發(fā)布時(shí)間：2020-06-03 18:41

【摘要】：中子探測(cè)技術(shù)在國(guó)土安全、空間科學(xué)、醫(yī)療衛(wèi)生、工業(yè)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。目前,應(yīng)用最廣泛的中子探測(cè)器為~3He正比計(jì)數(shù)管,作為其探測(cè)介質(zhì)的~3He主要來源于核武器項(xiàng)目的~3H衰變,隨著冷戰(zhàn)的結(jié)束,~3H的儲(chǔ)備減小導(dǎo)致~3He供應(yīng)量逐漸下降,同時(shí)又由于近年來世界各國(guó)對(duì)~3He氣體的需求大幅增加,導(dǎo)致~3He面臨嚴(yán)重短缺的現(xiàn)象,因此對(duì)可替代~3He正比計(jì)數(shù)管的新型中子探測(cè)器的研究已成為國(guó)際上的熱點(diǎn)。微結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體中子探測(cè)器(MSND)是在平面型半導(dǎo)體中子探測(cè)器基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型的中子探測(cè)器,其突破了平面型半導(dǎo)體中子探測(cè)器探測(cè)效率低的瓶頸,同時(shí)還具有能量分辨率高、時(shí)間響應(yīng)快、線性范圍寬、體積小、工作偏壓低等優(yōu)點(diǎn),是替代~3He中子探測(cè)器的發(fā)展方向之一。傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料的MSND在一般環(huán)境下表現(xiàn)良好,但在高溫、強(qiáng)輻射等惡劣環(huán)境下工作時(shí)其性能會(huì)逐漸變差甚至失效。第三代半導(dǎo)體4H-SiC與傳統(tǒng)的半導(dǎo)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(diǎn),可以滿足惡劣環(huán)境下MSND對(duì)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(duì)熱中子的探測(cè)性能及其電流脈沖響應(yīng)特性、電荷收集特性,主要研究?jī)?nèi)容與結(jié)果如下:(1)總結(jié)了MSND對(duì)襯底材料及中子轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換材料可使MSND具有耐高溫、抗輻射、輸出信號(hào)幅度高、中子伽馬甄別能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。(2)采用FLUKA軟件模擬了溝槽型、圓孔型、圓柱型三種微結(jié)構(gòu)的MSND在不同結(jié)構(gòu)參數(shù)、不同系統(tǒng)甄別閾(LLD)下對(duì)熱中子的探測(cè)性能,并對(duì)比分析了三種微結(jié)構(gòu)的MSND對(duì)熱中子探測(cè)性能的優(yōu)劣,確定了在三種微結(jié)構(gòu)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(shí)三種微結(jié)構(gòu)MSND的最優(yōu)參數(shù),溝槽型MSND在溝槽寬度20μm、溝槽間距5μm時(shí)擁有30.71%的最大探測(cè)效率,圓孔型MSND在圓孔直徑30μm、圓孔間距5μm時(shí)擁有30.11%的最大探測(cè)效率,圓柱型MSND在圓柱直徑20μm、圓柱間距10μm時(shí)擁有25.18%的最大探測(cè)效率。(3)采用TCAD軟件模擬了4H-SiC溝槽型MSND分別對(duì)α粒子、~3H粒子的電流脈沖響應(yīng)特性及電荷收集特性。結(jié)果表明,隨次級(jí)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(shí)間變長(zhǎng)。當(dāng)次級(jí)粒子入射到靈敏區(qū)內(nèi)時(shí),MSND電流脈沖高度較高,電荷收集時(shí)間較短且電荷收集率接近100%,隨靈敏區(qū)內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度增大,MSND電流脈沖高度增高,電荷收集時(shí)間變短;當(dāng)次級(jí)粒子入射到靈敏區(qū)外時(shí),MSND電流脈沖高度很小,隨入射位置的變深,MSND電荷收集時(shí)間變長(zhǎng)、電荷收集率變小。最后,總結(jié)了4H-SiC溝槽型MSND制作工藝流程。
【圖文】：

但其探測(cè)效率較低；隨甄別閾變化，柱結(jié)構(gòu)探測(cè)效率波動(dòng)最明顯；溝槽結(jié)構(gòu)擁有較高的探測(cè)效率且對(duì)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(jié)構(gòu)半導(dǎo)體中子探測(cè)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(jié)構(gòu) MSND 探測(cè)效率隨 LLD 變化趨勢(shì)[16]2010 年，C.MHenderson 等人基于 MSND 研制出中子個(gè)人劑量計(jì)[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(jié)構(gòu)能夠使入射方向差異造成的探測(cè)效率變化得到抑制，然而，此結(jié)果并沒有通過實(shí)驗(yàn)研究得到驗(yàn)證。圖1.7 個(gè)人中子劑量計(jì)[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(yīng)等離子體刻蝕技術(shù)對(duì)其進(jìn)行刻蝕得到柱狀微結(jié)構(gòu)，圓柱直徑、間距、高度依次是 2μm、2μm、26μm，如圖 1.8 所示。中子轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)慢化對(duì)其完成測(cè)試，最終發(fā)現(xiàn)，當(dāng)甄別閾設(shè)定為 110KeV時(shí)，其探測(cè)效率可達(dá)到 20%。該研究表明，采用柱狀微結(jié)構(gòu)的 MSND 擁有較高的探測(cè)效率。同年
【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TL816.3

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)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(qiáng);;溝槽型硅微結(jié)構(gòu)中子探測(cè)器的蒙特卡羅模擬研究[J];強(qiáng)激光與粒子束;2015年08期

2 甘雷;蔣勇;彭程;吳健;范曉強(qiáng);;微結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體中子探測(cè)器研究進(jìn)展[J];核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù);2014年08期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 吳健;基于4H-SiC的中子探測(cè)技術(shù)研究[D];中國(guó)工程物理研究院;2014年

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1 甘雷;微結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體中子探測(cè)器技術(shù)研究[D];中國(guó)工程物理研究院;2015年

本文編號(hào)：2695233