基于4H-SiC的中子探测技术研究

发布时间：2020-11-19 15:10

　　随着精密物理实验的开展,对用于中国快中子脉冲堆(CFBR-Ⅱ)辐射场测量的中子探测技术提出了更高的要求。其中,狭小空间内中子场参数测量、中子能谱精确测量等方面的需求尤为迫切。面对这些迫切的需求,目前CFBR-Ⅱ堆上常用中子探测技术表现出各自的局限性：塑料闪烁体探测器探头部分体积大,含氢元素多,对反应性干扰大、气体电离室体积大,响应慢、硅探测器不耐辐照等,均无法满足上述任务需求。因此,亟需研发新型中子探测技术以满足上述精密物理实验的需求。碳化硅(Silicon carbide, SiC)材料是近年来发展起来的一种宽禁带化合物半导体材料,具有位移阈能大、禁带宽度宽、饱和电子漂移速度高等优异性能,因此基于SiC的中子探测器具有体积小、抗辐照、耐高温、响应时间快等优点,可应用于强辐照场下的中子测量从而有望满足上述需求。基于4H-SiC的中子探测技术研究近年来在国际上逐渐成为研究热点,而国内在这方面尚处于起步阶段。本论文从探测器物理设计及制备、性能表征到具体中子场应用多个环节系统地研究了基于4H-SiC的中子探测技术,实现了4H-SiC探测器制备,建立了探测器性能分析方法,揭示了其电荷收集率(Charge collection efficiency,CCE)在快中子辐照下的变化规律,掌握了4H-SiC夹心中子能谱仪实验技术并获得其关键性能指标,获得了4H-SiC中子探测器对稳态慢／快中子场探测性能,成功研制了针对CFBR-Ⅱ堆脉冲辐射场狭小空间中子波形测量的4H-SiC电流型探测系统,从而为上述CFBR-Ⅱ堆中子场测量难题提供了解决方案。为研究器件结构参数对4H-SiC探测器性能影响规律,结合半导体器件物理及Monte-Carlo模拟方法,分析了4H-SiC外延层物理参数、器件电极结构对探测器能量分辨率和电荷收集率的影响,在此基础上结合国内目前工艺水平提出合理的设计。采用SiCCVD工艺完成4H-SiC同质外延生长并采用平面工艺实现大面积的4H-SiC肖特基二极管制备。采用热电子发射理论结合IV、CV分析获得所制备器件的势垒高度为1.66eV,理想因子1.07,反向偏压700V时漏电流仅21nA,器件性能达到国际主流水平。针对4H-SiC探测器电荷收集性能研究,建立了4H-SiC探测器电荷收集率测量方法,并采用241Am源研究了4H-SiC探测器对a粒子的电荷收集特性。当外加偏压为0V时4H-SiC探测器对3.5MeV α粒子的CCE=48.7%,150V时即有CCE=99.4%,具有理想的电荷收集特性。同时,利用临界装置产生的快中子场模拟4H-SiC探测器典型使用环境,研究了4H-SiC肖特基二极管经不同中子注量辐照后对241Am源α粒子的CCE变化特性。4H-SiC探测器的CCE随快中子辐照累积注量的增加而降低,当中子累积注量达8.26×1014n/cm2时4H-SiC探测器的CCE最高仍可达88.6%,表现出了极强的抗中子辐照特性。实验分析表明快中子辐照导致4H-SiC探测器外延层产生缺陷并趋于本征,外延层内载流子的迁移率-寿命积逐渐降低,从而导致CCE的下降。当8.26×1014n/cm2快中子辐照后4H-SiC探测器(μτ)e=(1.3±0.2)x10-8cm2/V,(μτ)h:(0.8±0.1)±10-8cm2/V. 为研究4H-SiC探测系统对重带电粒子的探测性能,利用226Ra源获得了4H-SiC探测系统对4.8～7.7MeV能量范围内α粒子的能量分辨率在0.61%-0.9%范围内,能量线性度非常好(线性相关系数R=0.99999),与成熟的Si探测系统指标相当,达到了国际领先水平。对4H-SiC夹心中子能谱仪开展可行性研究,通过理论模拟分析了夹心谱仪中子转换层及探测器结构对谱仪性能的影响规律。同时掌握了厚度精确可控的6LiF中子转换层制备技术,制备了108nm到2.5μm的6LiF中子转换层,制作了4H-SiC夹心中子能谱仪原型,并在CFBR-Ⅱ堆上开展了热中子测量实验,掌握了关键实验技术并获得了谱仪热中子能量分辨率在(163,230)keV之间,首次从实验上证明了4H-SiC夹心中子能谱仪可行性。针对4H-SiC计数型中子探测器效率问题,通过Monte-Carlo方法进行优化设计研究,获得了探测器相关结构对中子探测效率的影响规律,提出了优化的中子转换层、探测器结构,突破了平面型探测器热中子探测效率5%的极限。同时,制备了10B4C中子转换层并结合4H-SiC器件制成热中子探测器,成功实现了对252Cf慢化后中子的测量,探测器零偏压下也可实现中子探测,其探测效率仅比350V偏压时下降20%。采用反冲质子法成功开展了对4.5MV静电加速器产生的1.5-5MeV能区的单能快中子探测,4H-SiC中子探测器的本征探测效率均在0.01%到0.2%范围内,且随入射中子能量增大而增大,实验次级粒子能谱及本征探测效率均与理论计算结果较好吻合。围绕4H-SiC半导体探测器在脉冲辐射测量方面的应用进行系统研究,开展电流型探测系统设计与制作研究,在CFBR-Ⅱ堆产生的快中子脉冲辐射场中开展脉冲中子波形测量实验研究,成功实现了CFBR-Ⅱ堆的快中子脉冲波形测量,所得的脉冲波形参数与现有塑料闪烁体探测系统所得结果相对偏差均小于1%,克服了塑料闪烁体探测系统体积大、含氢元素多的缺点,首次解决了CFBR-Ⅱ堆脉冲辐射场小空间中子波形直接实时测量难题；从实验上评估了其在CFBR-Ⅱ堆脉冲辐射场中的抗辐射性能,探明了4H-SiC外延层厚度、中子转换层、系统负载等因素对波形测量结果的影响规律,为脉冲辐射测量中的抗辐射半导体电流型探测器提供了新的解决方案。通过对4H-SiC探测器物理设计、电荷收集性能、带电粒子探测性能、夹心中子能谱仪性能、计数型中子探测系统设计与性能、电流型中子探测系统设计及性能等关键问题的系统研究,我们发展了基于4H-SiC的中子探测技术,在国际上首次从实验上证明了4H-SiC夹心中子能谱仪的可行性,同时成功解决了CFBR-Ⅱ堆脉冲辐射场小空间中子波形直接实时测量难题,取得国际领先水平。通过上述工作,我们证明了基于4H-SiC的中子探测器具有抗辐照、体积小、能量分辨率高、能量线性度好、n/γ甄别容易等优点,可应用于强辐照场下的中子测量,可解决CFBR-Ⅱ堆狭小空间内中子场参数测量、点中子注量率在线测量和中子能谱精确测量等难题,满足精密物理实验的迫切需求。
【学位单位】：中国工程物理研究院
【学位级别】：博士
【学位年份】：2014
【中图分类】：TL816.3
【部分图文】：

脉冲堆,快中子

中国快中子脉冲堆（Chinese Fast Burst Reactor-II, CFBR-II)是国内在役的一座快中子脉冲堆，是一个较为理想的辖射模拟源⑴。由图1.1可见，CFBR-II堆是由贫化铀和黄铜反射层构成的椭球形快中子脉冲堆。CFBR-II堆既可以工作在脉冲模式下，也可以工作在稳态模式下，其福射场的特点为⑴：能谱为软化的裂变中子谱，热中子成分少；n/Y值大;无冲击波和电磁波扰动等。CFBR-II堆在脉冲工况时的典型性能指标见表1.1。—ft'.liii ■滅r—^ 1 -图1.1中国快中子脉冲堆1

收集率,中子辐照,电荷,粒子

述剂量的质子和中子辖照后，探测器电荷收集率下降，但仍能探测a粒子和P粒子；经质子照射后的探测器的CCE在25%?30%,经中子照射后的CCE在18%左右（图1.2)。该实验结果表明4H-SiC探测器具有优异的抗辖射性能。但中子辐照下4H-SiC性能下降的机理方面的研宄，国际上的研究尚不充分。OtCCE on neutron irriidMtcd CREE R05f0164 I I 7.(1 i ? ?. 奶 ■ Fluciice 0".8 ■ - -o" r ? 6-0 兰 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|图1.2中子辐照后4H-SiC对a粒子的电荷收集率变化l2il2.耐高温性能研宄E.V. Kalinina等人[22]研究了 4H-SiC半导体探测器在室温到375°C温度范围内对a粒子的探测性能，其噪声随温度变化结果见图1.3。25°C至30(rC时，探测器输出信号噪声增长很小。当温度上升至3751：时，探测器输出信号噪声也仅比25°C时增长了 50%。实验结果说明基于4H-SiC材料的核辖射探测器可在高温环境下可靠工作，证实了其良好的耐高温特性。3.带电粒子探测性能研宄F. H. Ruddy等人[23]通过对4H-SiC探测器入射窗和外延层进行优化设计

基于4H-SiC的中子探测技术研究