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高效氮化硼中子探测器

成果类型:: 新技术

发布时间: 2023-11-22 19:32:11

科技成果产业化落地方案
方案提交机构:“科创中国”核技术应用创新产业科技服务团| 桑海波 | 2023-11-26 21:25:08

中国原子能科学技术研究院核技术综合研究所成功研制出我国首个高效氮化硼中子探测器,相关指标达到国际先进水平,提升了我国在新一代探测材料和新型探测器领域的创新研发能力。该探测器体积小、重量轻,中子探测效率高,可应用于高温、高辐射等恶劣环境,对于推动我国新型探测器材料和先进半导体中子探测器的研究应用具有重要意义。

 高效氮化硼中子探测器采用了新一代超宽禁带半导体材料——六方氮化硼晶体,当天然硼源生长出的六方氮化硼厚度达到1毫米时,对热中子的俘获率可达约100%。据此,项目团队突破了大尺寸、大厚度、高质量六方氮化硼单晶生长的关键技术,解决了探测器设计仿真、工艺制备等难题,最终研制出高效氮化硼中子探测器。  与此同时,项目团队在国内首次开展了氮化硼晶体材料生长、缺陷机理及影响、中子探测等研究,取得了关于氮化硼晶体材料特性的基础数据。团队还针对氮化硼探测器开展了专用集成电路研究,改进了电荷灵敏前置放大器(CSA)噪声定量解析模型,有效解决了传统专用集成电路设计中存在的问题,克服了芯片研制过程中弱信号处理的难题。测试结果显示,所研制的芯片噪声水平处于国内领先水平。  未来,项目团队将针对高质量晶体材料生长、高性能探测器开发等开展进一步研究,大力开展氮化硼探测器产品化研制,推动高效氮化硼中子探测器在反应堆中子监测、高能物理实验中子探测、中子剂量监测等领域的应用。

本项目研制的高效氮化硼中子探测器的六方氮化硼(h-BN)材料具有超高热导和电绝缘性、独特的光电性能、热稳定性和化学惰性,在超高导热、紫外光源及探测等领域有很大的应用潜力。近年来,h-BN中的同位素效应吸引了越来越多研究者的兴趣。天然的h-BN中,硼元素由2种稳定的同位素(10B和11B)构成,天然占比分别为19.9 %和80.1 %;氮元素由2种稳定的同位素(14N和15N)构成,天然占比分别为99.6 %和0.4 %。同位素特别是B同位素紊乱将影响h-BN的众多物理性质,比如造成额外的声子散射而影响热导率。通过同位素工程,可以得到纯化后的h-10BN和h-11BN,其室温热导率提高约40 %,声子极化子寿命也提高一个数量级。此外,10B同位素具有非常大的热中子捕获截面,基于10B富集(99.9%)h-BN的中子探测器是迄今为止固态探测器中探测效率最高(51.4%)的,有望替代3He管中子探测器。从基础研究的角度出发,h-BN是广泛采用的二维材料器件衬底材料;B同位素纯化可以调整h-BN的电子密度分布及层间范德华(vdW)相互作用。h-BN中的同位素工程,有望成为调控二维材料异质结性质的一个新的自由度。

中国原子能科学研究院(China institute of atomic energy)隶属中国核工业集团公司,是受中国核工业集团公司和中国科学院双重领导。其前身是1950年建立的中国科学院近代物理研究所二部,是中国核科学技术的发祥地和国防核科研、核能开发研究和核基础科研的创新基地。 根据2016年7月研究院官网显示,中国原子能科学研究院有职工近3000人, 下设有7个研究所;2个技术部;7个国家级、部委级研究中心或重点实验室;7个工程项目部;还有后勤集团、职工医院、实验工厂等服务单位。 中国原子能科学研究院具有每学年度招收全日制(学术型)硕士研究生70名、博士研究生50名,共120名的招生规模。

研发经费投入百万有余,后期需要测试等经费至少百万和半年的研发时间,已经取得超过百万的收益。研究成果在核技术应用领域和探测设备等众多的工业等所需要大量的探测等产品市场大有前途。对于生产线的升级和生产流程的优化具有显著的性价比。可以有效的保护自然环境和对自然资源的使用,为人民生活水平的提高创造价值。

采用技术入股的方式进行合作,需要1000万的研发和生产线的资金支持,以期在三年之内取得收益并进行盈利,在国内市场进行推广。