快中子探测器广泛用于核安检，快中子成像及肿瘤放疗中剂量监测，对国家安全，科学研究，核医学诊疗都至关重要。然而，快中子作为一种高能中性粒子，很难被无机半导体直接探测到。目前，主要采用有机闪烁体结合光电探测器实现间接探测。此方法会造成信号损失，且由于探测系统尺寸较大，严重影响快中子成像及核监测的空间分辨率。理论上，有机半导体可以将入射中子的能量转换为易于测量的电脉冲信号进而实现直接探测。
鉴于此，凝固技术国家重点实验室徐亚东教授联合西北核技术研究所、南京航空航天大学等研究团队，采用溶液生长方法，设计并制备出厘米级有机半导体单晶材料，四羟基苯甲腈（4HCB，C6H5O-CN）和四羟基苯甲酸甲酯（4MHB, C6H5O-COOCH3），实现了高效率快中子探测；并构建了有机半导体结构-性能-中子探测效率的关系。其中，4MHB的探测效率最高为78.5% cm-3，响应时间最快为0.5 μs。720 V高压下连续工作18小时，器件探测性能稳定。即使经过剂量高达1013 n∙cm-2快中子辐照后，探测器仍可正常工作，为下一步应用开发奠定了材料基础。本工作研制的快中子探测器尺寸仅为0.1 cm-3，方便后续制备尺寸紧凑的快中子探测系统，对于提高快中子成像分辨率具有重要的意义。同时，这类探测器还具有人体组织等效的优势，可以定点、实时监测肿瘤放疗过程中人体局部组织的辐照剂量，预期在医学放疗领域具有较大的应用前景。
相关研究成果以Direct Detection of Fast Neutrons by Organic Semiconducting Single Crystal Detectors为标题发表在国际重要期刊Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.202108857)，该工作的第一作者为凝固技术国家重点实验室博士生赵豆，通讯作者为凝固技术国家重点实验室徐亚东教授、西北核技术研究所欧阳晓平教授及南京航空航天大学贾文宝教授。本研究获得了国家自然科学基金资助项目(51872228、51802262)、陕西省杰出青年科学基金（2020JC-12）等计划支持，同时感谢西北工业大学分析测试中心提供的设备支持。
图文导读
图1：有机单晶半导体直接型快中子探测器在快中子成像以及肿瘤诊疗中的应用
图2（a）4HCB（b）4MHB分子式及晶体照片，（c）4HCB（d）4MHB分子三维排列及晶体结构，4MHB 单晶的（e）XRD谱图，（f）禁带宽度拟合，（g）DSC谱图。
图3 （a-c）Geant4模拟241Am-Be中子源能谱，基于4MHB探测器所得反冲质子能谱及总能量沉积谱，（d-f）基于4MHB探测器及4HCB探测器实验测试背底、α粒子、241Am-Be中子能谱，（g-i）4MHB和4HCB脉冲响应时间。
论文链接： Direct Detection of Fast Neutrons by Organic Semiconducting Single Crystal Detectors - Zhao - - Advanced Functional Materials - Wiley Online Library
