基于6Li+CdTe的新型中子探测器的优化设计研究

马 龙 田立朝 马燕云,2 吕中良 韩 鹏 彭 猛 杨晓虎张国博 李宵宵 单 飞

1（国防科技大学 文理学院 长沙 410073）

2（上海交通大学 IFSA协同创新中心 上海 200240）

为了在源头上遏制核辐射恐怖袭击，需要对特殊核材料（Special nuclear materials）实施有力监管。为有效监测特殊核材料的非法流转，各个国际边境口岸均安装了辐射门禁监测系统［1-2］（Radiation portal monitor systems）。由于3He正比计数管具有高中子探测效率和强n/γ甄别能力等优势，3He正比计数管在辐射监测系统中被广泛用于特殊核材料自发裂变中子监测。

3He有很高的热中子吸收截面（5 530 b）以及很低的γ灵敏度，通常被认为是中子探测的理想介质。近些年，3He气体资源的短缺已经成为一个逐年加剧的问题，亟需研制出新的中子探测器用在核材料监测系统中来替代3He正比计数管［3］。6Li、10B、157Gd由于其具有高的热中子吸收截面而被广泛用于3He替代型中子探测器的转换体。157Gd有极高的热中子反应截面（240 000 b），但中子被捕获后，会发射出多个不同能量的γ射线和三个不同能量的内转换电子，致使其n/γ射线甄别能力较差；10B具有较高的热中子吸收截面（3 840 b），但由于其核反应释放的次级带电粒子携带动能较低，仅2.8 MeV（4%）或2.31 MeV（96%）［4］，在10B中的射程较短。因此，10B转换层只能做得很薄，导致探测器结构及电子学构成比较复杂；尽管6Li的热中子吸收截面较低（940 b），但是由于其次级粒子携带动能较高（4.8 MeV）［4］，在6Li中的射程较长，6Li转化层的厚度可显著增加，从而减少转换层层数，大大简化探测器结构，提高其工作稳定性。

碲化镉（CdTe）作为一种宽禁带半导体在太阳电池中具有广泛的应用，具有制作工艺成熟、成本低、尺寸灵活等优点。美国托莱多大学（The University of Toledo）在2018年提出，将CdTe半导体薄膜和6Li薄膜结合来实现中子探测的想法［5］，这种新型探测器通过多层探测单元的叠加，可实现高中子探测效率，同时由于CdTe半导体层很薄（～10 μm），该结构探测器将具有γ灵敏度低的天然优势。

为了满足国内对于新型特殊核材料监测系统的研制需求，本文对该结构中子探测器的物理性能以及探测器关键结构参数、中子慢化材料等进行模拟，提出了优化设计方案和优化参数，相关工作可以为后续探测器样机的制作及应用于辐射门禁监测系统的研究提供参考依据。

1 探测器物理建模与工作原理

探测器由多个基本探测单元叠加构成，基本探测单元如图1所示，探测单元采用高丰度6Li金属薄膜作为中子转换介质，两侧采用成熟的CdTe太阳能电池核心结构作为中子与6Li反应产物的吸收层。除了6Li薄膜，还包括由CdTe半导体与CdS半导体构成的PN结（能量吸收层）、背接触层（降低CdTe和金属电极的接触势垒）、TCO层（透明导电氧化层，作为信号引出层）以及玻璃衬底（防止污染和相邻探测单元的带电粒子互相影响）［6］。

图1 6Li+CdTe中子探测器的结构Fig.1 Structure of6Li+CdTe neutron detector

中 子 被6Li薄 膜 吸 收（n+6Li→4He+3H+4.79 MeV）后，产生的4He粒子和3H粒子向相反方向运动，分别进入两侧CdS/CdTe半导体PN结中，通过电离作用产生大量电子-空穴对，电子、空穴在CdS/CdTe灵敏区内电场作用下定向漂移，并在TCO层产生感应信号，采用后端电子学记录即可实现中子测量。

2 探测器的结构参数模拟

6Li金属薄膜和CdS/CdTe半导体薄膜厚度是影响探测器中子探测效率、γ灵敏度的关键参数，模拟计算了该参数最佳取值。通过SRIM2013软件计算得到4He粒子（2.05 MeV）在6Li和CdTe中的射程分别为29.10 μm和6.44 μm，3H粒子（2.75 MeV）在6Li和CdTe中的射程分别为117.00 μm和35.40 μm，可以推断出最终理想的6Li厚度和CdTe厚度都在几十微米量级。

利用MCNP6软件［7］，按照图1所示的结构进行1∶1物理建模，源项采用单方向入射的电源，中子能量为0.025 eV，模拟计算6Li+CdTe中子探测器的本征探测效率。本文使用F8卡［8］计算点源发出的热中子被吸收后产生的次级带电粒子在CdS/CdTe吸收层中的能量沉积分布。为了确保模拟计算结果的不确定度足够小，每次模拟计算中运行的中子数不少于1×108个。

2.1 CdTe薄膜的最佳厚度

因为4He粒子的射程较短，只有极少数的4He粒子能穿透Li层进入到CdTe中，所以我们只模拟3H粒子在CdTe的沉积情况来确定CdTe的最佳厚度。设 CdTe密度为 6.38 g·cm-3，取 CdTe薄膜的厚度为2 μm、5 μm、8 μm、10 μm、15 μm、20 μm，模拟得到中子探测器对能量为2.75 MeV3H粒子的响应情况，从而确定出一个最佳的CdTe厚度。模拟结果如图2所示，随着CdTe厚度增加，CdTe中3H粒子沉积能量增加，相应的电子-空穴对数目将随之增加，输出信号幅度增加，有利于信号采集。但由于天然镉中113Cd同位素与中子的反应截面较大，导致中子进入6Li薄膜之前会在CdTe中损失掉，因此CdTe的厚度并不能太大。

图2 3H入射到不同厚度CdTe的探测器中能量沉积Fig.2 Energy deposition of3H incident on detectors with different thicknesses of CdTe

在实际操作中为了剔除电子学噪声以及γ射线的干扰，会设置一定的能量阈值，CdTe的厚度应至少满足3H沉积能量大于设定阈值（与γ信号区分开，取300 keV）时的最小厚度。当CdTe吸收层的厚度大于8 μm时，99.25%粒子沉积能量大于300 keV。考虑CdTe吸收层的PN结内少量电子-空穴对会发生复合效应［9］而不能被完全收集，导致实际的能量沉积效果要差于模拟的结果，实验中留有一定的裕度，CdTe厚度取10 μm较为合理，后续模拟中均采用10 μm。

2.2 6Li薄膜的最佳厚度

将CdTe吸收层的厚度固定为10 μm，设6Li丰度为100%、密度为0.534 g·cm-3，模拟计算得到基本探测单元层数以及6Li薄膜厚度对中子探测效率的影响，如图3所示。对于相同的探测单元层数，随着6Li薄膜厚度的增加，探测效率都呈现先增加后减少的趋势。这是因为在6Li薄膜厚度较小时，随着6Li厚度的增加，对热中子的吸收就更充分，致使探测效率增加。但当厚度增加到一定程度时，吸收热中子产生的4He粒子和3H粒子无法穿透6Li薄膜进入CdTe吸收层，反而使探测效率有所下降，6Li薄膜的最佳厚度随着基本探测单元数目的增加而减小。6层6Li+CdTe探测单元叠加时，6Li薄膜最佳厚度为60 μm，探测效率达到51.86%，高于或与其他3He替代型中子探测器相当［10-14］。

图3 热中子探测效率随6Li厚度变化曲线Fig.3 Variation curve of thermal neutron detection efficiency with6Li thickness

2.3 γ灵敏度

由于中子场中通常会有大量的γ射线存在，因此要求中子探测器对γ射线具有极低的灵敏度。为了减少γ射线对中子测量的干扰，模拟计算了探测器对γ放射源137Cs的响应情况。6Li薄膜厚度取60 μm，CdTe薄膜的厚度分别取2 μm、5 μm、8 μm、10 μm、15 μm、20 μm，模拟结果如图4所示。从图4可以看出，中子探测器对γ射线响应的能量区间绝大多数为0～0.3 MeV。CdTe厚度取10 μm时，将能量阈值设为300 keV，γ灵敏度仅为9.00×10-7，可以满足实际需求。如果适当提高能量阈值，则γ灵敏度将会进一步降低，且从图2中3He的沉积能量分布可以看出，对中子的探测则几乎没有影响。

图4 γ射线137Cs入射到不同厚度CdTe的探测器中能量沉积Fig.4 Energy deposition of γ ray137Cs incident on detectors with different thicknesses of CdTe

2.4 慢化材料及最佳厚度

特殊核材料自发裂变释放的中子为快中子，而6Li与中子反应截面随着中子能量增加而急剧下降。因此，为了提高对快中子的响应（相同中子通量情况下，获得尽量多的中子脉冲信号），通常需要在探测器周围放置一定厚度的慢化体，既可将入射快中子充分慢化，又可将穿透探测器的中子散射再次进入探测器灵敏体积而提高探测几率。

图5 中子慢化体示意图Fig.5 Schematic of neutron moderator

模拟选取了三种不同材料——聚乙烯、水和石墨［15］对中子慢化层、中子反射层进行填充效果。源项采用平均能量为2.16 MeV的252Cf自发裂变中子谱，模拟结果如图6所示。

图6 探测器对252Cf响应随中子慢化层厚度(a)和反射层(b)厚度的变化关系Fig.6 Detector response to252Cf as a function of neutron moderation layer thickness(a)and neutron reflection layer thickness(b)

如图6（a）所示，聚乙烯对于中子的慢化效果最好，水次之，石墨则较差，且密度越大的聚乙烯，慢化效果越好。聚乙烯含氢量最高，且方便获得、易机械加工、结构稳定，因此，高密度聚乙烯较适于用作探测器的慢化层材料，且1.1 g∙cm-3的聚乙烯厚度为6 cm时，中子探测灵敏度接近最大值。而图6（b）表明，石墨对中子的反射效果最好，聚乙烯次之，水最差，且密度越大的石墨，反射效果越好。在实际应用中，石墨经济成本较高，所以仍采用聚乙烯为中子反射材料。当聚乙烯厚度为10～14 cm时，中子探测灵敏度接近最大值。综上考虑，探测器前置慢化材料选用6 cm的聚乙烯，后置反射层选用10 cm的聚乙烯。由于探测器灵敏体积较薄，从侧方进入探测器的中子数微乎其微，所以侧面可采用与散射体相同的材料。

2.5 辐射监测系统结构设计

辐射门禁监测系统结构示意图如图7所示（图片引自深圳施朗特辐射防护有限公司SLT-50000通道式车辆放射性监测系统示意图）。根据中国国家标准化管理委员会2009年发布的放射性物质和特殊核材料监测系统（GB/T 24246—2009）［16］，将中子源强为12 000 s-1（1±0.2）的252Cf中子标准试验源置于车辆监测系统两探测立柱（间距5 m）间，且与探测立柱（地面上方0.5～4.5 m）几何中心等高时，中子静态探测效率应满足每个探测立柱产生的源计数率不小于8 s-1（100%±20%）的要求。模拟计算了不同面积的探测系统对强度为12 000 s-1的252Cf中子标准试验源的响应，结果如图8所示。当探测系统的高度为4 m（地面上方0.5～4.5 m），宽度为32 cm（裸探测器宽度12 cm+两侧慢化体厚度10 cm×2）时，每个探测立柱的计数率为8.09 s-1，满足放射性物质和特殊核材料监测系统的标准。

图7 辐射门禁监测系统示意图Fig.7 Structure of radiation access control monitoring system

图8 不同探测系统宽度对应的计数率Fig.8 Counting rates of different detection system widths

模拟计算源强为12 000 s-1的252Cf中子源经过宽度为32 cm的监测装置时，距探测系统中心线不同位置时的计数率，如图9所示，放射源位于探测器的中心位置时，系统源计数率为8.09 s-1，满足设计需求。

图9 距探测系统中心线不同距离对应的计数率Fig.9 Counting rates at different distances from the centerline of the detection system

3 结语

本文利用MCNP6程序对一种基于6Li+CdTe的多层新型中子探测器开展了模拟研究。建立了该探测器的物理模型，从提高6Li+CdTe中子探测器热中子探测效率和降低γ灵敏度角度考虑，模拟获得了不同探测单元层数时6Li转换层、CdTe能量吸收层的最佳厚度。针对特殊核材料门禁式监测系统需求，对探测器面积及中子慢化材料的影响进行了模拟计算，提出了辐射监测系统设计方案，为后期探测样机制作奠定了理论基础。结果表明：新型大面积6Li+CdTe中子探测器具高探测效率、低γ灵敏度及可与3He相比拟的特点，可满足特殊核材料门禁式监测系统需求。