基于4H-SiC的中子探測技術(shù)研究.pdf

1、隨著精密物理實(shí)驗(yàn)的開展，對(duì)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(duì)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(duì)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。

2、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?qǐng)鱿碌闹凶訙y量從而有望滿足上述需求?；?H-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)

3、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(duì)穩(wěn)態(tài)慢/快中子場探測性能，成功研制了針對(duì)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

4、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(duì)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(duì)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SiC CVD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

5、為1.66 eV，理想因子1.07，反向偏壓700 V時(shí)漏電流僅21nA，器件性能達(dá)到國際主流水平。
　　針對(duì)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(duì)α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(duì)3.5 MeVα粒子的CCE=48.7％，150 V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)生的快中予場模擬4

6、H-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(duì)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)8.26×1014 n/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

7、.26×1014 n/cm2快中子輻照后4H-SiC探測器(μt)e=(1.3±0.2)x10-8 cm2/V，（μτ）h=(0.8±0.1)x10-8 cm2/V。為研究4H-SiC探測系統(tǒng)對(duì)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(duì)4.8～7.7 MeV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

8、。
　　對(duì)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(duì)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

9、。
　　針對(duì)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(duì)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1B4C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(duì)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350 V偏壓時(shí)下降20％。采用反沖質(zhì)子法成功開展了對(duì)

10、4.5 MV靜電加速器產(chǎn)生的1.5-5 MeV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)生的快中予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

11、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(duì)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(duì)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(duì)4H-SiC探測器物理設(shè)計(jì)

12、、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