一种复合转换层、热中子探测器及其制备方法

本发明涉及热中子探测器制备，尤其涉及一种复合转换层、热中子探测器及其制备方法。

背景技术：

1、金刚石探测器具有宽禁带、高载流子迁移率、强辐射硬度及低漏电流等特性，在高通量辐射环境下探测性能突出。金刚石的禁带宽度约5.5 ev，这一宽禁带特性使金刚石在室温下的热激发载流子极少，本底电流比硅探测器低数个数量级。金刚石的载流子迁移率约2000 cm²/v·s，远高于硅和碳化硅，载流子收集速度快，可实现高时间分辨率的脉冲信号探测。金刚石的强辐射硬度使其在高通量中子辐照下不会产生明显的辐射损伤，长期工作稳定性好。将6lif转换层与金刚石探测器结合，可以实现高性能热中子探测。

2、现有6lif转换层的制备主要采用如下三种工艺：

3、第一种是蒸发镀膜。该方法在真空环境下将6lif加热蒸发，气态的6lif在探测器表面冷凝沉积形成薄膜。镀膜层与基底之间仅为物理吸附，没有形成牢固的化学键合。在辐照或热循环条件下，两者的热膨胀系数差异导致界面应力，容易造成转换层脱落。

4、第二种是冷压成型。该方法将6lif粉末在模具中加压，使粉末颗粒在机械力作用下相互嵌合，压制成片后再贴合到探测器表面。冷压成型不需要高温处理，工艺简单。但转换层致密度不足，内部存在较多孔隙。孔隙的存在降低了转换层的有效密度，使热中子与6li的相互作用几率下降，热中子俘获效率偏低。

5、第三种是直接粉末涂覆。该方法将6lif粉末与粘合剂混合后直接涂布在探测器表面。粘合剂将粉末颗粒固定在一起，同时将转换层附着在探测器表面。直接粉末涂覆的操作简便，适合大面积制备。但涂覆工艺的厚度均匀性差，不同区域之间探测灵敏度不一致。

6、由此可见，上述三种工艺在转换层与探测器基体的结合方式上存在共同缺陷。转换层只是简单地附着在探测器表面，两者之间没有形成有效的机械互锁或化学键合。在高温、辐照或长期使用的条件下，转换层容易剥离，导致探测器失效。

7、因此，现有技术还有待于进一步的发展和提升。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明提出一种复合转换层、热中子探测器及其制备方法，旨在解决现有技术中转换层只是简单地附着在探测器表面，在高温、辐照或长期使用的条件下，转换层容易剥离，导致探测器失效。具体来说：

2、本申请实施例的第一方面，一种复合转换层，其中，包括：多孔金属支撑层和转换材料；所述多孔金属支撑层具有三维连通的孔隙结构；所述转换材料由含6li的可熔融无机化合物构成，填充并固化于所述多孔金属支撑层的孔隙中。

3、以下作为本发明的优选技术方案，但不作为对本发明提供的技术方案的限制，通过以下优选的技术方案，可以更好地达到和实现本发明的目的和有益效果。

4、作为优选的技术方案，所述的复合转换层，其中，所述多孔金属支撑层的热导率不低于50 w/m·k、孔隙率不低于70%。

5、本申请第二方面，一种热中子探测器，其中，包括：金刚石探测器基体和设置于所述金刚石探测器基体上的复合转换层；所述复合转换层为第一方面所述的复合转换层。

6、作为优选的技术方案，所述的热中子探测器，其中，还包括夹具，所述夹具将所述复合转换层和所述金刚石探测器基体夹持固定。

7、作为优选的技术方案，所述的热中子探测器，其中，所述多孔金属支撑层的通孔率不低于90%，孔隙率不低于70%，厚度为0.5~2 mm。

8、作为优选的技术方案，所述的热中子探测器，其中，所述多孔金属支撑层为泡沫铜、泡沫铝、泡沫镍或编织金属网中的一种。

9、作为优选的技术方案，所述的热中子探测器，其中，所述含6li的可熔融无机化合物包括两层或三层沿厚度方向层叠设置。

10、本申请第三方面，一种如上述所述的热中子探测器的制备方法，其中，包括：

11、将含6li的可熔融无机化合物置于多孔金属支撑层上；

12、加热至所述可熔融无机化合物的熔点以上，使熔融物通过毛细作用浸润并填充所述多孔金属支撑层的孔隙；冷却固化，形成所述复合转换层；

13、采用夹具将所述复合转换层和金刚石探测器基体夹持固定，得到所述热中子探测器。

14、作为优选的技术方案，所述的制备方法，其中，所述加热在惰性气氛或真空条件下进行，加热温度高于所述含6li的可熔融无机化合物的熔点。

15、作为优选的技术方案，所述的制备方法，其中，所述冷却的速率不超过3℃/min。

16、有益效果，与现有技术相比，本申请提供的复合转换层由于转换材料填充并固化于多孔金属支撑层的空隙中形成互锁结构，使得其在高通量辐照条件下不发生脱落。转换层在探测器寿命周期内的可靠性是影响探测器实用化的关键因素，本发明显著改善了这一指标。另外，采用多孔金属作为支撑层，避免了因热积累引起的金刚石载流子迁移率下降及漏电流增大，提升了探测器的长期稳定性。

1.一种复合转换层，其特征在于，包括：多孔金属支撑层和转换材料；所述多孔金属支撑层具有三维连通的孔隙结构；所述转换材料由含6li的可熔融无机化合物构成，填充并固化于所述多孔金属支撑层的孔隙中。

2. 根据权利要求1所述的复合转换层，其特征在于，所述多孔金属支撑层的热导率不低于50 w/m·k、孔隙率不低于70%。

3.一种热中子探测器，其特征在于，包括：金刚石探测器基体和设置于所述金刚石探测器基体上的复合转换层；所述复合转换层为权利要求1所述的复合转换层。

4.根据权利要求3所述的热中子探测器，其特征在于，还包括夹具，所述夹具将所述复合转换层和所述金刚石探测器基体夹持固定。

5. 根据权利要求3所述的热中子探测器，其特征在于，所述多孔金属支撑层的通孔率不低于90%，孔隙率不低于70%，厚度为0.5~2 mm。

6.根据权利要求3所述的热中子探测器，其特征在于，所述多孔金属支撑层为泡沫铜、泡沫铝、泡沫镍或编织金属网中的一种。

7.根据权利要求3所述的热中子探测器，其特征在于，所述含6li的可熔融无机化合物包括两层或三层沿厚度方向层叠设置。

8.一种如权利要求3所述的热中子探测器的制备方法，其特征在于，包括：

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述加热在惰性气氛或真空条件下进行，加热温度高于所述含6li的可熔融无机化合物的熔点。

10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述冷却的速率不超过3℃/min。