近日，中心用户张志永副研究员团队在基于微结构气体探测器的BNCT中子束检测装置研制方面取得新进展，相关成果以“A large area, high counting rate micromegas-based neutron detector for BNCT”为题发表在Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, A（Vol.1053, 2023）上。
硼中子俘获疗法(BNCT)是新一代精准放射治疗癌症的重要技术，其利用热中子与硼-10的核反应，在细胞尺度上杀死癌症细胞和保护临近细胞。其中，精确测量中子束的通量、分辨和粒子成分对提高BNCT疗效和降低患者的照射剂量至关重要。然而，BNCT大面积高流强中子束对现有的检测手段提出巨大挑战，常规的探测技术，如闪烁体探测器（Li-glass探测器等）、半导体探测器（CdZnTe探测器）、金刚石探测器、以及相关活化探测器等，其探测面积较小，空间分辨率低，难以实现完整束流截面的快速、高精度测量。
为此，中科大核探测与核电子学国家重点实验室与中国原子能科学研究院陈军研究员团队联合研制了基于微网格气体探测器（Micromegas）的中子注量率测量与成像原型样机，并在位于中国原子能科学研究院内的，世界首台专门用于BNCT治疗的小型反应堆上开展了束流实验测试，在国际上首次实现BNCT强流中子束全束流截面的高精度在束测量和成分分析。
研究团队基于中科大自主研发的热压接Micromegas技术，设计有效面积为288 mm×288 mm，完整覆盖BNCT束斑范围。采用15 nm厚的天然LiF中子转换膜和1 mm厚的天然Cd屏蔽，分别测量了其热中子和超热中子成分；采用Ar:CO2=93:7作为工作气体，测量了其快中子和伽马射线成分；实验显示出该装置具有毫米级高分辨的二维成像能力，并达到约100 kHz/通道的最高计数率。探测装置对BNCT高流强中子束的在束检测能力得以检验，且对其它相关是大面积高流强射束检测具有重要的参考意义。
图1 BNCT 实验布局示意图（左）与实验装置设置（右）
图2 探测并重建的不同能量范围粒子空间分布：（a）热+超热中子（b）超热中子（c）快中子（d）光子
中科大核探测与核电子学国家重点实验室方竹君特任副研究员为本文第一作者，张志永副研究员为通讯作者，曹平副教授团队负责研制了该装置的读出电子学系统，中国原子能科学研究院陈军研究员团队组织并参与样机研制和实验测试。上述研究得到了计量与校准技术国家级重点实验室开放研究基金与中国科学技术大学中央高校基本科研业务费专项资金支持。中子探测器阻性电极高纯Ge镀层在中国科学技术大学微纳研究与制造中心进行制作，论文对中心的仪器支持与技术支撑进行了致谢。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.nima.2023.168361