快中子敏感硅微通道板的模擬與設(shè)計(jì)

戶志鳴 劉昌奇 馬占文 郭志琦 姚澤恩,2

1（蘭州大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 蘭州 730000）

2（蘭州大學(xué)教育部中子應(yīng)用技術(shù)工程研究中心 蘭州 730000）

中子照相技術(shù)是一種重要的無損檢測(cè)手段，可實(shí)現(xiàn)X射線照相無法檢測(cè)的一些特殊物質(zhì)的分布及缺陷，在航空航天元件、火工產(chǎn)品及核材料等方面有重要的而特殊的應(yīng)用價(jià)值。目前，熱中子照相研究較多，已發(fā)展較為完善的熱中子照相像探測(cè)器和成像技術(shù)［1］，但熱中子因中子能量低，只能處理較薄樣品。快中子能量高，具有很強(qiáng)的穿透能力，快中子照相可處理體積更大的樣品，近年來被重視和廣泛研究［2?3］。早在2002年，Disdier等［4］研究了閃爍體轉(zhuǎn)換器和電荷耦合器件（Charge Coupled Device，CCD）相機(jī)組成的快中子像探測(cè)器系統(tǒng)；2005年，Dangendof等［5］研制了由聚乙烯轉(zhuǎn)換器+氣體電子倍增器的像探測(cè)器系統(tǒng)，通過將25個(gè)相同的探測(cè)器模塊沿著光束軸堆疊，實(shí)現(xiàn)了約5%的總探測(cè)效率和0.5 mm的空間分辨率；2008年Uher等［6］提出用聚乙烯作為轉(zhuǎn)換層，用二維半導(dǎo)體陣列來測(cè)量次級(jí)粒子的快中子成像系統(tǒng)，在聚乙烯厚度為1 mm條件下，探測(cè)效率達(dá)到了0.095%，空間分辨率達(dá)到了100μm；為了提高空間分辨率，Ambrosia等［7?9］提出采用以硅為基體的微通道板（Micro-Channel Plate，MCP）+無定形硅陣列讀出的快中子像探測(cè)器系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案［10］，蘭州大學(xué)也研制了聚乙烯+傳統(tǒng)微通道板+熒光屏+CCD相機(jī)的快中子像探測(cè)器［11?12］，并基于氘-氚（Deuterium-Tritium，D-T）中子發(fā)生器快中子源開展了成像測(cè)試，在104cm?2·s?1快中子注量率下，實(shí)現(xiàn)了成像，空間分辨達(dá)到約0.5 mm水平，驗(yàn)證了基于MCP技術(shù)的快中子照相可行性。

綜上所述，盡管近年來快中子照相技術(shù)有了一定的發(fā)展，但要滿足到應(yīng)用需求，仍需解決兩個(gè)關(guān)鍵問題：一是小型化且強(qiáng)度高的快中子源，二是高效率高分辨的快中子像探測(cè)器?；贒-T聚變反應(yīng)的中子發(fā)生器在低的氘束流能量（120~200 keV）下即可實(shí)現(xiàn)高的快中子產(chǎn)額，具有可小型化、中子能量單色性好、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，是開展快中子照相最具優(yōu)勢(shì)的中子源。近年來，強(qiáng)流緊湊型中子發(fā)生器在中國(guó)也得到了成功發(fā)展［13］，模擬設(shè)計(jì)研究也顯示，基于緊湊型D-T中子發(fā)生器，通過準(zhǔn)直可獲得單能性和均勻性好、通量高的快中子照相中子束［14］，為快中子照相奠定了小型化可控中子源基礎(chǔ)?？熘凶酉裉綔y(cè)方面，蘭州大學(xué)的研究顯示，基于聚乙烯轉(zhuǎn)換器、MCP和CCD相機(jī)是一種有效模式。MCP和CCD均有很高的二維位置分辨能力，空間分辨主要受聚乙烯轉(zhuǎn)換器與快中子作用產(chǎn)生的反沖質(zhì)子的角分布的影響，去掉聚乙烯轉(zhuǎn)換器，可以將MCP直接作為轉(zhuǎn)換器并兼做電子倍增器，利用MCP玻璃材料中的Si與快子中（n，p）和（n，α）等反應(yīng)產(chǎn)生的帶電粒子，在MCP孔道中產(chǎn)生電子并倍增實(shí)現(xiàn)中子信號(hào)轉(zhuǎn)換，實(shí)驗(yàn)測(cè)試顯示，空間分辨可有效提高，但因MCP玻璃材料中的Si含量低，探測(cè)效率受到影響。

近年來隨著微納加工技術(shù)的不斷發(fā)展，采用Si材料并利用刻蝕技術(shù)制備高精度微通道板已成為可能［15］。本文采用蒙特卡羅方法［16］，模擬研究了D-T反應(yīng)14 MeV快中子在硅微通道板中的核反應(yīng)和帶電粒子輸運(yùn)過程，通過對(duì)帶電粒子轉(zhuǎn)換效率和空間分辨率的評(píng)估，完成了硅微通道板厚度L、微孔的傾斜角θ、壁厚d、孔徑D等參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 材料和方法

1.1 轉(zhuǎn)換效率和空間分辨率

設(shè)計(jì)的基于Si材料的MCP基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，其快中子-帶電粒子轉(zhuǎn)換原理為：入射的快中子與Si發(fā)生核反應(yīng)，產(chǎn)生帶電粒子，下面給出兩個(gè)的典型的反應(yīng)道：

圖1 微通道板的結(jié)構(gòu)及快中子-帶電粒子轉(zhuǎn)換原理Fig.1 Structure of microchannel plate and principle of fast neutron-charged particle conversion

式中：第一個(gè)反應(yīng)產(chǎn)生的4He粒子的能量為9.78 MeV，25Mg的能量為1.57 MeV；第二個(gè)反應(yīng)產(chǎn)生的質(zhì)子的能量為9.79 MeV，28Al的能量為0.35 MeV。反應(yīng)產(chǎn)生的質(zhì)子、4He、28Al、25Mg等粒子在Si-MCP的基體中輸運(yùn)，部分粒子將會(huì)進(jìn)入到微通道中，并產(chǎn)生電子，在MCP兩端所加電場(chǎng)作用下引發(fā)電子倍增，倍增后的電子從微孔中輸出，轟擊在熒光屏上發(fā)光，光子經(jīng)CCD相機(jī)轉(zhuǎn)換即可獲取快中子二維位置靈敏信號(hào)。

可以看出，MCP中快中子-帶電粒子轉(zhuǎn)換效率直接關(guān)系到像探測(cè)器系統(tǒng)的探測(cè)器效率，本研究將以快中子-帶電粒子轉(zhuǎn)換效率為基本參數(shù)，通過模擬研究開展Si-MCP的優(yōu)化設(shè)計(jì)。為此定義Si-MCP的快中子-帶電粒子轉(zhuǎn)換效率為：

式中：Sin是輻照到Si-MCP的總中子數(shù)；Sout是與Si反應(yīng)產(chǎn)生次級(jí)帶電粒子，且次級(jí)帶電粒子進(jìn)入MCP微孔中的快中子個(gè)數(shù)，次級(jí)帶電粒子包括質(zhì)子、4He、28Al、25Mg等粒子。

MCP自身的極限分辨率與孔徑和壁厚有關(guān)，由于入射中子的散射和次級(jí)粒子穿透通道壁產(chǎn)生的串?dāng)_信號(hào)，導(dǎo)致微通道板的空間分辨率變差。

1.2 模擬模型建立

采用Geant4開展模擬研究。建立了如圖2所示模擬模型，即構(gòu)建了100×100個(gè)圓形通道組成的Si-MCP，材料為晶體硅。其中，L是微通道板的厚度，D為微孔的孔徑，d是微孔之間的壁厚，通道長(zhǎng)度與微孔的孔徑的比值（長(zhǎng)徑比L/D）在40~500范圍調(diào)變，θ是通道的傾角。建立了一個(gè)六邊形且中子能量為14 MeV的單能面源，中子源的中心在其中的一個(gè)微孔通道的中心軸線上，模擬時(shí)中子源共發(fā)射107個(gè)中子。

圖2 Si-MCP模擬模型Fig.2 Schematic of the Si-MCPsimulation models

2 模擬結(jié)果及討論

2.1 轉(zhuǎn)換效率與Si-MCP厚度及傾角的關(guān)系

應(yīng)用Geant4建立圖2中的模擬模型。中子在Si-MCP基體中產(chǎn)生的次級(jí)帶電粒子進(jìn)入微孔則認(rèn)為該中子被探測(cè)。統(tǒng)計(jì)所有被探測(cè)到的中子數(shù)，由式（2）計(jì)算出微通道板對(duì)14 MeV快中子的轉(zhuǎn)換效率。圖3展示了板厚L對(duì)Si-MCP轉(zhuǎn)換效率的影響。模擬中，通道的孔徑D設(shè)置為10μm，壁厚d設(shè)置為3μm，通道的傾角選擇0°和8°。由于受微通道板制作工藝的限制，模擬中板厚的取值范圍為0~5 mm。從圖3可以看出，Si-MCP的轉(zhuǎn)換效率隨板厚而增加，且具有傾斜角的Si-MCP的轉(zhuǎn)換效率相較于無傾斜角的Si-MCP更高。一個(gè)可能的解釋為：當(dāng)沒有傾斜角時(shí)，部分快中子將直接從微孔中穿過，而不與基體材料發(fā)生反應(yīng)，當(dāng)具有傾斜角時(shí)，更多的快中子將穿過Si-MCP的基體，使轉(zhuǎn)換效率上升。

圖3 轉(zhuǎn)換效率隨板厚L的變化Fig.3 Simulated conversion efficiency of Si-MCPas a function of plate thickness L

圖4 給出了4種不同厚度Si-MCP的轉(zhuǎn)換效率隨通道傾角θ變化的計(jì)算結(jié)果。在計(jì)算中，Si-MCP的孔徑為10μm，壁厚為3μm，傾角的取值范圍為0°~12°，Si-MCP的厚度分別為0.4 mm、1 mm、2 mm、3 mm。從圖4可以看出，傾斜通道有利于轉(zhuǎn)換效率的提高，特別是當(dāng)板厚L比較大時(shí)。當(dāng)傾角≥2°時(shí)，Si-MCP對(duì)14 MeV快中子的轉(zhuǎn)換效率將不再明顯增加，其原因可能是由于在傾角≥2°時(shí)，絕大部分的中子都將穿過基體，將不會(huì)有中子直接從微孔中通過微通道板，所以轉(zhuǎn)換效率不會(huì)再隨角度有明顯的增加?？紤]到實(shí)際加工的工藝，選定板的厚度為1 mm，傾角為2°。在孔徑為10μm、壁厚為3μm時(shí)其轉(zhuǎn)換效率約為0.13%。

圖4 轉(zhuǎn)換效率隨傾角θ的變化Fig.4 Simulated conversion efficiency of Si-MCPas a function of bias angleθ

2.2 轉(zhuǎn)換效率與Si-MCP壁厚、孔徑的關(guān)系

壁厚d對(duì)Si-MCP快中子轉(zhuǎn)換效率的影響表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一方面，增加壁厚將增加Si-MCP的填充系數(shù)；另一方面，隨著壁厚的增加，次級(jí)粒子將會(huì)難以到達(dá)孔壁實(shí)現(xiàn)電子倍增。壁厚d的選擇將基于次級(jí)粒子質(zhì)子、4He、25Mg、28Al、27Al在Si-MCP基體中的射程，模擬計(jì)算結(jié)果反映式（1）產(chǎn)生的帶電粒子在基體中的射程小于從幾微米到幾百微米不等。在轉(zhuǎn)換效率模擬計(jì)算中，暫選定d的取值范圍0.5~50μm。

圖5 展示了當(dāng)L=1 mm、D=10μm、θ=2°時(shí)，壁厚d對(duì)轉(zhuǎn)換效率的影響。從圖5可以看到，轉(zhuǎn)換效率隨著壁厚d的增加，先增大后減小。當(dāng)d=8μm時(shí)達(dá)到峰值。開始轉(zhuǎn)換效率上升的原因是，隨著d的增加，Si-MCP的填充系數(shù)增大，但當(dāng)壁厚d增加到一定值時(shí)，部分次級(jí)粒子將無法穿透基體，入射到微孔當(dāng)中被探測(cè)，轉(zhuǎn)換效率又會(huì)出現(xiàn)下降的趨勢(shì)。

圖5 模擬轉(zhuǎn)換效率隨壁厚d的變化曲線（模擬中L=1 mm，D=10μm，θ=2°）Fig.5 Simulated conversion efficiency of Si-MCPasa function of channel wall thickness(L=1 mm,θ=2°,D=10μm)

為了進(jìn)一步研究孔徑D和壁厚d對(duì)Si-MCP轉(zhuǎn)換效率的影響，模擬了不同孔徑D時(shí)，轉(zhuǎn)換效率隨壁厚d的變化規(guī)律，結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出，當(dāng)確定D為特定值時(shí)，轉(zhuǎn)換效率隨壁厚的增加仍然保留先增大后減小的規(guī)律。但隨著孔徑D的增大，轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到的最大值逐漸減小，且最大值所對(duì)應(yīng)的壁厚d的取值逐漸變大。圖7是轉(zhuǎn)換效率達(dá)到極值時(shí)，孔徑D與壁厚d的關(guān)系曲線及線性擬合結(jié)果。

圖6 不同孔徑D時(shí)，壁厚d對(duì)轉(zhuǎn)換效率的影響Fig.6 Simulated conversion efficiency of Si-MCPasa function of channel wall thickness d with different aperture D

圖7 轉(zhuǎn)換效率達(dá)到極值時(shí)，孔徑D與壁厚d的關(guān)系曲線Fig.7 Relation curve between D and d,when theconversion efficiency reachestheextremevalue

2.3 空間分辨率

結(jié)合實(shí)際加工工藝的限制，將Si-MCP的孔徑設(shè)置為10μm，根據(jù)轉(zhuǎn)換效率的模擬結(jié)果壁厚同樣設(shè)置為10μm，并對(duì)其空間分辨率進(jìn)行模擬。

在模擬模型中，中子源直射一個(gè)微孔單元，理想情況下Si-MCP的空間分辨率應(yīng)為D+d，但由于入射中子的散射和次級(jí)粒子穿透通道壁產(chǎn)生的串?dāng)_信號(hào)，導(dǎo)致空間分辨率變差。本工作將入射中子產(chǎn)生的次級(jí)粒子在過中心微孔沿傾斜方向的信號(hào)強(qiáng)度分布半高寬（Full Width at Half Maximum，F(xiàn)WHM）定義為微通道板的空間分辨率。

模擬厚度L=1 mm、D=10μm、d=10μm的Si-MCP輸出信號(hào)強(qiáng)度的分布，結(jié)果如圖8所示。從圖8可以看出，沒有傾角時(shí)Si-MCP的空間分辨率約為20μm。有傾角的Si-MCP在傾角方向的空間分辨率相較于無傾角的Si-MCP要差，其主要原因是當(dāng)微通道板具有傾角時(shí)，入射中子可能穿過多個(gè)孔道，其在不同深度產(chǎn)生的次級(jí)粒子可能進(jìn)入不同的微孔當(dāng)中，導(dǎo)致空間分辨率變差。當(dāng)傾角為2°時(shí)，其傾角方向的空間分辨率為43μm；傾角為5°時(shí)，傾角方向的空間分辨率為75μm?？梢妰A角對(duì)其傾斜方向的空間分辨率有較大的影響，而垂直于傾斜方向的空間分辨率與無傾角的Si-MCP基本一致。

圖8 不同傾角的Si-MCP輸出信號(hào)強(qiáng)度的分布（模擬中L=1 mm、D=10μm、d=10μm）Fig.8 Simulated signal intensity distribution at different biasangle(L=1 mm,D=10μm,d=10μm)

為了分析傾角對(duì)空間分辨的影響，模擬了板厚為1 mm和2 mm時(shí)，傾角方向的空間分辨率隨傾角的變化關(guān)系（圖9）。結(jié)果表明：隨著傾角θ的增大，Si-MCP在傾角方向的空間分辨率會(huì)變差，約為L(zhǎng)·tanθ?；诖四M結(jié)果，更加印證了在保證轉(zhuǎn)換效率的前提下應(yīng)取盡量小的傾角，即Si-MCP的傾角取為2°。

圖9 模擬傾角對(duì)其傾斜方向的空間分辨率的影響（模擬中孔徑設(shè)置為10μm，壁厚設(shè)置為10μm）Fig.9 Simulated spatial resolution as a function of bias angle(The channel diameter is set at 10μm and the channel wall thicknessis set at 10μm)

當(dāng)MCP采用熒光屏作為讀出設(shè)備時(shí)，微孔前端產(chǎn)生的電子信號(hào)較強(qiáng)，而靠近微孔末端產(chǎn)生的電信號(hào)較弱。根據(jù)微通道板的增益隨入射粒子位置不同而變化的特點(diǎn)，對(duì)最終信號(hào)強(qiáng)度的分布進(jìn)行處理，來估算考慮增益時(shí)的空間分辨率。估算中認(rèn)為微通道板增益在L上均勻分布，計(jì)算結(jié)果如圖10所示。從圖10可以看到，當(dāng)角度較小時(shí)，考慮微通道板的增益分布特性對(duì)空間分辨率沒有太大的改善，但當(dāng)角度較大時(shí)影響較為明顯，如傾角為8°時(shí)，考慮增益分布特性后其傾角方向的空間分辨率從143μm減小到106μm。因此采用熒光屏讀出模式可以改善MCP傾斜導(dǎo)致的圖像的偏移。

圖10 采用兩種不同讀出模式，傾角方向空間分辨率的差異 (a)θ=2°，(b)θ=8°Fig.10 Thedifferenceof spatial resolution in dip direction obtained by two different readout modes (a)θ=2°,(b)θ=8°

2.4 雙層Si-MCP的轉(zhuǎn)換效率及空間分辨率

在后續(xù)的實(shí)際應(yīng)用中可采用兩層Si-MCP呈“V”型疊加的方法，來提高系統(tǒng)的快中子轉(zhuǎn)換效率。其模型如圖11所示。

圖11 采用“V”型堆疊的兩層Si-MCP的模型示意圖Fig.11 Diagram of two layers of Si-MCPwith V-type superposition structure

當(dāng)兩層Si-MCP均采用上述優(yōu)化過后的參數(shù)，L=1 mm，θ=2°，D=10μm，d=10μm時(shí)，其組成系統(tǒng)的總轉(zhuǎn)換效率為0.31%，采用熒光屏讀出時(shí)，其空間分辨率為43μm。圖12展示了采用“V”型疊加的雙層Si-MCP的信號(hào)分布與單層L=1 mm、L=2 mm的Si-MCP的輸出信號(hào)強(qiáng)度分布進(jìn)行對(duì)比。從模擬結(jié)果得出，采用“V”型疊加的雙層Si-MCP在傾角方向的空間分辨率與單層L=1 mm的Si-MCP相差無幾，但相較于單層L=2 mm的Si-MCP，其空間分辨率則有明顯的提升。

圖12 對(duì)比單層、雙層Si-MCP的空間分辨率Fig.12 Comparison of spatial resolution of single and double Si-MCP

3 結(jié)語

建立了基于Geant4代碼的蒙特卡羅仿真模型，研究了Si-MCP對(duì)14 MeV快中子的轉(zhuǎn)換效率和空間分辨率。仿真結(jié)果表明，Si-MCP的轉(zhuǎn)換效率隨著厚度的增加而增加。受限于L/D，Si-MCP的厚度不能太厚，最終選定為1 mm，微孔傾角對(duì)其轉(zhuǎn)換效率的影響不大，選定為2°。計(jì)算結(jié)果表明通道直徑和通道壁厚是實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)換效率關(guān)鍵參數(shù)。最終確定Si-MCP的孔徑為10μm，壁厚為10μm，轉(zhuǎn)換效率為0.15%。

對(duì)于沒有傾角的Si-MCP其空間分辨率為D+d，并且厚度不影響空間分辨率。具有傾角的微通道板在傾角方向的空間分辨率可以由L·tanθ估算。當(dāng)板厚為1 mm，傾角為2°，其傾角方向的空間分辨率為43μm。

在實(shí)際應(yīng)用中采用“V”型疊加的雙層Si-MCP，其轉(zhuǎn)換效率可達(dá)0.31%，傾角方向的空間分辨率可達(dá)43μm。

作者貢獻(xiàn)聲明戶志鳴負(fù)責(zé)文章的起草和最終版本的修訂；劉昌奇負(fù)責(zé)文中模擬程序的修改；馬占文負(fù)責(zé)模擬內(nèi)容的設(shè)計(jì)；郭志琦負(fù)責(zé)資料的收集及整理；姚澤恩負(fù)責(zé)研究的提出及設(shè)計(jì)。