先进辐射探测器

Advanced radiation detector

l有机玻璃固体剂量计SNT-KN：目前辐照加工行业普遍依赖进口Steris（原Harwell）公司旗下产品Red 4034作为日常辐照加工活动的监控剂量计，其基于分光光度法估算受照剂量（CV≤±2%），货单价或高达12元/片。为突破对中技术封锁与产品垄断，本团队已初步实现了国产有机玻璃固体剂量计SNT-KN的小规模生产（CV≤±2.5%），较进口产品，成本预计可节省至少40%，在未来力争国产替代。

l金刚石探测器：下一代核能技术开发需要新型中子探测器及相关 核心技术的支持，研发具有能谱响应范围宽、几何尺寸小、抗辐照性能好、适用温度高 的中子探测器可以为未来新堆型的开发提供可靠的中子测量技术手段。面向未来新型反 应堆的高性能中子探测器技术需求，在当前技术水平下一个可行的技术路线是研发基于 金刚石的中子探测器。金刚石作为新型半导体材料，具有禁带宽、耐高温、抗辐照、导热好等特性，以其为基材有望开发性能优良的辐射探测器件。理论上可以实现；中子测量能谱从热中子到14MeV范围的有效探测；单个探测器芯片热中子探测效率不低于千分之五，测量精度±10%；探测器最高使用温度不低于300℃。

l微结构半导体中子探测器（MSND）：传统的中子探测器大多采用气体探测方式，存在探测效率低、体积大、工作电压高等缺点，在中子、γ混合场中易受γ射线干扰，难以适应技术发展的需求。通过在高阻硅上刻蚀沟槽、向沟槽中填充中子转换材料⁶LiF，自主研发了MSND，理论热中子探测效率可达30.7%，n/γ甄别比达7.6*10³。

图：有机玻璃固体剂量计

    图：微结构半导体中子探测芯片  

图：金刚石探测器

成果单位：深圳大学物理与光电工程学院 

成果负责人：吴正新

成果简介（300-500字）

l有机玻璃固体剂量计：适用于搭载Co-60放射源的高剂量辐照加工车间，基本尺寸为3×1（cm），包装方式为铝箔袋密封包装，每袋一片。适配传统分光光度法，未辐照呈橙红色，辐照后颜色加深转化为深红色，显色稳定，剂量读出变异系数≤±2.5%，量程为0-30 kGy。

l金刚石探测器：适用于运行温度高、中子能谱宽、高能中子占比高、中子通量高的第四代核反应堆，使用高电阻率的 PCB 板作为基板，板上设计镀金铜箔作为负极触点，通过压接方式与地接通。正极表面蒸镀一层28纳米厚的中子转换材料，在电极额外引出触点，使用金线引出。单个探测器芯片热中子探测效率不低于千分之五，测量精度±10%。

●微结构半导体中子探测器(MSND)：沟槽型的MSND相较于传统气体中子探测器、平面型半导体中子探测器，具有体积小、探测效率高、对γ射线不敏感、功耗低、易于集成等优点。采用3d微结构沟槽刻蚀工艺与致密填充工艺，使中子转换材料在半导体探测器中的灵敏体积与填充密度大幅提升，增加了中子与探测器反应的概率。理论热中子探测效率达30.7%，n/γ甄别比不低于10^3数量级。

技术创新

●有机玻璃固体剂量计SNT-KN：技术实现方面，该技术集有机化学、高分子化学、辐射化学、剂量学和辐射探测学作用于一体；应用创新方面，考虑到有机玻璃本身是一种高性能、低成本的透明轻质材料，本身与分光光度法高度适配，该法也是目前最主流、剂量读出最简便的方法，同时有机玻璃在我国已成功实现工业化生产，且相关工艺技术非常成熟，在后期实现大批量工业化生产落地的可能性更高；另一方面，考虑到高能辐射具有改变物质微观结构的特性，在外观上最直观的体现则是色彩变化，因此可通过分光光度法量化不同剂量下的色彩变化程度，以评估剂量与吸光度之间的关系，进一步实现剂量检测。目前，在辐射致色染料的选择上以有机染料为主，相比无机染料，有机染料与有机玻璃的相容性更好，同时其内部基团在辐照作用下发生的变化可通过红外光谱等手段快速表征，以便及时调整相关工艺参数。因此通过结合有机玻璃与辐射致色染料，其产物则是可对高剂量辐射场中的物品受照剂量进行检测的有机玻璃固体剂量计。

●金刚石探测器：通过中子灵敏材料及其沉积工艺，确定参数组合保证6LiF的致密性和附着效果，实现探测器小型化的封装工艺。研制金刚石中子探测器样片在线测试系统，实现热中子到快中子宽能谱范围中子的有效探测。金刚石单晶层作为本征层，⁶LiF作为中子转化层，利用中子与中子转化层发生反应产生的带电粒子在金刚石单晶层中的电离来实现中子探测。本发明提供的所述中子探测器中⁶LiF和热中子反应产生的次级粒子能量高，容易入射到灵敏层，有利于在中子n、伽马射线γ混合场下实现n/γ甄别，所述中子探测器具有较强的抗伽马射线干扰能力，并具备出色的稳定性和高效的中子探测能力。

l   微结构半导体中子探测器（MSND）：采用了3d微结构沟槽刻蚀工艺以及致密填充工艺，大幅增加了中子转换材料在探测器中的填充量，提升中子与探测器发生核反应的概率，最终使得热中子探测效率得到数量级的提升。

专利情况

1.一种有机玻璃固体剂量计及其制备方法，CN202410180261.X

市场前景及应用领域

lSNT-KN：目前，SNT-KN主要服务于各大辐照加工企业，据了解，仅一家辐照加工企业的剂量计年采购额就达150万元以上，然而目前国内有机玻璃固体剂量计仍处于垄断局面，且进口产品售价一涨再涨，而拥有独立放射源或加速器的企业就超6.5万家，庞大的市场需求量和产品垄断局面迫切需要研发中国自己的有机玻璃固体剂量计，因此SNT-KN的成功研制势必具有强大的市场潜力，同时核技术已纳入《“十三五“规划》中的国家战略性新兴产业，伴随着核技术的快速发展脚步，SNT-KN也必将紧随其后。

l金刚石探测器：下一代核反应堆大多数采用非水堆堆型，新型反应堆运行环境、结构布局、中子能谱特性、热工水力设计等方面与现有成熟反应堆有较大区别。与现有压水堆相比，新堆型具有运行温度高、中子能谱宽、高能中子占比高、中子通量高等特性，运行环境更加恶劣。这些特殊性对中子探测器提出了更高的要求，在能谱响应特性、抗辐照性能、高温稳定性能、几何尺寸等方面面临新的挑战。迫切需要研制出能谱响应范围宽、几何尺寸小、抗辐照性能好、适用温度高的新型中子探测器。金刚石具有大的禁带宽度、高击穿场强、极高的载流 子迁移率与极低的相对介电常数，十分适合制造高频高功率以及抗辐照电子器件，例如 场效应晶体管(MOSFET)、二极管(Diode)、核探测器(Radiation detector)、光电 导开关(PCSS)等。国外Cividec和Micron公司已有成熟的金刚石辐射探测器产品问世，部分型号具有中子探测能力，但面向中国市场的出口受到严格限制，批量采购极其困难，相关技术还处于保密状态。国内有关金刚石中子探测器研究较少，研究基础较为薄弱，国内目前尚未看到专门研发中子金刚石探测器的报导，也没有可选的国产型号出现。因此基于人造金刚石材料研制具有中子响应的探测器器件堆研发，有利于突破金刚石中子探测器关键工艺，掌握核心技术，实现该类探测器的自主可控。

lMSND的体积小、探测效率高、对γ射线不敏感、功耗低、易于集成，目前是替代3He中子探测器的理想候选。此外，微结构的设计结合阵列的方式，可以使得探测器具有更优良的空间分辨率。随着技术成熟，MSND有望成为未来医疗领域(中子治疗、中子成像)、工业应用(无损检测、安检反恐)、高能物理、环境监测等多个领域中的重要中子探测工具。

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