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基于4H-SiC的中子探測技術(shù)研究

發(fā)布時(shí)間:2020-11-19 15:10
   隨著精密物理實(shí)驗(yàn)的開展,對用于中國快中子脈沖堆(CFBR-Ⅱ)輻射場測量的中子探測技術(shù)提出了更高的要求。其中,狹小空間內(nèi)中子場參數(shù)測量、中子能譜精確測量等方面的需求尤為迫切。面對這些迫切的需求,目前CFBR-Ⅱ堆上常用中子探測技術(shù)表現(xiàn)出各自的局限性:塑料閃爍體探測器探頭部分體積大,含氫元素多,對反應(yīng)性干擾大、氣體電離室體積大,響應(yīng)慢、硅探測器不耐輻照等,均無法滿足上述任務(wù)需求。因此,亟需研發(fā)新型中子探測技術(shù)以滿足上述精密物理實(shí)驗(yàn)的需求。碳化硅(Silicon carbide, SiC)材料是近年來發(fā)展起來的一種寬禁帶化合物半導(dǎo)體材料,具有位移閾能大、禁帶寬度寬、飽和電子漂移速度高等優(yōu)異性能,因此基于SiC的中子探測器具有體積小、抗輻照、耐高溫、響應(yīng)時(shí)間快等優(yōu)點(diǎn),可應(yīng)用于強(qiáng)輻照場下的中子測量從而有望滿足上述需求;4H-SiC的中子探測技術(shù)研究近年來在國際上逐漸成為研究熱點(diǎn),而國內(nèi)在這方面尚處于起步階段。本論文從探測器物理設(shè)計(jì)及制備、性能表征到具體中子場應(yīng)用多個(gè)環(huán)節(jié)系統(tǒng)地研究了基于4H-SiC的中子探測技術(shù),實(shí)現(xiàn)了4H-SiC探測器制備,建立了探測器性能分析方法,揭示了其電荷收集率(Charge collection efficiency,CCE)在快中子輻照下的變化規(guī)律,掌握了4H-SiC夾心中子能譜儀實(shí)驗(yàn)技術(shù)并獲得其關(guān)鍵性能指標(biāo),獲得了4H-SiC中子探測器對穩(wěn)態(tài)慢/快中子場探測性能,成功研制了針對CFBR-Ⅱ堆脈沖輻射場狹小空間中子波形測量的4H-SiC電流型探測系統(tǒng),從而為上述CFBR-Ⅱ堆中子場測量難題提供了解決方案。 為研究器件結(jié)構(gòu)參數(shù)對4H-SiC探測器性能影響規(guī)律,結(jié)合半導(dǎo)體器件物理及Monte-Carlo模擬方法,分析了4H-SiC外延層物理參數(shù)、器件電極結(jié)構(gòu)對探測器能量分辨率和電荷收集率的影響,在此基礎(chǔ)上結(jié)合國內(nèi)目前工藝水平提出合理的設(shè)計(jì)。采用SiCCVD工藝完成4H-SiC同質(zhì)外延生長并采用平面工藝實(shí)現(xiàn)大面積的4H-SiC肖特基二極管制備。采用熱電子發(fā)射理論結(jié)合IV、CV分析獲得所制備器件的勢壘高度為1.66eV,理想因子1.07,反向偏壓700V時(shí)漏電流僅21nA,器件性能達(dá)到國際主流水平。 針對4H-SiC探測器電荷收集性能研究,建立了4H-SiC探測器電荷收集率測量方法,并采用241Am源研究了4H-SiC探測器對a粒子的電荷收集特性。當(dāng)外加偏壓為0V時(shí)4H-SiC探測器對3.5MeV α粒子的CCE=48.7%,150V時(shí)即有CCE=99.4%,具有理想的電荷收集特性。同時(shí),利用臨界裝置產(chǎn)生的快中子場模擬4H-SiC探測器典型使用環(huán)境,研究了4H-SiC肖特基二極管經(jīng)不同中子注量輻照后對241Am源α粒子的CCE變化特性。4H-SiC探測器的CCE隨快中子輻照累積注量的增加而降低,當(dāng)中子累積注量達(dá)8.26×1014n/cm2時(shí)4H-SiC探測器的CCE最高仍可達(dá)88.6%,表現(xiàn)出了極強(qiáng)的抗中子輻照特性。實(shí)驗(yàn)分析表明快中子輻照導(dǎo)致4H-SiC探測器外延層產(chǎn)生缺陷并趨于本征,外延層內(nèi)載流子的遷移率-壽命積逐漸降低,從而導(dǎo)致CCE的下降。當(dāng)8.26×1014n/cm2快中子輻照后4H-SiC探測器(μτ)e=(1.3±0.2)x10-8cm2/V,(μτ)h:(0.8±0.1)±10-8cm2/V. 為研究4H-SiC探測系統(tǒng)對重帶電粒子的探測性能,利用226Ra源獲得了4H-SiC探測系統(tǒng)對4.8~7.7MeV能量范圍內(nèi)α粒子的能量分辨率在0.61%-0.9%范圍內(nèi),能量線性度非常好(線性相關(guān)系數(shù)R=0.99999),與成熟的Si探測系統(tǒng)指標(biāo)相當(dāng),達(dá)到了國際領(lǐng)先水平。 對4H-SiC夾心中子能譜儀開展可行性研究,通過理論模擬分析了夾心譜儀中子轉(zhuǎn)換層及探測器結(jié)構(gòu)對譜儀性能的影響規(guī)律。同時(shí)掌握了厚度精確可控的6LiF中子轉(zhuǎn)換層制備技術(shù),制備了108nm到2.5μm的6LiF中子轉(zhuǎn)換層,制作了4H-SiC夾心中子能譜儀原型,并在CFBR-Ⅱ堆上開展了熱中子測量實(shí)驗(yàn),掌握了關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)技術(shù)并獲得了譜儀熱中子能量分辨率在(163,230)keV之間,首次從實(shí)驗(yàn)上證明了4H-SiC夾心中子能譜儀可行性。 針對4H-SiC計(jì)數(shù)型中子探測器效率問題,通過Monte-Carlo方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)研究,獲得了探測器相關(guān)結(jié)構(gòu)對中子探測效率的影響規(guī)律,提出了優(yōu)化的中子轉(zhuǎn)換層、探測器結(jié)構(gòu),突破了平面型探測器熱中子探測效率5%的極限。同時(shí),制備了10B4C中子轉(zhuǎn)換層并結(jié)合4H-SiC器件制成熱中子探測器,成功實(shí)現(xiàn)了對252Cf慢化后中子的測量,探測器零偏壓下也可實(shí)現(xiàn)中子探測,其探測效率僅比350V偏壓時(shí)下降20%。采用反沖質(zhì)子法成功開展了對4.5MV靜電加速器產(chǎn)生的1.5-5MeV能區(qū)的單能快中子探測,4H-SiC中子探測器的本征探測效率均在0.01%到0.2%范圍內(nèi),且隨入射中子能量增大而增大,實(shí)驗(yàn)次級(jí)粒子能譜及本征探測效率均與理論計(jì)算結(jié)果較好吻合。 圍繞4H-SiC半導(dǎo)體探測器在脈沖輻射測量方面的應(yīng)用進(jìn)行系統(tǒng)研究,開展電流型探測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制作研究,在CFBR-Ⅱ堆產(chǎn)生的快中子脈沖輻射場中開展脈沖中子波形測量實(shí)驗(yàn)研究,成功實(shí)現(xiàn)了CFBR-Ⅱ堆的快中子脈沖波形測量,所得的脈沖波形參數(shù)與現(xiàn)有塑料閃爍體探測系統(tǒng)所得結(jié)果相對偏差均小于1%,克服了塑料閃爍體探測系統(tǒng)體積大、含氫元素多的缺點(diǎn),首次解決了CFBR-Ⅱ堆脈沖輻射場小空間中子波形直接實(shí)時(shí)測量難題;從實(shí)驗(yàn)上評(píng)估了其在CFBR-Ⅱ堆脈沖輻射場中的抗輻射性能,探明了4H-SiC外延層厚度、中子轉(zhuǎn)換層、系統(tǒng)負(fù)載等因素對波形測量結(jié)果的影響規(guī)律,為脈沖輻射測量中的抗輻射半導(dǎo)體電流型探測器提供了新的解決方案。 通過對4H-SiC探測器物理設(shè)計(jì)、電荷收集性能、帶電粒子探測性能、夾心中子能譜儀性能、計(jì)數(shù)型中子探測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與性能、電流型中子探測系統(tǒng)設(shè)計(jì)及性能等關(guān)鍵問題的系統(tǒng)研究,我們發(fā)展了基于4H-SiC的中子探測技術(shù),在國際上首次從實(shí)驗(yàn)上證明了4H-SiC夾心中子能譜儀的可行性,同時(shí)成功解決了CFBR-Ⅱ堆脈沖輻射場小空間中子波形直接實(shí)時(shí)測量難題,取得國際領(lǐng)先水平。通過上述工作,我們證明了基于4H-SiC的中子探測器具有抗輻照、體積小、能量分辨率高、能量線性度好、n/γ甄別容易等優(yōu)點(diǎn),可應(yīng)用于強(qiáng)輻照場下的中子測量,可解決CFBR-Ⅱ堆狹小空間內(nèi)中子場參數(shù)測量、點(diǎn)中子注量率在線測量和中子能譜精確測量等難題,滿足精密物理實(shí)驗(yàn)的迫切需求。
【學(xué)位單位】:中國工程物理研究院
【學(xué)位級(jí)別】:博士
【學(xué)位年份】:2014
【中圖分類】:TL816.3
【部分圖文】:

脈沖堆,快中子


中國快中子脈沖堆(Chinese Fast Burst Reactor-II, CFBR-II)是國內(nèi)在役的一座快中子脈沖堆,是一個(gè)較為理想的轄射模擬源⑴。由圖1.1可見,CFBR-II堆是由貧化鈾和黃銅反射層構(gòu)成的橢球形快中子脈沖堆。CFBR-II堆既可以工作在脈沖模式下,也可以工作在穩(wěn)態(tài)模式下,其福射場的特點(diǎn)為⑴:能譜為軟化的裂變中子譜,熱中子成分少;n/Y值大;無沖擊波和電磁波擾動(dòng)等。CFBR-II堆在脈沖工況時(shí)的典型性能指標(biāo)見表1.1!猣t'.liii ■滅r—^ 1 -圖1.1中國快中子脈沖堆1

收集率,中子輻照,電荷,粒子


述劑量的質(zhì)子和中子轄照后,探測器電荷收集率下降,但仍能探測a粒子和P粒子;經(jīng)質(zhì)子照射后的探測器的CCE在25%?30%,經(jīng)中子照射后的CCE在18%左右(圖1.2)。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明4H-SiC探測器具有優(yōu)異的抗轄射性能。但中子輻照下4H-SiC性能下降的機(jī)理方面的研宄,國際上的研究尚不充分。OtCCE on neutron irriidMtcd CREE R05f0164 I I 7.(1 i ? ?. 奶 ■ Fluciice 0".8 ■ - -o" r ? 6-0 蘭 o 2 lO' Vcm ‘/V —¢-^ * * 一- 5.0 & ? 6 lO'Vcm ^g "-6 . ■?,nO : ? 4.0 I n I lOWrm】^ 0.4 ——X……—-3.0 ^?令。? ■ :-K > ^ ,n ? ? ?^0.2 ■… ——; ‘ J X 3 lO' Vcm ‘-* - 1.(1 O , - 2S * 7 10 /cm(Ml i-.—",— 1-1 0 丨 IK1 200 300 400 500 fiOO 700 KOOreverse Was |V|圖1.2中子輻照后4H-SiC對a粒子的電荷收集率變化l2il2.耐高溫性能研宄E.V. Kalinina等人[22]研究了 4H-SiC半導(dǎo)體探測器在室溫到375°C溫度范圍內(nèi)對a粒子的探測性能,其噪聲隨溫度變化結(jié)果見圖1.3。25°C至30(rC時(shí),探測器輸出信號(hào)噪聲增長很小。當(dāng)溫度上升至3751:時(shí),探測器輸出信號(hào)噪聲也僅比25°C時(shí)增長了 50%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明基于4H-SiC材料的核轄射探測器可在高溫環(huán)境下可靠工作,證實(shí)了其良好的耐高溫特性。3.帶電粒子探測性能研宄F. H. Ruddy等人[23]通過對4H-SiC探測器入射窗和外延層進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)

基于4H-SiC的中子探測技術(shù)研究


室沮-375℃
【參考文獻(xiàn)】

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