射同一位置的效果。当阻性板探测器工作于稳定状态，在非中子束流照射时，其探测器内产生的流光 信号大小将于入射粒子无关，其读数电极感应到的信号幅度谱将不随工作高压的变化而变 化。而当热中子入射时，将与探测器内部的掺钆涂层发生中子俘获，发生瞬发核反应，产生 多个次级粒子，由于多粒子效应，其在探测器读数电极上感应的信号幅度将随工作高压的 不同而有所差异。通过改变石墨电极所加载的工作电压，观察读数电极感应出的信号58，如 果随着工作电压的增大，感应信号的幅度谱比较稳定，则该外部粒子源不是热中子，反之如 果随着工作电压的增大，读出信号的幅度谱也逐渐增大，则该外部粒子源为热中子源。上述采用探测器分辨热中子的方法中，需要不断改变探测器的工作电压，而探测 器的工作电压是通过两个石墨电极加载的，为了更加清楚地分辨出热中子流的位置，根据 本发明的另一个实施例，将阳极石墨电极划分为块状矩阵型的电极，不同的矩阵单元加载 不同的电压，以此实现在同一个探测器局部区域内加载不同的工作电压，从而在不同区域 形成不同的电场。如图6所示，阳极石墨电极分为交叉相邻的多个A类石墨电极61和多个B类石墨 电极62，A类石墨电极61和B类石墨电极62的数量依所要求位置的精度而定，位置精度要 求越高，其数量越多。A类石墨电极和B类石墨电极分别通过A类高压电缆63和B类高压 电缆64加载电压，其所加载的电压不同，为了易于观察信号幅度谱的变化，优选地，A类石 墨电极和B类石墨电极加载电压具有500-1000V的电压差。相应地，读数电极也需要为块状矩阵形状，具体结构如图7所示，读数电极也分为 多个A类读数电极71和多个B类读数电极72，分别与A类石墨电极61和多个B类石墨电极62的位置一一对应，A类读数电极71对应A类石墨电极61加载高压形成电场产生的信 号；B类读数电极71对应B类石墨电极62加载高压形成电场产生的信号。这里通过A类 信号电缆73和B类信号电缆74来输出多个A类读数电极71和多个B类读数电极72的信 号，通过比较相邻位置的A类读数电极和B类读数电极输出的信号幅度谱来判别入射粒子 是否为热中子。当然这里可以以相邻位置的4个矩阵单元组合为一个探测小单元，如图7 所示中的a、b、c、d矩阵单元组合为一个探测单元。a、d矩阵单元对应的电场不同于b、c矩 阵单元的电场，于是可以通过他们对相同放射源探测幅度谱的异同来分辨放射源是否有热 中子成分。根据本发明的另一个具体实施例，可以采用两层探测器结构的形式，分别对两层 探测器加载不同的工作电压来分辨外部带电粒子是否为热中子，具体结构如8所示，将两 个探测器并列放置，其中左侧的探测器为第一探测器，右侧的探测器为第二探测器，第一探 测器和第二探测器都采用图5所示的结构，其中第一探测器和第二探测器公用一个读数电 极87，一般来说，公用读数电极为接地电极，可以采用与阻性板相同大小的整块铜片。两层 探测器通过石墨电极所加载的工作电压不相同，这里在本发明中，不一定要求两层探测器 每个石墨电极所加载的电压都不相同，可依据具体的高压插件具有不同的加载方式，比如 说，可以采用同一个高压插件对两层探测器低电位的石墨电极加载同样的低电位电压，只 要满足两层探测器所加载的工作电压具有一定的电位差即可，优选地，具有500-1000V的 压差。这里注意的是，两层探测器中的四个阻性板81可以都为掺钆阻性板，也可以是每 个探测器中的任意一个阻性板用掺钆阻性板代替，具体依情况而定。为了更清楚地分辨出 热中子流的位置，第一探测器和第二探测器的位于两侧的另一个读数电极采用块状矩阵电 极，如图9所示，每个矩阵单元91都通过不同的信号电缆92引出信号，这样比较两层探测 器同一位置处矩阵单元的幅度谱(分别位于两侧的对应相同的公共读数电极位置的矩阵 读数电极单元)，如果发现某个矩阵单元输出的幅度谱不一致，则表明此矩阵单元位置处为 热中子源，反之，则不然。虽然已参照几个典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示 例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实 质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神 和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权 利要求所涵盖。
权利要求
1.一种掺钆阻性板，其特征在于，所述阻性板包括掺钆涂层面纸、面纸以及位于所述掺钆涂层面纸和面纸之间的内芯材料；其中所述掺 钆涂层面纸印刷有掺钆涂层；其中所述面纸为浸渍了三聚氰胺树脂的装饰板专用钛白装饰纸； 其中所述内芯材料为浸渍了酚醛树脂后的电工绝缘浸渍纸。
2.一种掺钆阻性板的制作方法，其特征在于，所述方法为掺钆涂层面纸制作步骤，包括将氧化钆粉末混合在胶液中，通过凹版印刷技术将其转 移到一面纸上，干燥后将所述面纸进行三聚氰胺胶液的浸胶，使其表面再涂覆一层三聚氰 胺胶液，经过干燥并半固化，成为掺钆涂层面纸；内芯材料制作步骤，包括将电工绝缘浸渍纸浸渍酚醛树脂，然后干燥并半固化，成为 内芯材料；面纸制作步骤，包括将装饰板专用钛白装饰纸浸渍三聚氰胺树脂，然后干燥并固化， 成为面纸；一体成型步骤，包括将所述掺钆涂层面纸、内芯材料以及面纸依次叠放，然后在一定 高温高压下采用电镀抛光不锈钢模板进行压制，从而制成掺钆阻性板。
3.一种掺钆阻性板探测器，包括两块相向而对的阻性板，其一侧分别与所述两块阻 性板外侧相连的两块石墨电极，分别通过一绝缘膜与所述两块石墨电极另一侧相连的两块 读数电极，其特征在于，所述其中一块或全部两块阻性板为掺钆阻性板，所述探测器通过两 块石墨电极来加载工作电压。
4.一种单层掺钆阻性板探测器，包括两块相向而对的阻性板，其一侧分别与所述两 块阻性板外侧相连的两块石墨电极，分别通过一绝缘膜与所述两块石墨电极另一侧相连的 两块读数电极，其特征在于，所述其中一块或全部两块阻性板为掺钆阻性板； 所述探测器通过两块石墨电极来加载工作电压；其中所述高电位的石墨电极为由多个交叉相邻的A类石墨电极和B类石墨电极矩阵单 元构成的矩阵电极，所述A类石墨电极与B类石墨电极并分别加载不同的高电位电压；与所述高电位石墨电极相连的读数电极也为由多个A类读数电极和多个B类读数电极 交叉相连构成的矩阵电极；所述多个A类读数电极和多个B类读数电极分别与多个A类石墨电极和B类石墨电极 的位置一一对应。
5.根据权利要求4所述的探测器，其特征在于，所述加载在A类石墨电极与B类石墨电 极上的电压具有500-1000V的电压压差。
6.一种双层掺钆阻性板探测器，其特征在于，包括 两个并联的权利要求3所述的第一探测器和第二探测器； 其中所述第一探测器和第二探测器公用一读数电极； 所述第一探测器和第二探测器工作电压具有一定的电压差。
7.根据权利要求6所述的探测器，其特征在于，与所述公用读数电极相邻的第一探测 器和第二探测器的石墨电极加载同样的电压，所述第一探测器和第二探测器另一石墨电极 加载不同的电压。
8.根据权利要求6或7所述的探测器，其特征在于，所述电压差为500-1000V。
9.根据权利要求6或7所述的探测器，其特征在于，所述第一探测器和第二探测器另一 读数电极为矩阵电极。
10.一种采用掺钆阻性板探测器探测热中子的方法，其特征在于，所述方法为 对掺钆阻性探测器加载不同工作高压；当外部入射粒子与所述掺钆阻性探测器发生反应时，判断在所述不同工作高压下所述 探测器读数电极上感应到信号的幅度谱是否不一致，是则入射粒子为中子，否则所述外部 粒子为伽马光子或者其它粒子。
11.一种采用单层掺钆阻性板探测器探测热中子的方法，其特征在于，所述方法为 将单层掺钆阻性板探测器的A类石墨电极和多个B类石墨电极分别加载不同的电压； 判别任意两个相邻位置的A类读数电极和B类读数电极感应出信号的幅度谱是否不一致，是则所述外部粒子为热中子，否则所述外部入射粒子为伽马光子或者其它粒子。
12. —种采用双层掺钆阻性板探测器探测热中子的方法，其特征在于，所述方法为 分别对两个掺钆阻性板探测器加载不同的工作电压；当外部入射粒子与所述掺钆阻性探测器发生反应时，判断所述两个掺钆阻性板探测器 的另一读数电极所感应出信号的幅度谱是否不一致，是则所述外部入射粒子为热中子，否 则所述外部入射粒子为伽马光子或者其它粒子。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述判断的方法还包括将所述两个掺钆阻性板探测器另一读数电极划分成由多个矩阵单元构成的矩阵电极；当外部入射粒子与所述掺钆阻性探测器发生反应时，判断两个掺钆阻性板探测任意一 相对应位置处矩阵单元输出的信号幅度谱是否不一致，是则所述该矩阵单元位置处的所述 外部入射粒子为热中子，否则所述外部入射粒子为伽马光子或者其它粒子。
全文摘要
本发明公开了一种掺钆阻性板及其构成的探测器，所述由掺钆阻性板构成的探测器通过不同的加载电压结构方式为其加载不同工作电压，根据热中子在不同电工作高压下与探测器发生反应后感应信号的幅度谱不稳定的特点，从而从多粒子中甄别出热中子源。本发明的掺钆阻性板造价低廉，且易于大规模生产的大面积的探测器，并且所制成的探测器具有很好的热中子分辨能力。
文档编号G01T3/00GK101995581SQ20091016972
公开日2011年3月30日 申请日期2009年8月28日 优先权日2009年8月28日
发明者张家文, 王贻芳, 钱森 申请人:中国科学院高能物理研究所