用于高温强辐射场的SiC中子探测器技术研究
发布时间：2021-11-03 03:57
空间核反应堆电源是一种较为理想的空间动力能源,对空间技术的发展有着重要意义。为确保空间堆能够在太空环境长期稳定工作,需要对空间堆的运行状况进行监测,使用中子探测器测量中子注量是其中一项重要内容。在空间堆上进行中子探测,中子探测器会面临高温和强辐照等环境因素的影响,对中子探测器的性能提出了很高的要求。目前,常用的中子探测器在上述场景中都具有局限性。4H-SiC材料继承了传统半导体材料的优点,也具有耐高温和抗辐照的特性,使用4H-SiC材料研制中子探测器有望突破传统半导体探测器不耐高温和辐照的瓶颈,解决上述场景中的中子注量测量难题。因此，本论文开展了高温和n/γ辐照对4H-SiC探测器性能综合影响规律研究。为研究4H-SiC探测器在高温下的性能变化规律,建立了在高温下4H-SiC探测器的性能测试方法,完成了高温下4H-SiC探测器的电学性能测试和带电粒子探测。本论文使用带电粒子模拟热中子与4H-SiC探测器的6LiF中子转换层作用后产生的次级带电粒子。在200°C的高温和70V的反向偏压（工作电压）下,4H-SiC探测器的漏电流仅为98.7nA;在常温-200的温度范围内,4H-SiC探测...
【文章来源】：中国工程物理研究院北京市
【文章页数】：53 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２．２?４Ｈ－ＳｉＣ探测器实物图??９??
本文研究的４Ｈ－ＳｉＣ中子探测器的主要目的是对空间堆的热中子注量进行测量，在??４Ｈ－ＳｉＣ探测器表面增加中子转换层，可将热中子探测问题转化为带电粒子探测问题，??４Ｈ－ＳｉＣ中子探测器的结构如图２．３所示，具体探测原理在下一节展开。??ＳｉＣ?Ｄｉｏｄｅ??Ｎｅｕｔｒｏｎ??Ｃｏｎｖｅｒｔｏｒ??Ｌａｙｅｒ??－ｕ?＇國．、??Ｆｒｏｎｔ?Ｃｏｎｔａｃｔ?！?ｘ??ＳｉＣ?Ｅｐｉｔａｘｉａｌ?Ｌａｙｅｒ?｜?Ｂａｃｋ?Ｃｏｎｔａｃｔ??ＳｉＣ?Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ??图２．３?４Ｈ－ＳｉＣ中子探测器的结构??２．２?４Ｈ－Ｓ１Ｃ中子探测器的探测原理??本节介绍了?４Ｈ－ＳｉＣ中子探测器的探测原理，同时考虑到中子探测过程中会伴随Ｙ??射线的干扰，因此对４Ｈ－ＳｉＣ中子探测器与Ｙ射线的作用机理也进行了介绍。??４Ｈ－ＳｉＣ探测器对不同类型的粒子探测基本原理相同，都是粒子直接或通过次级粒子??在４Ｈ－ＳｉＣ探测器内发生能量沉积，沉积的能量会使得４Ｈ－ＳｉＣ探测器的灵敏区内产生电??子空穴对，在４Ｈ－ＳｉＣ探测器的两极上施加反向偏压，电子和空穴会在电场作用下分别??向两极移动，从而产生电信号。在４Ｈ－ＳｉＣ晶体内产生一对电子空穴对的能量约为??７．８ｅＶ［２８］，且产生的电子空穴对数量与沉积的能量成正比。??２．２．１?４Ｈ－ＳｉＣ探测器对中子的探测原理??由于中子不带电
??测量热中子时，需要在４Ｈ－ＳｉＣ探测器前放置一转换层，如图２．３，转换层材料一般??选用６ＬｉＦ和ｉａＢ４Ｃ。当热中子通过转换层时，会发生以下核反应［２９］：??６Ｌｉ＋ｎ＾－?４Ｈｅ＋３Ｈ?（２－１）??或??ｉ０Ｂ＋ｎ－＾?４Ｈｅ＋７Ｌｉ?（２－２）??热中子与转换层材料发生核反应后，会产生次级带电粒子，４Ｈ－ＳｉＣ探测器能直接探测??到这些次级带电粒子。当转换层材料为６ＬｉＦ时，核反应产生的４Ｈｅ和３Ｈ粒子的能量分??别为２．０５ＭｅＶ和２．７３ＭｅＶ。转换层厚度与热中子的探测效率有关，转换层厚度过小或??过大均会使探测器的热中子探测效率减小，一般６ＬｉＦ转换层厚度以２０ｐｍ左右为宜［３（）］。??同时为获得更好的探测效果，中子转换层应尽量靠近４Ｈ－ＳｉＣ探测器表面。??在测量快中子时，可在４Ｈ－ＳｉＣ探测器前放置富含Ｈ元素的转换层，常用的有聚乙??烯转换层
【参考文献】：
期刊论文
[1]千瓦级空间核反应堆电源发展现状[J]. 王晓博. 工程技术研究. 2017(10)
[2]基于4H-SiC的高能量分辨率α粒子探测器[J]. 吴健,蒋勇,甘雷,李勐,邹德慧,荣茹,鲁艺,李俊杰,范晓强,雷家荣. 强激光与粒子束. 2015(01)
[3]核反应堆空间应用研究[J]. 张明,蔡晓东,杜青,雷英俊,胡古,陈宋. 航天器工程. 2013(06)
[4]Ti/4H-SiC SBD中子辐照效应的研究[J]. 邱彦章,张林. 微电子学. 2013(05)
[5]4H-SiC肖特基二极管的电荷收集特性[J]. 吴健,雷家荣,蒋勇,陈雨,荣茹,范晓强. 强激光与粒子束. 2013(07)
[6]基于4H-SiC肖特基二极管的中子探测器[J]. 蒋勇,吴健,韦建军,范晓强,陈雨,荣茹,邹德慧,李勐,柏松,陈刚,李理. 原子能科学技术. 2013(04)
[7]4H-SiC肖特基二极管α探测器研究[J]. 陈雨,范晓强,蒋勇,吴健,白立新,柏松,陈刚,李理. 核电子学与探测技术. 2013(01)
[8]Ti/4H-SiC肖特基势垒二极管抗辐射特性的研究[J]. 张林,肖剑,邱彦章,程鸿亮. 物理学报. 2011(05)
[9]CFBR-Ⅱ堆典型辐照位置的中子能谱计算[J]. 杜金峰. 核技术. 2010(03)
[10]Ni/4H-SiC肖特基二极管高温特性研究[J]. 王悦湖,张义门,张玉明,陈锐标,王雷,周拥华. 西安电子科技大学学报. 2004(01)
博士论文
[1]基于4H-SiC的中子探测技术研究[D]. 吴健.中国工程物理研究院 2014
本文编号：3472998
【文章来源】：中国工程物理研究院北京市
【文章页数】：53 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２．２?４Ｈ－ＳｉＣ探测器实物图??９??
本文研究的４Ｈ－ＳｉＣ中子探测器的主要目的是对空间堆的热中子注量进行测量，在??４Ｈ－ＳｉＣ探测器表面增加中子转换层，可将热中子探测问题转化为带电粒子探测问题，??４Ｈ－ＳｉＣ中子探测器的结构如图２．３所示，具体探测原理在下一节展开。??ＳｉＣ?Ｄｉｏｄｅ??Ｎｅｕｔｒｏｎ??Ｃｏｎｖｅｒｔｏｒ??Ｌａｙｅｒ??－ｕ?＇國．、??Ｆｒｏｎｔ?Ｃｏｎｔａｃｔ?！?ｘ??ＳｉＣ?Ｅｐｉｔａｘｉａｌ?Ｌａｙｅｒ?｜?Ｂａｃｋ?Ｃｏｎｔａｃｔ??ＳｉＣ?Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ??图２．３?４Ｈ－ＳｉＣ中子探测器的结构??２．２?４Ｈ－Ｓ１Ｃ中子探测器的探测原理??本节介绍了?４Ｈ－ＳｉＣ中子探测器的探测原理，同时考虑到中子探测过程中会伴随Ｙ??射线的干扰，因此对４Ｈ－ＳｉＣ中子探测器与Ｙ射线的作用机理也进行了介绍。??４Ｈ－ＳｉＣ探测器对不同类型的粒子探测基本原理相同，都是粒子直接或通过次级粒子??在４Ｈ－ＳｉＣ探测器内发生能量沉积，沉积的能量会使得４Ｈ－ＳｉＣ探测器的灵敏区内产生电??子空穴对，在４Ｈ－ＳｉＣ探测器的两极上施加反向偏压，电子和空穴会在电场作用下分别??向两极移动，从而产生电信号。在４Ｈ－ＳｉＣ晶体内产生一对电子空穴对的能量约为??７．８ｅＶ［２８］，且产生的电子空穴对数量与沉积的能量成正比。??２．２．１?４Ｈ－ＳｉＣ探测器对中子的探测原理??由于中子不带电
??测量热中子时，需要在４Ｈ－ＳｉＣ探测器前放置一转换层，如图２．３，转换层材料一般??选用６ＬｉＦ和ｉａＢ４Ｃ。当热中子通过转换层时，会发生以下核反应［２９］：??６Ｌｉ＋ｎ＾－?４Ｈｅ＋３Ｈ?（２－１）??或??ｉ０Ｂ＋ｎ－＾?４Ｈｅ＋７Ｌｉ?（２－２）??热中子与转换层材料发生核反应后，会产生次级带电粒子，４Ｈ－ＳｉＣ探测器能直接探测??到这些次级带电粒子。当转换层材料为６ＬｉＦ时，核反应产生的４Ｈｅ和３Ｈ粒子的能量分??别为２．０５ＭｅＶ和２．７３ＭｅＶ。转换层厚度与热中子的探测效率有关，转换层厚度过小或??过大均会使探测器的热中子探测效率减小，一般６ＬｉＦ转换层厚度以２０ｐｍ左右为宜［３（）］。??同时为获得更好的探测效果，中子转换层应尽量靠近４Ｈ－ＳｉＣ探测器表面。??在测量快中子时，可在４Ｈ－ＳｉＣ探测器前放置富含Ｈ元素的转换层，常用的有聚乙??烯转换层
【参考文献】：
期刊论文
[1]千瓦级空间核反应堆电源发展现状[J]. 王晓博. 工程技术研究. 2017(10)
[2]基于4H-SiC的高能量分辨率α粒子探测器[J]. 吴健,蒋勇,甘雷,李勐,邹德慧,荣茹,鲁艺,李俊杰,范晓强,雷家荣. 强激光与粒子束. 2015(01)
[3]核反应堆空间应用研究[J]. 张明,蔡晓东,杜青,雷英俊,胡古,陈宋. 航天器工程. 2013(06)
[4]Ti/4H-SiC SBD中子辐照效应的研究[J]. 邱彦章,张林. 微电子学. 2013(05)
[5]4H-SiC肖特基二极管的电荷收集特性[J]. 吴健,雷家荣,蒋勇,陈雨,荣茹,范晓强. 强激光与粒子束. 2013(07)
[6]基于4H-SiC肖特基二极管的中子探测器[J]. 蒋勇,吴健,韦建军,范晓强,陈雨,荣茹,邹德慧,李勐,柏松,陈刚,李理. 原子能科学技术. 2013(04)
[7]4H-SiC肖特基二极管α探测器研究[J]. 陈雨,范晓强,蒋勇,吴健,白立新,柏松,陈刚,李理. 核电子学与探测技术. 2013(01)
[8]Ti/4H-SiC肖特基势垒二极管抗辐射特性的研究[J]. 张林,肖剑,邱彦章,程鸿亮. 物理学报. 2011(05)
[9]CFBR-Ⅱ堆典型辐照位置的中子能谱计算[J]. 杜金峰. 核技术. 2010(03)
[10]Ni/4H-SiC肖特基二极管高温特性研究[J]. 王悦湖,张义门,张玉明,陈锐标,王雷,周拥华. 西安电子科技大学学报. 2004(01)
博士论文
[1]基于4H-SiC的中子探测技术研究[D]. 吴健.中国工程物理研究院 2014
本文编号：3472998
本文链接：https://www.wllwen.com/projectlw/hkxlw/3472998.html
