基于4H-SiC微结构中子探测器的研究

发布时间：2020-06-03 18:41

【摘要】：中子探测技术在国土安全、空间科学、医疗卫生、工业等领域有着广泛的应用前景。目前,应用最广泛的中子探测器为~3He正比计数管,作为其探测介质的~3He主要来源于核武器项目的~3H衰变,随着冷战的结束,~3H的储备减小导致~3He供应量逐渐下降,同时又由于近年来世界各国对~3He气体的需求大幅增加,导致~3He面临严重短缺的现象,因此对可替代~3He正比计数管的新型中子探测器的研究已成为国际上的热点。微结构半导体中子探测器(MSND)是在平面型半导体中子探测器基础上发展起来的一种新型的中子探测器,其突破了平面型半导体中子探测器探测效率低的瓶颈,同时还具有能量分辨率高、时间响应快、线性范围宽、体积小、工作偏压低等优点,是替代~3He中子探测器的发展方向之一。传统半导体材料的MSND在一般环境下表现良好,但在高温、强辐射等恶劣环境下工作时其性能会逐渐变差甚至失效。第三代半导体4H-SiC与传统的半导体材料Si、GaAs等相比,具有禁带宽度大、临界位移能高等优点,可以满足恶劣环境下MSND对材料性能的要求。本文以4H-SiC作为衬底材料,采用蒙特卡洛方法、TCAD软件研究了MSND对热中子的探测性能及其电流脉冲响应特性、电荷收集特性,主要研究内容与结果如下:(1)总结了MSND对衬底材料及中子转换材料的性能需求,确定了以4H-SiC作为衬底材料、~6LiF作为中子转换材料可使MSND具有耐高温、抗辐射、输出信号幅度高、中子伽马甄别能力强等优点。(2)采用FLUKA软件模拟了沟槽型、圆孔型、圆柱型三种微结构的MSND在不同结构参数、不同系统甄别阈(LLD)下对热中子的探测性能,并对比分析了三种微结构的MSND对热中子探测性能的优劣,确定了在三种微结构MSND中沟槽型MSND性能最为优异;然后,得到了系统甄别阈为300KeV时三种微结构MSND的最优参数,沟槽型MSND在沟槽宽度20μm、沟槽间距5μm时拥有30.71%的最大探测效率,圆孔型MSND在圆孔直径30μm、圆孔间距5μm时拥有30.11%的最大探测效率,圆柱型MSND在圆柱直径20μm、圆柱间距10μm时拥有25.18%的最大探测效率。(3)采用TCAD软件模拟了4H-SiC沟槽型MSND分别对α粒子、~3H粒子的电流脉冲响应特性及电荷收集特性。结果表明,随次级粒子在4H-SiC中沉积能量的增大,MSND电流脉冲高度增高,电荷收集时间变长。当次级粒子入射到灵敏区内时,MSND电流脉冲高度较高,电荷收集时间较短且电荷收集率接近100%,随灵敏区内电场强度增大,MSND电流脉冲高度增高,电荷收集时间变短;当次级粒子入射到灵敏区外时,MSND电流脉冲高度很小,随入射位置的变深,MSND电荷收集时间变长、电荷收集率变小。最后,总结了4H-SiC沟槽型MSND制作工艺流程。
【图文】：

中子探测器,微结构,沟槽,半导体

但其探测效率较低；随甄别阈变化，柱结构探测效率波动最明显；沟槽结构拥有较高的探测效率且对甄别阈拥有较好的稳定性，，性能最为理想。图1.4 正弦沟槽型微结构半导体中子探测器[15](a) (b) (c)图1.5 (a)圆孔型 MSND (b)沟槽型 MSND (c)圆柱型 MSND[16]图1.6 三种基本微结构 MSND 探测效率随 LLD 变化趋势[16]2010 年，C.MHenderson 等人基于 MSND 研制出中子个人剂量计[17]，如图 1.7 所

个人中子剂量计

带来的效率不一致低于 10%。此研究表明，正弦沟槽微结构能够使入射方向差异造成的探测效率变化得到抑制，然而，此结果并没有通过实验研究得到验证。图1.7 个人中子剂量计[17]2011 年，R.J.Nikolic 等人研制了圆柱型 MSND[19]，选择硅作为衬底，利用深反应等离子体刻蚀技术对其进行刻蚀得到柱状微结构，圆柱直径、间距、高度依次是 2μm、2μm、26μm，如图 1.8 所示。中子转换材料选择10B并将其填充至柱与柱间。通过252Cf裂变中子源，以聚乙烯块实现慢化对其完成测试，最终发现，当甄别阈设定为 110KeV时，其探测效率可达到 20%。该研究表明，采用柱状微结构的 MSND 拥有较高的探测效率。同年
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TL816.3

【参考文献】