【摘要】：中子探測技術在國土安全、空間科學、醫(yī)療衛(wèi)生、工業(yè)等領域有著廣泛的應用前景。目前,應用最廣泛的中子探測器為~3He正比計數(shù)管,作為其探測介質的~3He主要來源于核武器項目的~3H衰變,隨著冷戰(zhàn)的結束,~3H的儲備減小導致~3He供應量逐漸下降,同時又由于近年來世界各國對~3He氣體的需求大幅增加,導致~3He面臨嚴重短缺的現(xiàn)象,因此對可替代~3He正比計數(shù)管的新型中子探測器的研究已成為國際上的熱點。微結構半導體中子探測器(MSND)是在平面型半導體中子探測器基礎上發(fā)展起來的一種新型的中子探測器,其突破了平面型半導體中子探測器探測效率低的瓶頸,同時還具有能量分辨率高、時間響應快、線性范圍寬、體積小、工作偏壓低等優(yōu)點,是替代~3He中子探測器的發(fā)展方向之一。傳統(tǒng)半導體材料的MSND在一般環(huán)境下表現(xiàn)良好,但在高溫、強輻射等惡劣環(huán)境下工作時其性能會逐漸變差甚至失效。第三代半導體4H-SiC與傳統(tǒng)的半導體材料Si、GaAs等相比,具有禁帶寬度大、臨界位移能高等優(yōu)點,可以滿足惡劣環(huán)境下MSND對材料性能的要求。本文以4H-SiC作為襯底材料,采用蒙特卡洛方法、TCAD軟件研究了MSND對熱中子的探測性能及其電流脈沖響應特性、電荷收集特性,主要研究內容與結果如下:(1)總結了MSND對襯底材料及中子轉換材料的性能需求,確定了以4H-SiC作為襯底材料、~6LiF作為中子轉換材料可使MSND具有耐高溫、抗輻射、輸出信號幅度高、中子伽馬甄別能力強等優(yōu)點。(2)采用FLUKA軟件模擬了溝槽型、圓孔型、圓柱型三種微結構的MSND在不同結構參數(shù)、不同系統(tǒng)甄別閾(LLD)下對熱中子的探測性能,并對比分析了三種微結構的MSND對熱中子探測性能的優(yōu)劣,確定了在三種微結構MSND中溝槽型MSND性能最為優(yōu)異;然后,得到了系統(tǒng)甄別閾為300KeV時三種微結構MSND的最優(yōu)參數(shù),溝槽型MSND在溝槽寬度20μm、溝槽間距5μm時擁有30.71%的最大探測效率,圓孔型MSND在圓孔直徑30μm、圓孔間距5μm時擁有30.11%的最大探測效率,圓柱型MSND在圓柱直徑20μm、圓柱間距10μm時擁有25.18%的最大探測效率。(3)采用TCAD軟件模擬了4H-SiC溝槽型MSND分別對α粒子、~3H粒子的電流脈沖響應特性及電荷收集特性。結果表明,隨次級粒子在4H-SiC中沉積能量的增大,MSND電流脈沖高度增高,電荷收集時間變長。當次級粒子入射到靈敏區(qū)內時,MSND電流脈沖高度較高,電荷收集時間較短且電荷收集率接近100%,隨靈敏區(qū)內電場強度增大,MSND電流脈沖高度增高,電荷收集時間變短;當次級粒子入射到靈敏區(qū)外時,MSND電流脈沖高度很小,隨入射位置的變深,MSND電荷收集時間變長、電荷收集率變小。最后,總結了4H-SiC溝槽型MSND制作工藝流程。
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但其探測效率較低；隨甄別閾變化，柱結構探測效率波動最明顯；溝槽結構擁有較高的探測效率且對甄別閾擁有較好的穩(wěn)定性，，性能最為理想。圖1.4 正弦溝槽型微結構半導體中子探測器[15](a) (b) (c)圖1.5 (a)圓孔型 MSND (b)溝槽型 MSND (c)圓柱型 MSND[16]圖1.6 三種基本微結構 MSND 探測效率隨 LLD 變化趨勢[16]2010 年，C.MHenderson 等人基于 MSND 研制出中子個人劑量計[17]，如圖 1.7 所

帶來的效率不一致低于 10%。此研究表明，正弦溝槽微結構能夠使入射方向差異造成的探測效率變化得到抑制，然而，此結果并沒有通過實驗研究得到驗證。圖1.7 個人中子劑量計[17]2011 年，R.J.Nikolic 等人研制了圓柱型 MSND[19]，選擇硅作為襯底，利用深反應等離子體刻蝕技術對其進行刻蝕得到柱狀微結構，圓柱直徑、間距、高度依次是 2μm、2μm、26μm，如圖 1.8 所示。中子轉換材料選擇10B并將其填充至柱與柱間。通過252Cf裂變中子源，以聚乙烯塊實現(xiàn)慢化對其完成測試，最終發(fā)現(xiàn)，當甄別閾設定為 110KeV時，其探測效率可達到 20%。該研究表明，采用柱狀微結構的 MSND 擁有較高的探測效率。同年
【學位授予單位】：西安電子科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TL816.3

【參考文獻】

相關期刊論文 前2條

1 吳健;甘雷;蔣勇;李俊杰;李勐;鄒德慧;范曉強;;溝槽型硅微結構中子探測器的蒙特卡羅模擬研究[J];強激光與粒子束;2015年08期

2 甘雷;蔣勇;彭程;吳健;范曉強;;微結構半導體中子探測器研究進展[J];核電子學與探測技術;2014年08期

相關博士學位論文 前1條

1 吳健;基于4H-SiC的中子探測技術研究[D];中國工程物理研究院;2014年

相關碩士學位論文 前1條

1 甘雷;微結構半導體中子探測器技術研究[D];中國工程物理研究院;2015年

本文編號：2695233