一種熱中子閃爍屏的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種中子輻射測量材料的制備方法，特別涉及一種熱中子閃爍屏的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]中子由于不帶電荷，因此對物質(zhì)的穿透力極強。在本領(lǐng)域中，中子可用于核素的直接鑒別，并且對于輕元素的鑒別具有比X射線更高的靈敏度。中子成像技術(shù)和中子位置靈敏探測技術(shù)是研宄物質(zhì)結(jié)構(gòu)和微觀運動規(guī)律的重要手段，其被廣泛應(yīng)用于生物學(xué)、化學(xué)、核物理學(xué)、材料科學(xué)以及地球科學(xué)等學(xué)科的諸多研宄中。
[0003]熱中子閃爍屏是實現(xiàn)熱中子成像技術(shù)和熱中子位置靈敏探測技術(shù)的重要部件，其主要作用是把不可直接測量的熱中子通量和位置信息轉(zhuǎn)換成熒光強度和發(fā)光位置，再由多路位置靈敏光電倍增管將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)后續(xù)電路處理計算獲得相應(yīng)熱中子束的通量和位置信息。
[0004]熱中子閃爍屏的工作原理為:熱中子與熱中子吸收材料中的6Li或發(fā)生核反應(yīng)生成α等粒子，這些粒子在熒光材料中沉積能量使其發(fā)出熒光，中子與6Li或kiB發(fā)生的核反應(yīng)如下:
[0005]n+6Li — a +T
[0006]η+10Β — a +7Li
[0007]目前，國內(nèi)外制備熱中子閃爍屏的工藝主要采用ZnS(X)為熒光材料，熱中子吸收材料主要采用61^?或比、03。其中，6LiF由于屬于敏感性核材料而受到國家的嚴格管控，較難獲得，并且其價格十分昂貴。而H3uiBOJljg易獲取，價格相對較低，因此容易在熱中子閃爍屏的商業(yè)化生產(chǎn)中得以應(yīng)用。
[0008]現(xiàn)有熱中子閃爍屏的基本制備工藝為:用粘合劑(如環(huán)氧樹脂)將熒光材料和熱中子吸收材料混合均勻，形成的漿料通過壓制或涂覆均勻粘合在鋁板上，粘合劑固化后即形成熱中子閃爍屏。以中子位置靈敏探測為例，采用上述制作方法制得的熱中子閃爍屏的中子位置靈敏探測效率如下:當(dāng)熒光材料為ZnS(X)，熱中子吸收材料為6LiF時，探測效率可以達到50% ;當(dāng)熒光材料為ZnS(X)，熱中子吸收材料為比、03時，探測效率可以達到20%。
[0009]采用上述制備工藝制得的熱中子閃爍屏主要存在如下不足:其一，所使用的粘合劑在環(huán)境溫度和濕度變化時容易變性，導(dǎo)致熱中子閃爍屏開裂脫落而損壞；粘合劑的加入還會降低6L或kiB在熱中子閃爍屏中的原子比，降低其探測效率。其二，微觀上，ZnS(X),6LiF, H3kiBO3在熱中子閃爍屏中仍然以粉末形式存在，由于這些粉末不透明，導(dǎo)致熱中子閃爍屏的透光性差，明顯影響其發(fā)光效率，從而對探測效率形成顯著的負面影響。其三，熱中子閃爍屏中采用H3kiBO3S熱中子吸收材料時，kiB在熱中子閃爍屏中的原子比較低，使得探測效率降低。
[0010]由于探測效率是熱中子閃爍屏在實際應(yīng)用中最為核心的指標，直接關(guān)系到熱中子的探測效果，因此為解決通過現(xiàn)有制備工藝制得的熱中子閃爍屏存在的上述缺陷，滿足熱中子探測的應(yīng)用需求，亟待開發(fā)一種新的熱中子閃爍屏的制備方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]為解決現(xiàn)有熱中子閃爍屏的探測效率較低，部分熱中子閃爍屏原料昂貴且難以獲取等問題，本發(fā)明提供了一種熱中子閃爍屏的制備方法。
[0012]該熱中子閃爍屏的制備方法包括以下步驟:
[0013](一 )將ZnS(X)粉末和H3wBO3粉末按質(zhì)量比(1_4):1混合后放入球磨機球磨使之混合均勾，得到預(yù)制粉料；其中X是活化劑，為Ag、Cu、Ag+Al或Ag+Cu ；
[0014]( 二)取帶有凹槽的鋁板作為基板，所述凹槽底面平整光滑；
[0015](三)將預(yù)制粉料置于坩禍內(nèi)熔融并煅燒10小時以上得到熔融料液，將熔融料液倒入預(yù)熱好的鋁板凹槽內(nèi)，待熔融料液在凹槽內(nèi)均勻鋪開后，自然冷卻至室溫，得到熱中子閃爍屏。
[0016]步驟(二)中，所述凹槽底面的表面粗糙度小于5 μπι為優(yōu)選。
[0017]步驟(三)中，所述預(yù)制粉料的熔融和煅燒采用馬弗爐為優(yōu)選。
[0018]本發(fā)明的熱中子閃爍屏的制備方法以ZnS⑴粉末和H3wBO3粉末為原料，通過加熱熔融并在鋁基板上冷卻凝固形成熱中子閃爍屏。在加熱過程中，H3kiBO3首先會脫水為kiB2O3,然后生成的kiB2O3與ZnS (X)在450°C以上的溫度下形成熔融的混合料液。熔融料液在鋁板的凹槽內(nèi)冷卻后，形成與鋁板牢固結(jié)合的玻璃狀固體，得到熱中子閃爍屏。
[0019]該熱中子閃爍屏具有以下特點:
[0020]其一，玻璃狀固體表面光滑，硬度和穩(wěn)定性高，耐磨性好，不會隨著溫度和濕度的變化產(chǎn)生裂紋和脫落；并且由于未加入粘合劑，kiB在熱中子閃爍屏中的原子比高，探測效率高。
[0021]其二，玻璃狀固體由于較高的致密度使得環(huán)境中的水分子無法侵入其內(nèi)部，確保了 kiB能夠長久以kiB2O3的形式存在，相對于現(xiàn)有熱中子閃爍屏中的H3kiBO3B式顯著提高了10B的原子比，明顯提高了探測效率。
[0022]其三，玻璃狀固體中ZnS⑴和wB2O3在微觀上分布較為均勾，相對于采用粉末形式的熱中子閃爍屏其生成的α等粒子的利用率顯著提升，明顯改善了發(fā)光效率，提高了探測效率。
[0023]綜上所述，本發(fā)明的熱中子閃爍屏的制備方法在采用成本較低的比、03為原料的情況下，通過改變工藝路線獲得了探測效率更高、綜合物理性能更好的熱中子閃爍屏。經(jīng)驗證，其中子位置靈敏探測效率相對于采用現(xiàn)有工藝以ZnS⑴和H3wBO3為原料制得的熱中子閃爍屏提高了約10%，使得該熱中子閃爍屏的適用范圍得到顯著擴展，較大程度上避免了使用6LiF作為熱中子閃爍屏制備原料所帶來的高成本問題。
【具體實施方式】
[0024]下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明的實施方式做進一步的說明。
[0025]實施例1
[0026]采用以下步驟制備本發(fā)明的熱中子閃爍屏:
[0027](一)將ZnS(Ag)粉末和H3wBO3粉末按質(zhì)量比2:1混合后放入球磨機(型號為:ND7-40L)球磨2小時使之混合均勻，得到預(yù)制粉料；
[0028]( 二)取帶有凹槽的鋁板作為基板，鋁板尺寸為80x80mm，厚度為1mm，所述凹槽底面平整光滑，槽深為200 ym;
[0029](三)將預(yù)制粉料置于鉑坩禍內(nèi)，在馬弗爐(型號為:XL_1)內(nèi)將其熔融并煅燒10小時得到熔融料液，煅燒溫度為500°C，將熔融料液倒入預(yù)熱好的鋁板凹槽內(nèi)，待熔融料液在凹槽內(nèi)均勻鋪開后，自然冷卻至室溫，得到熱中子閃爍屏。
[0030]實施例2
[0031]采用以下步驟制備本發(fā)明的熱中子閃爍屏:
[0032](一)將ZnS(Cu)粉末和H3wBO3粉末按質(zhì)量比1:1混合后放入球磨機(型號為:ND7-40L)球磨3小時使之混合均勻，得到預(yù)制粉料；
[0033]( 二 )取帶有凹槽的鋁板作為基板，鋁板尺寸為80x80mm，厚度為1mm，所述凹槽底面平整光滑，槽深為100 μ m ;
[0034](三)將預(yù)制粉料置于鉑坩禍內(nèi)，在馬弗爐(型號為:XL_1)內(nèi)將其熔融并煅燒18小時得到熔融料液，煅燒溫度為500°C，將熔融料液倒入預(yù)熱好的鋁板凹槽內(nèi)，待熔融料液在凹槽內(nèi)均勻鋪開后，自然冷卻至室溫，得到熱中子閃爍屏。
[0035]實施例3
[0036]采用以下步驟制備本發(fā)明的熱中子閃爍屏:
[0037](一)將ZnS (Ag+Al)粉末和H3wBO3粉末按質(zhì)量比3:1混合后放入球磨機(型號為:ND7-40L)球磨2.5小時使之混合均勻，得到預(yù)制粉料；
[0038]( 二)取帶有凹槽的鋁板作為基板，鋁板尺寸為80x80mm，厚度為1mm，所述凹槽底面平整光滑，槽深為500 ym;
[0039](三)將預(yù)制粉料置于鉑坩禍內(nèi)，在馬弗爐(型號為:XL_1)內(nèi)將其熔融并煅燒24小時得到熔融料液，煅燒溫度為500°C，將熔融料液倒入預(yù)熱好的鋁板凹槽內(nèi)，待熔融料液在凹槽內(nèi)均勻鋪開后，自然冷卻至室溫，得到熱中子閃爍屏。
[0040]本發(fā)明實施例1-3制得的熱中子閃爍屏玻璃狀固體表面光滑，硬度和致密度高，將其應(yīng)用于中子位置靈敏探測，均獲得了 30 %左右的探測效率。
【主權(quán)項】
1.一種熱中子閃爍屏的制備方法，其特征在于該制備方法包括以下步驟: (一)將ZnS(X)粉末和H3wBO3粉末按質(zhì)量比(1-4):1混合后放入球磨機球磨使之混合均勾，得到預(yù)制粉料；其中X是活化劑，為Ag、Cu、Ag+Al或Ag+Cu ； (二)取帶有凹槽的鋁板作為基板，所述凹槽底面平整光滑； (三)將預(yù)制粉料置于坩禍內(nèi)熔融并煅燒10小時以上得到熔融料液，將熔融料液倒入預(yù)熱好的鋁板凹槽內(nèi)，待熔融料液在凹槽內(nèi)均勻鋪開后，自然冷卻至室溫，得到熱中子閃爍屏。
2.如權(quán)利要求1所述的熱中子閃爍屏的制備方法，其特征在于:步驟(二)中，所述凹槽底面的表面粗糙度小于5 μπι。
3.如權(quán)利要求1所述的熱中子閃爍屏的制備方法，其特征在于:步驟(三)中，所述預(yù)制粉料的熔融和煅燒采用馬弗爐。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種中子輻射測量材料的制備方法。為解決現(xiàn)有熱中子閃爍屏的探測效率較低，部分熱中子閃爍屏原料昂貴且難以獲取等問題，本發(fā)明提供了一種熱中子閃爍屏的制備方法。該法包括以下步驟：(一)以ZnS(X)粉末和H310BO3粉末混合球磨制得預(yù)制粉料；(二)以帶有凹槽的鋁板作為基板；(三)將預(yù)制粉料熔融并煅燒得到熔融料液，將熔融料液倒入鋁板凹槽內(nèi)，自然冷卻至室溫，得到熱中子閃爍屏。本發(fā)明的熱中子閃爍屏的制備方法在采用成本較低的H310BO3為原料的情況下，通過改變工藝路線獲得了探測效率更高、綜合物理性能更好的熱中子閃爍屏，其中子位置靈敏探測效率提高了約10％，避免了使用6LiF作為熱中子閃爍屏制備原料所帶來的高成本問題。
【IPC分類】G21K4-00
【公開號】CN104538078
【申請?zhí)枴緾N201410743533
【發(fā)明人】劉陽, 郭廬陣, 劉哲, 駱志平
【申請人】中國原子能科學(xué)研究院
【公開日】2015年4月22日
【申請日】2014年12月8日