4H-SiC探测器的快中子产额测量可行性研究

王飞鹏 洪 兵 李桃生 沈水法,3 蒋洁琼 陈思泽

1（中国科学院合肥物质科学研究院 合肥230031）

2（中国科学技术大学 合肥230027）

3（福建工程学院电子电气与物理学院 福州350118）

基于4H-SiC材料的快中子探测器位移阈能大、禁带宽度宽、饱和电子漂移速度高，具有抗辐照、耐高温、响应速度快等优点［1-2］，可以克服半导体探测器不耐高温和不耐辐照的技术难题，在聚变中子诊断、堆芯功率监测、脉冲中子油/气测井、外太空试验等高温强辐射环境中进行中子测量时，有着很好的应用前景［2-5］。目前，国内外的研究主要集中于4H-SiC肖特基势垒二极管在高温、中子/γ及电子强辐照前后，电学性能及α粒子探测性能研究［3，6-8］，同时开展了在常温下通过增加转换层（LiF、LiH、BF3等）进行中子探测的探索［9-10］，使用4H-SiC探测器测量快中子产额的实验研究仍需进一步深入。本文利用强流氘氚聚变中子发生器（High Intensity Deuterium-Tritium Fusion Neutron Generator，HINEG）［11］产生的单能14.1 MeV氘氚聚变中子测试4H-SiC探测器的性能，得到了探测器对14.1 MeV中子的注量响应。

1 探测原理

基于4H-SiC材料制作的肖特基二极管结构如图1所示，其中外延层厚度为30μm，外延层上沉积100 nm的Ni形成肖特基接触，在350μm厚的4HSiC基底上蒸镀100 nm的Ni形成欧姆接触［12］。灵敏区规格为5 mm×5 mm，如图1所示，探测器封装后使用。

图1 4H-SiC快中子探测器结构示意图及实物图Fig.1 Schematic diagram and physical map of 4H-SiC fast neutron detector

中子与28Si和12C原子核发生反应，通过收集测量核反应产生的带电粒子，实现中子测量。14.1 MeV氘氚聚变中子与4H-SiC探测器发生的核反应如表1所示［12-14］。

表1 14.1 MeV中子与C、Si发生的主要核反应Table 1 Main reactions between 14.1 MeV neutrons and C,Si

对于14.1 MeV快中子，12C（n，α0）9Be反应的阈值为6.419 6 MeV，产生的带电粒子总动能更是高达8.4 MeV，如果该特征峰在脉冲幅度谱上能很好地分离，利用该特征峰实现14.1 MeV中子计数测量将具有理论可行性。

2 实验

测试工作在强流氘氚聚变中子发生器HINEG上开展，该加速器使用电子回旋共振（Electron Cyclotron Resonance，ECR）离子源产生D+离子，经加速后轰击旋转氚靶，产生DT聚变中子，其中束流强度、能量及束斑大小可以根据不同的实验需求进行调节［11］。对于探测器测试并不需要很高的中子产额，本次实验的到靶流强4～5 mA，束流能量260 keV，预计中子产额为2.0×1010n·s-1。

探测器放置在旋转靶的正前方距离靶点30 cm处，实验过程中使用238U（贫铀99.99%）平板型电离室测量HINEG的中子产额，长中子计数器监测束流稳定性。电子学设备使用标准NIM插件，信号经前级放大后送到数据采集室，通过主放大器574A后由单道550A进行卡阈值，最后由脉冲计数器给出产额监测数据，如图2所示。

图2 中子产额随时间的变化关系Fig.2 Relationship between neutron yield and time

4H-SiC探测器连接到电荷灵敏前置放大器（CIVIDEC Cx-L）上，偏置电压设置为-450 V（由ORTEC 710提供），前置放大器的信号接入动态范围为1 V、采样率为1 GS·s-1、分辨率为10 bit的波形数字化仪CANE DT5751，使用其自带的CAEN COMPASS软件对波形进行采集，基于MATABLE软件对存储的数据进行离线处理，实验布置如图3所示。

图3 探测器测试示意图及实验布置Fig.3 Schematic diagram of detector test and experimental layout

3 实验结果与讨论

3.1 实验结果

实验采集时间为1 200 s，实验测得的脉冲幅度谱如图4所示。在非弹性散射（n，n′）3α反应中，高激发态的12C*会发生12C*→α+8Be*→2α反应，产生的带电粒子总动能0.5～6.8 MeV，（n，n′）3α峰和（n，α1）峰则出现了重叠，图中（n，α0）峰分离程度较好，其他反应峰重叠严重，（n，p）峰无法识别。

3.2 数据分析与讨论

核反应产生的带电粒子能量沉积到探测器中，以电脉冲信号的形式在道址上按能量的大小进行分类排列，反应产物的能量ETotal=En-Q，其中En是入射中子的能量。能量低于4 MeV的中子与12C和28Si核主要发生弹性散射与非弹性散射，这部分中子份额虽然少但反应截面大，和低能γ射线一起在脉冲幅度谱的左侧形成了很高的计数区，其中12C（n，n）12C特征峰的识别程度稍高。12C（n，n′）3α、12C（n，α1）9Be在道址650左右形成了第二个计数平台，重叠在一起。12C（n，α0）9Be反应Q值为5.7 MeV，氘氚聚变中子能量为14.1 MeV，在脉冲幅度谱上特征峰对应的能量为8.4 MeV，与其他几个反应的特征峰分离程度较好，易于区分。28Si（n，α）25Mg、28Si（n，p）28Al两个核反应除了基态外，产物核还分别存在12个和4个激发态，产物核的能量范围分别为6.986～11.346 MeV、8.767～10.14 MeV［14］，由于p在SiC中的射程远大于探测器的厚度，大部分（n，p）反应的能量未能沉积在探测器，因此脉冲幅度谱上并未呈现完整的（n，p）峰。

图4 实验测得的脉冲幅度谱Fig.4 Pulse amplitude spectrum experimentally by experiment

探测器厚度相对于中子射程可以忽略，14.1 MeV中子在穿越厚度d的SiC材料时能量损失忽略不计，反应截面σ(En)视为常数，做薄靶近似计算核反应产物计数：

式中：NA为对应靶上单位原子核密度。通过SRIM程序估算对应能量的25Mg、28Al产物核在SiC材料的中的射程为4.12～5.5μm、4.72～5.05μm，绝大部分产物核能量均沉积在探测器内，计算12C（n，α0）9Be特征峰计数CT=14.35 s-1。

在脉冲幅度谱上计算12C（n，α0）9Be特征峰计数率时应该进行考虑的因素包括：1）28Si（n，α）25Mg、28Si（n，p）28Al两个核反应中子能量阈值较小计数少，产物核能量范围广，与12C（n，α0）9Be核反应的计数部分重叠；2）特征峰数据处理的过程中，交叉重叠及本底噪声修正；3）14.1 MeV中子与13C反应截面是12C的2.1倍（TENDL-2011），总的沉积能量为10.16 MeV。（n，α0）为一个单峰区，分离程度较好且对称，采用峰区本底扣除法，拟合脉冲幅度谱后做本底扣除，由特征峰的FWHM计算峰区的左、右边道址，mL、mR计算方式如下：

式中：mp是峰位道址，符号INT的含义是取整数，计算得到CE=18.54 s-1。

计算探测效率公式为：

式中：R是靶点到探测器的距离；CE为SiC探测器（n，α0）特征峰的计数率；Yn是测量时间段内的平均中子产额，由238U平板型电离室给出。

在测量过程中，中子源不能近似为点源且各向异性，中子注量不服从R-2规律，应按照面源修正中子注量率，为此引入近距离修正因子λ［15］：

其中：R是靶点到探测器的距离；r为束斑有效半径，取15 mm，λ=0.99。各向异性因子η=0.92［16］。考虑到Si（n，α）、Si（n，p）的干扰及高能拖尾计数的影响，引入特征峰计数修正因子κ=0.84。经修正后，根据式（4）与实验数据得到εE=8.89×10-6n-1·cm-2，比金刚石快中子探测器的探测器效率低一个量级［13］。12C（n，α0）9Be特征峰FWHM=190 keV，能量分辨率R=2.26%，如图5所示，能量分辨率比文献［11］测得稍差，这可能与探测器厚度相关，部分α能量没有完全沉积在灵敏区上就穿透了SiC材料，导致特征峰有所展宽。探测器中参杂粒子及结构缺陷会影响能量分辨率，另外前置放大器与探测器之间同轴电缆的长度、主放大器的成形时间均会影响探测器的能量分辨率。

图5 12C(n,α0)9Be反应的特征峰Fig.5 Characteristic peak of 12C(n,α0)9Be reaction

对实验条件引入的不确定度进行分析，如表2所示。实验中最大的不确定度来自238U平板型电离室测量平均中子产额的不确定度（5.6%），其次是拟合12C（n，α0）9Be特征峰计数率过程中引入不确定度（4.5%），探测器中的13C与中子反应在脉冲幅度谱中形成高能拖尾［13］，也会影响特征峰的计数，需要进行修正。

表2 实验不确定度分析Table 2 Experimental uncertainty analysis

4 结语

本文利用强流氘氚聚变中子发生器HINEG测试了4H-SiC探测器的探测效率，该探测器对14.1 MeV中子的探测效率为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%，探测器输出信号稳定，适合用于快中子计数测量。但对于中子注量较低的场合，如石油测井等则需要增加转换层或提高灵敏区面积，在测试过程中产物核的能量未完全沉积在探测器中，导致（n，p）峰辨识度较差，若用于中子能谱的测量则需开展进一步的研究。

致谢 本工作得到了强流氘氚聚变中子发生器HINEG运维组成员的帮助，在此表示衷心的感谢。