基于4H-SiC的中子探測技術研究.pdf

1、隨著精密物理實驗的開展，對用于中國快中子脈沖堆(CFBR-Ⅱ)輻射場測量的中子探測技術提出了更高的要求。其中，狹小空間內中子場參數測量、中子能譜精確測量等方面的需求尤為迫切。面對這些迫切的需求，目前CFBR-Ⅱ堆上常用中子探測技術表現出各自的局限性:塑料閃爍體探測器探頭部分體積大，含氫元素多，對反應性干擾大、氣體電離室體積大，響應慢、硅探測器不耐輻照等，均無法滿足上述任務需求。因此，亟需研發(fā)新型中子探測技術以滿足上述精密物理實驗的需求。

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、響應時間快等優(yōu)點，可應用于強輻照場下的中子測量從而有望滿足上述需求。基于4H-SiC的中子探測技術研究近年來在國際上逐漸成為研究熱點，而國內在這方面尚處于起步階段。本論文從探測器物理設計及制備、性能表征到具體中子場應用多個環(huán)節(jié)系統(tǒng)

3、地研究了基于4H-SiC的中子探測技術，實現了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夾心中子能譜儀實驗技術并獲得其關鍵性能指標，獲得了4H-SiC中子探測器對穩(wěn)態(tài)慢/快中子場探測性能，成功研制了針對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。
　　為研究器件結構參數對4H-SiC探測器性能影響規(guī)律，結合半導體器件物理及Monte-Carlo模擬方法，分析了4H-SiC外延層物理參數、器件電極結構對探測器能量分辨率和電荷收集率的影響，在此基礎上結合國內目前工藝水平提出合理的設計。采用SiC CVD工藝完成4H-SiC同質外延生長并采用平面工藝實現大面積的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時漏電流僅21nA，器件性能達到國際主流水平。
　　針對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α粒子的電荷收集特性。當外加偏壓為0V時4H-SiC探測器對3.5 MeVα粒子的CCE=48.7％，150 V時即有CCE=99.4％，具有理想的電荷收集特性。同時，利用臨界裝置產生的快中予場模擬4

6、H-SiC探測器典型使用環(huán)境，研究了4H-SiC肖特基二極管經不同中子注量輻照后對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，當中子累積注量達8.26×1014 n/cm2時4H-SiC探測器的CCE最高仍可達88.6％，表現出了極強的抗中子輻照特性。實驗分析表明快中子輻照導致4H-SiC探測器外延層產生缺陷并趨于本征，外延層內載流子的遷移率-壽命積逐漸降低，從而導致CCE的下降。當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4.8～7.7 MeV能量范圍內α粒子的能量分辨率在0.61％～0.9％范圍內，能量線性度非常好(線性相關系數R=0.99999)，與成熟的Si探測系統(tǒng)指標相當，達到了國際領先水平

8、。
　　對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換層及探測器結構對譜儀性能的影響規(guī)律。同時掌握了厚度精確可控的6LiF中子轉換層制備技術，制備了108nm到2.5μm的6LiF中子轉換層，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驗，掌握了關鍵實驗技術并獲得了譜儀熱中子能量分辨率在(163，230) keV之間，首次從實驗上證明了4H-SiC夾心中子能譜儀可行性

9、。
　　針對4H-SiC計數型中子探測器效率問題，通過Monte-Carlo方法進行優(yōu)化設計研究，獲得了探測器相關結構對中子探測效率的影響規(guī)律，提出了優(yōu)化的中子轉換層、探測器結構，突破了平面型探測器熱中子探測效率5％的極限。同時，制備了1B4C中子轉換層并結合4H-SiC器件制成熱中子探測器，成功實現了對252Cf慢化后中子的測量，探測器零偏壓下也可實現中子探測，其探測效率僅比350 V偏壓時下降20％。采用反沖質子法成功開展了對

10、4.5 MV靜電加速器產生的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，且隨入射中子能量增大而增大，實驗次級粒子能譜及本征探測效率均與理論計算結果較好吻合。
　　圍繞4H-SiC半導體探測器在脈沖輻射測量方面的應用進行系統(tǒng)研究，開展電流型探測系統(tǒng)設計與制作研究，在CFBR-Ⅱ堆產生的快中予脈沖輻射場中開展脈沖中子波形測量實驗研究，成功實現了CFBR-Ⅱ堆的快中子脈沖波

11、形測量，所得的脈沖波形參數與現有塑料閃爍體探測系統(tǒng)所得結果相對偏差均小于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，首次解決了CFBR-Ⅱ堆脈沖輻射場小空間中子波形直接實時測量難題;從實驗上評估了其在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、中子轉換層、系統(tǒng)負載等因素對波形測量結果的影響規(guī)律，為脈沖輻射測量中的抗輻射半導體電流型探測器提供了新的解決方案。
　　通過對4H-SiC探測器物理設計

12、、電荷收集性能、帶電粒子探測性能、夾心中子能譜儀性能、計數型中子探測系統(tǒng)設計與性能、電流型中子探測系統(tǒng)設計及性能等關鍵問題的系統(tǒng)研究，我們發(fā)展了基于4H-SiC的中子探測技術，在國際上首次從實驗上證明了4H-SiC夾心中子能譜儀的可行性，同時成功解決了CFBR-Ⅱ堆脈沖輻射場小空間中子波形直接實時測量難題，取得國際領先水平。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