4H-SiC探測器的快中子產(chǎn)額測量可行性研究

王飛鵬 洪 兵 李桃生 沈水法,3 蔣潔瓊 陳思澤

1（中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院 合肥230031）

2（中國科學技術(shù)大學 合肥230027）

3（福建工程學院電子電氣與物理學院 福州350118）

基于4H-SiC材料的快中子探測器位移閾能大、禁帶寬度寬、飽和電子漂移速度高，具有抗輻照、耐高溫、響應(yīng)速度快等優(yōu)點［1-2］，可以克服半導體探測器不耐高溫和不耐輻照的技術(shù)難題，在聚變中子診斷、堆芯功率監(jiān)測、脈沖中子油/氣測井、外太空試驗等高溫強輻射環(huán)境中進行中子測量時，有著很好的應(yīng)用前景［2-5］。目前，國內(nèi)外的研究主要集中于4H-SiC肖特基勢壘二極管在高溫、中子/γ及電子強輻照前后，電學性能及α粒子探測性能研究［3，6-8］，同時開展了在常溫下通過增加轉(zhuǎn)換層（LiF、LiH、BF3等）進行中子探測的探索［9-10］，使用4H-SiC探測器測量快中子產(chǎn)額的實驗研究仍需進一步深入。本文利用強流氘氚聚變中子發(fā)生器（High Intensity Deuterium-Tritium Fusion Neutron Generator，HINEG）［11］產(chǎn)生的單能14.1 MeV氘氚聚變中子測試4H-SiC探測器的性能，得到了探測器對14.1 MeV中子的注量響應(yīng)。

1 探測原理

基于4H-SiC材料制作的肖特基二極管結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中外延層厚度為30μm，外延層上沉積100 nm的Ni形成肖特基接觸，在350μm厚的4HSiC基底上蒸鍍100 nm的Ni形成歐姆接觸［12］。靈敏區(qū)規(guī)格為5 mm×5 mm，如圖1所示，探測器封裝后使用。

圖1 4H-SiC快中子探測器結(jié)構(gòu)示意圖及實物圖Fig.1 Schematic diagram and physical map of 4H-SiC fast neutron detector

中子與28Si和12C原子核發(fā)生反應(yīng)，通過收集測量核反應(yīng)產(chǎn)生的帶電粒子，實現(xiàn)中子測量。14.1 MeV氘氚聚變中子與4H-SiC探測器發(fā)生的核反應(yīng)如表1所示［12-14］。

表1 14.1 MeV中子與C、Si發(fā)生的主要核反應(yīng)Table 1 Main reactions between 14.1 MeV neutrons and C,Si

對于14.1 MeV快中子，12C（n，α0）9Be反應(yīng)的閾值為6.419 6 MeV，產(chǎn)生的帶電粒子總動能更是高達8.4 MeV，如果該特征峰在脈沖幅度譜上能很好地分離，利用該特征峰實現(xiàn)14.1 MeV中子計數(shù)測量將具有理論可行性。

2 實驗

測試工作在強流氘氚聚變中子發(fā)生器HINEG上開展，該加速器使用電子回旋共振（Electron Cyclotron Resonance，ECR）離子源產(chǎn)生D+離子，經(jīng)加速后轟擊旋轉(zhuǎn)氚靶，產(chǎn)生DT聚變中子，其中束流強度、能量及束斑大小可以根據(jù)不同的實驗需求進行調(diào)節(jié)［11］。對于探測器測試并不需要很高的中子產(chǎn)額，本次實驗的到靶流強4～5 mA，束流能量260 keV，預(yù)計中子產(chǎn)額為2.0×1010n·s-1。

探測器放置在旋轉(zhuǎn)靶的正前方距離靶點30 cm處，實驗過程中使用238U（貧鈾99.99%）平板型電離室測量HINEG的中子產(chǎn)額，長中子計數(shù)器監(jiān)測束流穩(wěn)定性。電子學設(shè)備使用標準NIM插件，信號經(jīng)前級放大后送到數(shù)據(jù)采集室，通過主放大器574A后由單道550A進行卡閾值，最后由脈沖計數(shù)器給出產(chǎn)額監(jiān)測數(shù)據(jù)，如圖2所示。

圖2 中子產(chǎn)額隨時間的變化關(guān)系Fig.2 Relationship between neutron yield and time

4H-SiC探測器連接到電荷靈敏前置放大器（CIVIDEC Cx-L）上，偏置電壓設(shè)置為-450 V（由ORTEC 710提供），前置放大器的信號接入動態(tài)范圍為1 V、采樣率為1 GS·s-1、分辨率為10 bit的波形數(shù)字化儀CANE DT5751，使用其自帶的CAEN COMPASS軟件對波形進行采集，基于MATABLE軟件對存儲的數(shù)據(jù)進行離線處理，實驗布置如圖3所示。

圖3 探測器測試示意圖及實驗布置Fig.3 Schematic diagram of detector test and experimental layout

3 實驗結(jié)果與討論

3.1 實驗結(jié)果

實驗采集時間為1 200 s，實驗測得的脈沖幅度譜如圖4所示。在非彈性散射（n，n′）3α反應(yīng)中，高激發(fā)態(tài)的12C*會發(fā)生12C*→α+8Be*→2α反應(yīng)，產(chǎn)生的帶電粒子總動能0.5～6.8 MeV，（n，n′）3α峰和（n，α1）峰則出現(xiàn)了重疊，圖中（n，α0）峰分離程度較好，其他反應(yīng)峰重疊嚴重，（n，p）峰無法識別。

3.2 數(shù)據(jù)分析與討論

核反應(yīng)產(chǎn)生的帶電粒子能量沉積到探測器中，以電脈沖信號的形式在道址上按能量的大小進行分類排列，反應(yīng)產(chǎn)物的能量ETotal=En-Q，其中En是入射中子的能量。能量低于4 MeV的中子與12C和28Si核主要發(fā)生彈性散射與非彈性散射，這部分中子份額雖然少但反應(yīng)截面大，和低能γ射線一起在脈沖幅度譜的左側(cè)形成了很高的計數(shù)區(qū)，其中12C（n，n）12C特征峰的識別程度稍高。12C（n，n′）3α、12C（n，α1）9Be在道址650左右形成了第二個計數(shù)平臺，重疊在一起。12C（n，α0）9Be反應(yīng)Q值為5.7 MeV，氘氚聚變中子能量為14.1 MeV，在脈沖幅度譜上特征峰對應(yīng)的能量為8.4 MeV，與其他幾個反應(yīng)的特征峰分離程度較好，易于區(qū)分。28Si（n，α）25Mg、28Si（n，p）28Al兩個核反應(yīng)除了基態(tài)外，產(chǎn)物核還分別存在12個和4個激發(fā)態(tài)，產(chǎn)物核的能量范圍分別為6.986～11.346 MeV、8.767～10.14 MeV［14］，由于p在SiC中的射程遠大于探測器的厚度，大部分（n，p）反應(yīng)的能量未能沉積在探測器，因此脈沖幅度譜上并未呈現(xiàn)完整的（n，p）峰。

圖4 實驗測得的脈沖幅度譜Fig.4 Pulse amplitude spectrum experimentally by experiment

探測器厚度相對于中子射程可以忽略，14.1 MeV中子在穿越厚度d的SiC材料時能量損失忽略不計，反應(yīng)截面σ(En)視為常數(shù)，做薄靶近似計算核反應(yīng)產(chǎn)物計數(shù)：

式中：NA為對應(yīng)靶上單位原子核密度。通過SRIM程序估算對應(yīng)能量的25Mg、28Al產(chǎn)物核在SiC材料的中的射程為4.12～5.5μm、4.72～5.05μm，絕大部分產(chǎn)物核能量均沉積在探測器內(nèi)，計算12C（n，α0）9Be特征峰計數(shù)CT=14.35 s-1。

在脈沖幅度譜上計算12C（n，α0）9Be特征峰計數(shù)率時應(yīng)該進行考慮的因素包括：1）28Si（n，α）25Mg、28Si（n，p）28Al兩個核反應(yīng)中子能量閾值較小計數(shù)少，產(chǎn)物核能量范圍廣，與12C（n，α0）9Be核反應(yīng)的計數(shù)部分重疊；2）特征峰數(shù)據(jù)處理的過程中，交叉重疊及本底噪聲修正；3）14.1 MeV中子與13C反應(yīng)截面是12C的2.1倍（TENDL-2011），總的沉積能量為10.16 MeV。（n，α0）為一個單峰區(qū)，分離程度較好且對稱，采用峰區(qū)本底扣除法，擬合脈沖幅度譜后做本底扣除，由特征峰的FWHM計算峰區(qū)的左、右邊道址，mL、mR計算方式如下：

式中：mp是峰位道址，符號INT的含義是取整數(shù)，計算得到CE=18.54 s-1。

計算探測效率公式為：

式中：R是靶點到探測器的距離；CE為SiC探測器（n，α0）特征峰的計數(shù)率；Yn是測量時間段內(nèi)的平均中子產(chǎn)額，由238U平板型電離室給出。

在測量過程中，中子源不能近似為點源且各向異性，中子注量不服從R-2規(guī)律，應(yīng)按照面源修正中子注量率，為此引入近距離修正因子λ［15］：

其中：R是靶點到探測器的距離；r為束斑有效半徑，取15 mm，λ=0.99。各向異性因子η=0.92［16］。考慮到Si（n，α）、Si（n，p）的干擾及高能拖尾計數(shù)的影響，引入特征峰計數(shù)修正因子κ=0.84。經(jīng)修正后，根據(jù)式（4）與實驗數(shù)據(jù)得到εE=8.89×10-6n-1·cm-2，比金剛石快中子探測器的探測器效率低一個量級［13］。12C（n，α0）9Be特征峰FWHM=190 keV，能量分辨率R=2.26%，如圖5所示，能量分辨率比文獻［11］測得稍差，這可能與探測器厚度相關(guān)，部分α能量沒有完全沉積在靈敏區(qū)上就穿透了SiC材料，導致特征峰有所展寬。探測器中參雜粒子及結(jié)構(gòu)缺陷會影響能量分辨率，另外前置放大器與探測器之間同軸電纜的長度、主放大器的成形時間均會影響探測器的能量分辨率。

圖5 12C(n,α0)9Be反應(yīng)的特征峰Fig.5 Characteristic peak of 12C(n,α0)9Be reaction

對實驗條件引入的不確定度進行分析，如表2所示。實驗中最大的不確定度來自238U平板型電離室測量平均中子產(chǎn)額的不確定度（5.6%），其次是擬合12C（n，α0）9Be特征峰計數(shù)率過程中引入不確定度（4.5%），探測器中的13C與中子反應(yīng)在脈沖幅度譜中形成高能拖尾［13］，也會影響特征峰的計數(shù)，需要進行修正。

表2 實驗不確定度分析Table 2 Experimental uncertainty analysis

4 結(jié)語

本文利用強流氘氚聚變中子發(fā)生器HINEG測試了4H-SiC探測器的探測效率，該探測器對14.1 MeV中子的探測效率為εE=8.89×10-6n-1·cm-2（±7.7%），12C（n，α0）9Be特征峰FWHM=190 keV，能量分辨率R=2.26%，探測器輸出信號穩(wěn)定，適合用于快中子計數(shù)測量。但對于中子注量較低的場合，如石油測井等則需要增加轉(zhuǎn)換層或提高靈敏區(qū)面積，在測試過程中產(chǎn)物核的能量未完全沉積在探測器中，導致（n，p）峰辨識度較差，若用于中子能譜的測量則需開展進一步的研究。

致謝 本工作得到了強流氘氚聚變中子發(fā)生器HINEG運維組成員的幫助，在此表示衷心的感謝。