基于 6 Li+CdTe的新型中子探测器的优化设计研究

发布时间：2021-08-26 22:42

　　面对³He气体资源严重短缺的国际形势,2018年基于⁶Li+CdTe新型中子探测器方案被提了出来,其具备热中子探测效率高、γ灵敏度低及可与³He气体中子探测器相比拟的特点,有很好的应用前景。本文分析⁶Li+CdTe中子探测器的结构和工作原理,采用MCNP6软件对⁶Li+CdTe中子探测器进行物理建模并且对其物理性能、结构参数、中子慢化体设计等进行模拟计算,并就该探测器在特殊核材料监测系统中的应用开展了探索研究。结果显示:CdTe吸收层的最佳厚度为10μm;当6层⁶Li+CdTe的中子探测单元叠加时,⁶Li转化层的最佳厚度为60μm,此时热中子探测效率超过50%;探测系统的尺寸达到4 m×32 cm时,可以满足特殊核物质监测的要求。整个模拟研究获得了探测器最佳工作参数以及辐射监测系统设计方案,对特殊核材料在线中子监测装置的实验研究具有指导意义。 

【文章来源】：核技术. 2020,43(08)北大核心CSCD

【文章页数】：6 页

【部分图文】：

6Li+CdTe中子探测器的结构

因为4He粒子的射程较短，只有极少数的4He粒子能穿透Li层进入到CdTe中，所以我们只模拟3H粒子在CdTe的沉积情况来确定CdTe的最佳厚度。设CdTe密度为6.38 g?cm-3，取CdTe薄膜的厚度为2μm、5μm、8μm、10μm、15μm、20μm，模拟得到中子探测器对能量为2.75 MeV 3H粒子的响应情况，从而确定出一个最佳的CdTe厚度。模拟结果如图2所示，随着CdTe厚度增加，CdTe中3H粒子沉积能量增加，相应的电子-空穴对数目将随之增加，输出信号幅度增加，有利于信号采集。但由于天然镉中113Cd同位素与中子的反应截面较大，导致中子进入6Li薄膜之前会在CdTe中损失掉，因此CdTe的厚度并不能太大。在实际操作中为了剔除电子学噪声以及γ射线的干扰，会设置一定的能量阈值，CdTe的厚度应至少满足3H沉积能量大于设定阈值（与γ信号区分开，取300 keV）时的最小厚度。当CdTe吸收层的厚度大于8μm时，99.25%粒子沉积能量大于300 keV。考虑CdTe吸收层的PN结内少量电子-空穴对会发生复合效应[9]而不能被完全收集，导致实际的能量沉积效果要差于模拟的结果，实验中留有一定的裕度，CdTe厚度取10μm较为合理，后续模拟中均采用10μm。

将CdTe吸收层的厚度固定为10μm，设6Li丰度为100%、密度为0.534 g?cm-3，模拟计算得到基本探测单元层数以及6Li薄膜厚度对中子探测效率的影响，如图3所示。对于相同的探测单元层数，随着6Li薄膜厚度的增加，探测效率都呈现先增加后减少的趋势。这是因为在6Li薄膜厚度较小时，随着6Li厚度的增加，对热中子的吸收就更充分，致使探测效率增加。但当厚度增加到一定程度时，吸收热中子产生的4He粒子和3H粒子无法穿透6Li薄膜进入CdTe吸收层，反而使探测效率有所下降，6Li薄膜的最佳厚度随着基本探测单元数目的增加而减小。6层6Li+CdTe探测单元叠加时，6Li薄膜最佳厚度为60μm，探测效率达到51.86%，高于或与其他3He替代型中子探测器相当[10-14]。2.3 γ灵敏度


本文编号：3365105