[发明专利]基于ZnO薄膜的集成式中子探测器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于ZnO薄膜的集成式中子探测器及其制备方法，首先制备ZnO薄膜光导型紫外探测器，并在其上采用射频磁控溅射法制备表面均匀，结晶质量和闪烁性能良好的B、Ga共掺杂ZnO闪烁体薄膜，从而为实现一种B、Ga共掺ZnO闪烁体薄膜/ZnO薄膜光导紫外探测器结构的中子探测器提供了方法。本发明中子探测器采用B、Ga共掺杂ZnO闪烁体薄膜作为中子转化层将中子转化成α粒子，α粒子进一步激发B、Ga共掺杂ZnO闪烁体薄膜产生紫外线，再利用ZnO薄膜光导型紫外探测器探测紫外线，从而实现中子探测。

技术领域

本发明涉及一种无机基于非金属材料的辐射探测器件制备方法，特别是涉及一种基于半导体的中子辐射探测器件制备方法，应用于物体和空间中子探测装置制备技术领域。

背景技术

随着公共安全、核工业、科学研究及航空航天等需要进行辐射监控的领域不断扩大，以及监控广度和深度要求的多样化，低功耗、快速响应、便携、性价比高的新型中子探测器成为重要发展方向之一。在这些要求上，目前无论是基于气体室的BF₃和³He正比探测器，还是基于涂硼电离室的中子探测器等都很难较好满足。其它如闪烁体中子探测器，由于闪烁体与探测光的器件如光电倍增管(PMT)彼此分离，且PMT本身也较复杂，使得总体积较大。因此采用固体中子转换材料及半导体探测器固体粒子探测器并集成化是研究重点之一。其中半导体探测器由于工艺简单、功耗低、体积小、能量分辨率高等特点，在高性能、微型化、低功耗中子探测器中具有优势和广阔前景ZnO晶体是重要的II-VI族化合物半导体，宽直接带隙(在室温下3.37eV)、高激子结合能(60MeV)、仅次于金刚石的高抗辐照性能、高机电耦合系数、高电子迁移率、价格低廉、无毒等，这些优异的性质使其具有广泛的用途，如透明电极，紫外光探测器等。而且ZnO闪烁体具有优异的闪烁性能，是D-T中子发生器中α粒子的首选闪烁探测材料。与其他无机闪烁体相比，ZnO闪烁体除具有较高光输出外，也是迄今为止发现的衰减时间最短的闪烁材料，这有利于实现器件的高速响应。ZnO晶体具有优于GaN、Si、GaAs和CdS等半导体材料的抗辐射性能，可应用于高辐射的环境，如太空、核电站等，但目前还没有关于将ZnO闪烁体应用于中子探测器件的相关报道，ZnO晶体制备成本高，速度较慢，质量不易控制，很难适用于具有较大体积的固体粒子探测器的大面积功能层应用。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种基于ZnO薄膜的集成式中子探测器及其制备方法，在制备ZnO薄膜光导型紫外探测器表面上，采用射频磁控溅射法制备表面均匀、结晶质量和闪烁性能良好的B、Ga共掺杂ZnO闪烁体薄膜，从而制备B、Ga共掺ZnO闪烁体薄膜/ZnO薄膜光导紫外探测器结构的中子探测器。

为达到上述发明创造目的，本发明采用如下发明构思：

制备硼镓(B、Ga)共掺ZnO闪烁体薄膜/ZnO薄膜光导紫外探测器结构的中子探测器，使在本发明器件结构中，B、Ga共掺ZnO闪烁体薄膜作为中子探测第一步中的中子转换层材料，该转换层利用¹⁰B(n,a)⁷Li反应将中子转换为a粒子，同时该转换层本身作为一种闪烁材料在a粒子激发下会发出特定波长的紫外光。在发明器件中子探测的第二步中，采用ZnO薄膜光导紫外探测器探测从闪烁体薄膜中发出的紫外光从而间接实现对中子的探测。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种基于ZnO薄膜的集成式中子探测器，采用B、Ga共掺杂ZnO闪烁体薄膜作为中子转化层将中子转化成α粒子，使α粒子进一步激发B、Ga共掺杂ZnO闪烁体薄膜产生紫外线，再利用与中子转化层通过欧姆接触方式集成在一起的ZnO薄膜光导型紫外探测器探测紫外线，形成中子探测器件的固态结构，在中子转化层中，B和Ga的掺杂量分别为ZnO闪烁体薄膜复合材料重量百分比的10～50％和1～10％。

上述作为中子转化层的B、Ga共掺杂ZnO闪烁体薄膜的厚度优选为0.2～2mm。