微结构半导体中子探测器研究进展

微结构半导体中子探测器(MSND)除了具有体积小、时间响应快、工作偏压低以及易于与读出电子学系统集成等优点外,还解决了二维平面半导体中子探测器存在的探测效率极低的问题(<5%),其在军用和民用领域都具有良好的发展前景。介绍了微结构半导体中子探测器的中子探测原理,简述了其发展概况,综述了近年来的研究进展,展望了微结构半导体中子探测器的研究方向和应用前景。

微结构半导体中子探测器研制

微结构半导体中子探测器具备探测效率高、响应时间快、体积小等优点,性能相对传统平面型半导体中子探测器有本质提升。采用蒙卡方法分析了器件微结构参数对沟槽型微结构探测器的性能影响规律,并结合工艺条件制备出沟槽宽度26μm,沟槽间距13μm,沟槽深度22μm,灵敏区面积1.8×1.8 cm^2的微结构探测器。该探测器在10 V的反向偏压下,漏电流仅1.24×10^(-7)A/cm^2,优于国外研究组报道的漏电流特性。利用同位素α源开展了带电粒子探测性能测试,所制备微结构探测器可实现241Am源α粒子探测。在外加0 V偏压时,微结构探测器即可获得与电子学噪声区分明显的241Am源α粒子能谱。本工作证明了微结构探测器对带电粒子具有良好的探测性能。

微结构半导体中子探测器研究进展

介绍了微结构半导体中子探测器的原理,从微结构形式、制作工艺、理论模拟及实验研究等方面综述了微结构半导体中子探测器近年来的研究进展。可以看出,微结构半导体中子探测器结构、参数、中子转换材料填充密度及甄别阀大小等因素对中子探测效率有影响。微结构半导体中子探测器具有中子探测效率高、体积小、时间响应快、工作偏压低等优点,是替代~3He正比计数管的理想器件。

变组分变掺杂p-i-n型AlGaAs/GaAs微结构中子探测器性能表征

制备了一种在p-i-n型AlGaAs/GaAs材料上刻蚀微沟槽的中子探测器。通过MOCVD技术生长了变组分变掺杂的p-i-n型AlGaAs/GaAs,使用ICP技术在材料上刻出微沟槽,沟槽宽度为25μm,深度为10μm。探测器的探测面积为4 mm^(2),沟槽宽度和间距为1∶1,呈周期性排列,在沟槽中填充中子转换材料探测热中子信号。通过对平面和微结构p-i-n型AlGaAs/GaAs探测器的电学特性、α粒子以及中子探测性能的比较分析,发现两者在电学特性和α粒子能量分辨率方面有较大差别。5 V偏压下平面型和微结构AlGaAs/GaAs探测器的漏电流分别是-0.024 1μA、-0.627μA,两者相差近30倍,这是由于微结构刻蚀了部分异质结导致器件表面漏电流增加。0 V偏压下微结构探测器α粒子能量分辨率比平面型也有些许恶化,但在热中子探测上微结构效果更佳,中子总计数微结构比平面型多一倍。微结构降低了探测器的自吸收问题,同时增大了探测器的中子接触面积,在热中子探测上应用前景广阔。

基于大厚度六方氮化硼中子探测器的制备

六方氮化硼是一种中子敏感材料。介绍了使用低压气相化学沉积在1673K下以大约20μm/h的生长速率制备了高质量203μm厚的六方氮化硼。在氮化硼的两侧沉积厚度为100nm的金电极,制备了垂直结构的六方氮化硼中子探测器。该器件的电学性质表明制备的六方氮化硼材料的迁移率寿命的乘积(μτ)为2.8×10^(-6)cm^(2)/V,电阻率为1.5×10^(14)Ω·cm。在850V电压下,该探测器对热中子的探测效率为34.5%,电荷收集效率为60%。

用硅半导体探测器测量快中子平均能量的方法

本文叙述了用两个硅半导体探测器测量~3H(d,n)~4He 反应中子平均能量的方法,并将所得结果与用^(58)Ni(n,p)^(58m+g)Co 和^(58)Ni(n,2n)^(57)Ni 反应截面比测定的平均中子能量做了比较.

GaN中子探测器研究进展

GaN半导体具有禁带宽度大、耐高温、耐辐射、击穿电压高、饱和电子迁移率高等优点,在核辐射监测、深空探测、核事故应急等领域有重要的应用潜力。本文阐述了GaN半导体中子探测器的基本性质和国内外研究进展,从探测器结构、材料缺陷类型、中子转换材料等角度重点介绍了GaN中子探测器的发展现状,总结了制约GaN中子探测器应用的关键问题,展望了GaN半导体在中子探测领域的发展趋势。

沟槽型硅微结构中子探测器的蒙特卡罗模拟研究

采用蒙特卡罗模拟方法研究了微结构参数、填充致密度等因素对沟槽型微结构半导体中子探测器(MSND)性能的影响规律,并开展了沟槽型MSND的优化设计研究。研究表明,随着沟槽间距的增加,MSND的探测效率呈下降趋势;当沟槽间距固定时,存在最优的沟槽宽度使得探测效率最大化;沟槽深度越大,探测效率越高。沟槽宽度和沟槽间距为15μm和5μm是一对优化的参数组合,可保证较高的探测效率和较平稳的系统甄别阈-探测效率曲线。当系统甄别阈取300keV时,沟槽宽度、间距和深度分别为15,5μm和200μm时的MSND热中子本征探测效率可达37.77%,与平面探测器相比提高了9.2倍;对137 Cs源662keV伽马射线的中子-伽马射线甄别比可达4.1×103,与平面探测器相比提高了23.7倍。本工作从理论上证明了MSND可解决传统平面型半导体中子探测器探测效率低的难题,同时可保持半导体探测器中子-伽马射线甄别容易的特点。

三种新型半导体探测器的应用进展研究

介绍了3种常见的新型半导体探测器,即硅微条探测器、电制冷半导体探测器和微结构半导体中子探测器,对这3种探测器的工作原理及应用优势等进行了分析。

几种新型半导体探测器及应用

最近几年,新型半导体探测器如电致冷半导体探测器、硅微条、微结构半导体中子探测器等在核物理领域发展很快,应用范围很广。该文介绍了电致冷半导体探测器、硅微条、微结构半导体中子探测器等新型半导体探测器的结构、原理及优点,简要阐述了其发展现状和应用前景,还举例说明了这几种新型半导体探测器在核医学、高能物理等领域的应用。

层叠结构的Si_(0.65)Ge_(0.35)/Si红外探测器的微结构研究

采用定位的横断面透射电子显微术观察了P+Si065Ge035/pSi异质结内光发射红外探测器的微结构.该器件光敏区由6层p+Si065Ge035和5层UDSi层组成,每层都比较平整,各层厚度分别为6nm和32nm.在Si065Ge035/UDSi界面处存在应力场,但未观察到晶体缺陷.非晶SiO2台阶上的Si065Ge035和UDSi层是波浪状的多晶层.光敏区的边界处存在小于120nm宽的缺陷区。

SiC基中子探测器对热中子的响应

以SiC二极管和中子转换材料6 LiF为基础,研制了SiC基中子探测器,并用241 Am源与临界装置分别研究了SiC基中子探测器的α粒子响应、热中子响应。结果表明:SiC基中子探测器能够满足241 Am源α粒子的计数测量,但由于SiC二极管灵敏区薄,故不能用于5.48MeV的α粒子能谱测量;SiC基中子探测器对热中子响应良好,不同功率下,脉冲幅度谱中可清晰看到由6 Li(n,α)3 H的反应产物α粒子、3 H粒子形成的双峰;脉冲幅度甄别法可将γ射线及电子学噪声甄别掉;在直接测量与符合测量中,SiC基中子探测器的计数率均与临界装置功率成线性关系,且直接测量的线性度比符合测量的线性度好,最好可达0.999 97。研究表明:降低肖特基接触金属的厚度、增加其外延层厚度、提高其外延层品质,可将SiC二极管用于带电粒子能谱测量。

基于4H-SiC肖特基二极管的中子探测器

针对当前极端环境下耐辐照半导体中子探测器的需求,采用耐高温、耐辐照的碳化硅宽禁带半导体材料,利用6 Li(n,α)3 H核反应原理,研制了基于4H-SiC肖特基二极管的中子探测器。利用磁控溅射完成中子转化层的制作,并用SEM表征6 LiF膜厚。在10～600V反向偏压下,漏电流维持在6.4nA以下,表明探测器具备良好的半导体-金属肖特基整流接触。利用241 Am源研究探测器对5.486 MeV的α粒子的响应,测得分辨率为4.5%。同时,利用该探测器测量了由临界装置产生并经石蜡块慢化后的热中子,观测到热中子与6 Li作用产生的α和T粒子信号的实验结果。

基于6Li+CdTe的新型中子探测器的优化设计研究

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。

碳化硅热中子探测器的优化设计

采用MC法对用于热中子探测的碳化硅探测器开展设计。优化了中子转换层参数和半导体器件参数,研究表明采用^(10)B作为中子转换材料,其最优厚度为2μm,在系统甄别阈为300 keV时对应的探测效率理论值为3.29%。制备了碳化硅外延层厚度20μm,灵敏区面积5 mm×5 mm的碳化硅器件,在外加反向偏压达180V时,其漏电流仅20.8 nA。性能测试表明:该器件对4.7-6.0 MeV的α粒子具有极好的能量线性,其线性度达0.999 97。对5.49 MeV的α粒子的能量分辨率为1.03%,对应半高宽57.3keV,与SiC高分辨α探测器分辨率相当。

MC模拟计算单球多探测器中子谱仪能量响应曲线

利用MCNPX模拟计算了在三种几何辐照条件下和四种典型中子源入射时的单球中子谱仪的能量响应,模拟计算结果表明:当中子能量大于1MeV时,能量响应满足各向同性;当中子能量小于1MeV时,位于单球浅层的探测器响应各向同性变差241Am-Be中子源和252Cf中子源入射时,单球中子谱仪响应不受几何辐照条件影响,当中子源包含有热中子,超热中子和慢中子时,位于单球谱仪浅层的探测器能量响应因几何辐照条件不同而有差异。

组合P IN脉冲中子探测器的能量响应

组合P IN脉冲中子探测器由一对P IN半导体和中子辐射体组成。理论计算了CH2和235U分别作为中子辐射体的组合P IN脉冲中子探测器的灵敏度随中子能量的变化;用脉冲中子源实验测量了由CH2辐射体组成的探测器的14M eV中子灵敏度,实验结果与计算符合很好。

2维位置灵敏中子探测器读出

介绍了基于厚型气体电子倍增探测器(THGEM)的位置灵敏热中子探测器中,采用专用集成电路的阵列电荷灵敏前置放大和可编程器件的读出电子学设计。专用集成电路采用VA64TA2,64通道输入电荷灵敏放大成型,触发输出。控制电路使用了现场可编程器件。两者结合,显著减少了读出电路在探测器内所占据的空间。介绍了VA64TA2裸片的封装,给出了电路的原理和时序,进行了线性和电子学噪声试验,结果表明电路具有16fC的线性动态范围,电子学噪声仅为75个电子电荷。

三探测器中子周围剂量当量/能谱监测仪的设计

本文基于三片微结构探测器设计了一种精确且便携的中子周围剂量当量/能谱监测仪,将探测器插入圆柱形聚乙烯的不同慢化深度处同时计数,并设计了中子周围剂量当量H^(*)(10)及能谱求解算法。H^(*)(10)测量采用最小相对误差二乘的修正方法,将各探测器的响应曲线拟合得到更接近标准剂量转换系数(DCC)曲线的结果,能谱测量采用新型广义回归神经网络(GRNN)解谱算法。对IAEA标准辐照环境进行测试,H^(*)(10)计算结果的平均相对误差仅为8.58%。在Am-Be参考辐射场中进行实验,3个测量点H^(*)(10)测量结果与标准值的相对误差均小于10%,解谱结果与标准能谱较相似。模拟计算结果表明,引入吸收体的方法可有效改善角响应性能。

六方氮化硼中子探测器的研究进展

六方氮化硼中子探测器具有泄漏电流小、体积小、响应速度快、探测效率高、对γ射线不灵敏等优点,有望取代传统的^(3)He气体探测器和微结构半导体中子探测器而得到广泛应用。文章介绍了六方氮化硼中子探测器的原理,从制备工艺、探测器结构、探测器性能等方面综述了六方氮化硼中子探测器近年来的研究进展。