基于碳化硅中子探测器的实验研究

唐 彬 蔡 军 黄文博 梁超飞 李长园 李世斌

1（中国科学院上海应用物理研究所 上海201800）

2（中国科学院大学 北京100049）

碳化硅（SiC）探测器是一种宽禁带半导体探测器，不同于常规的Si和Ge等半导体探测器，它不仅具有体积小、能量分辨率好和快时间响应等优点，还具有禁带宽度大、击穿电场强度高、移位阈能大、热稳定性好等特点，适用于反应堆监测、乏燃料监管、高能物理实验和航天航空等高温、强辐射环境下的辐射监测［1-3］。一般地，SiC探测器通过核反应法或核反冲法对中子进行测量，其中，最常用的核反应法是利用中子经过10B4C或6LiF转化层与10B或6Li发生反应后生成次级带电粒子进入探测器灵敏层，在灵敏层内产生电子空穴对被收集，从而实现对中子的探测［4］。SiC探测器从20 世纪50 年代起就开始进行α 粒子、中子探测性能的研究［5］，但受工艺技术的限制，没有开展进一步的研究。随着20 世纪90 年代SiC 材料及器件工艺技术的日益成熟，美国、意大利、韩国等研究人员验证了SiC中子探测器在高温及强中子辐照条件下的性能［6-7］，并研究将SiC 中子探测器应用于反应堆内［8-10］和乏燃料环境下［11］的监测。国内对SiC 中子探测器的研究起步比较晚，2013年，陈雨等［12］研究了以6LiF 薄膜为转换层的SiC中子探测器在热中子照射下的响应情况；2014年，吴健等［13］研制了以10B4C 及聚乙烯为转化层的SiC中子探测器，并开展了在CFBR-II脉冲堆中的实验测试，验证了SiC中子探测器在反应堆中的测量性能；2016年，张少华等［14］采用蒙特卡罗方法计算分析了以10B4C 作为转换层的SiC 中子探测器的热中子探测效率，优化了SiC 中子探测器结构设计。10B与中子反应产生的次级带电粒子7Li（0.84 MeV和1.01 MeV）和α 粒子（1.47 MeV 和1.78 MeV）比6Li 与中子反应产生的次级带电粒子α 粒子（2.05 MeV）和H3（2.73 MeV）的能量低，容易受到γ 射线干扰。本文基于以6LiF 为转换层的SiC 中子探测器，开展了蒙特卡罗模拟分析及在252Cf及60Co标准源照射下的实验测试，测试了SiC中子探测器在252Cf 源照射下的中子探测效率及中子探测线性关系，并分析了在60Co源照射下γ射线的探测效率和次级电子能量沉积，并将实验结果与蒙特卡罗模拟的计算结果进行对比，为SiC中子探测器的应用提供实验依据。

1 实验方案

实验测试采用的SiC中子探测器为陶瓷封装的肖特基势垒型探测器，这种探测器漏电流小，且能在低电压下稳定工作，灵敏面积为0.5 cm×0.5 cm，灵敏层厚度为80 μm，全耗尽下的偏置电压为450V，其N 掺杂浓度为1014cm-3，见图1。转换层厚度为25 μm 的6LiF，肖特基接触层由100 nm 的Ni、Au组成，基底层的厚度为360 μm，在基底和外延层之间设有0.5 μm 的缓冲层，底部欧姆接触层分别由30 nm Ti、30 nm Ni和100 nm Au组成。

图1 SiC中子探测器结构示意图（a）与封装后的SiC中子探测器实物图（b）Fig.1 Structure diagram of SiC neutron detector(a)and physical picture of SiC neutron detector after encapsulation(b)

为了防止电磁干扰，在SiC中子探测器周围采用铜纸密封包裹，并将信号输出端与前置放大器紧密相连，外接高压电源对探测器提供偏置电压。前置放大器输出端口连接MCA-8K 多道分析仪，多道分析仪输出信号接入计算机，见图2。实验采用标准放射源为252Cf 源和60Co 源，其中252Cf 源和60Co 源的强度分别为3.49×106Bq、1.13×105Bq（截至2020 年3 月18 日）。252Cf 标准源存放在密封的屏蔽室内，屏蔽室内温度20 ℃。在实验过程中，252Cf标准源经过提升控制装置打开后，中子经过准直孔照射在SiC中子探测器上。60Co标准源表面的不锈钢厚度为2 mm，可以阻挡0.315 MeV的β射线，避免其在实验过程中衰变产生的β 射线对SiC中子探测器的影响。

图2 SiC中子探测器实验测试示意图Fig.2 Schematic diagram of SiC neutron detector under experiment testing

2 蒙特卡罗模拟分析

根据SiC 中子探测器的结构及实验测试过程，采用蒙特卡罗模拟软件Geant4对SiC中子探测器的测量性能进行分析［15］。

在252Cf 标准源的模拟计算时采用了高精度中子物理过程（QGSP-BERT-HP），在60Co 标准源的模拟计算时采用了电磁（EM）物理过程。输入粒子数为106，在探测面上设置为均匀入射，入射位置在探测面范围内采用随机抽样，采用放射源垂直入射SiC中子探测器。252Cf标准源的能谱采用美国核数据库（ENDF）的252Cf 源中子能谱［16］，60Co源γ 射线的能量为1.17 MeV 和1.33 MeV。计算得到SiC中子探测器对252Cf源的中子本征探测效率为0.17%，对60Co源γ射线的本征探测效率为0.99%。

252Cf标准源主要发射快中子，在SiC中子探测器和252Cf 标准源之间放置聚乙烯材料用来慢化快中子，SiC中子探测器对经过不同厚度聚乙烯材料慢化后的中子本征探测效率的模拟计算结果见图3。

图3 经过不同厚度聚乙烯慢化后的SiC中子探测器本征探测效率Fig.3 Intrinsic detection efficiency of SiC neutron detector moderated by polyethylene with different thicknesses

在252Cf 标准源照射下，经过厚度为6 cm 的聚乙烯慢化后的中子能谱见图4。对比252Cf源中子能谱，慢化后低能段的中子份额明显增加，此时SiC中子探测器的本征探测效率为0.23%。

图4 252Cf标准源中子能谱和经过6 cm聚乙烯慢化后的中子能谱Fig.4 Neutron energy spectrum of 252Cf standard source and neutron energy spectrum after 6 cm polyethylene moderation

3 结果及讨论

3.1 偏置电压的影响

偏置电压影响到SiC中子探测器的噪声及漏电流，从而影响探测器的测量性能。在环境本底下，不同偏置电压下探测器的本底计数情况见图5。从图5可以看出，在0～450 V内随着电压升高，探测器的本底计数减小，说明探测器的噪声减小，偏置电压为0 V 时的本底计数是偏置电压为450 V 时的90 倍。这是由于偏置电压升高探测器结电容减小，使探测器的噪声变小，因此本底计数随电压升高而减小。

将SiC中子探测器放置在距离252Cf标准源50 cm处，在0～450 V内调节探测器的偏置电压，其实验结果见图6。从图6 可以看出，SiC 中子探测器的计数率随着偏置电压升高而增加，这是由于耗尽层的增加导致灵敏区域增加。但在SiC中子探测器的偏置电压为0 V 时的计数率为0.21 s－1，而偏置电压为450 V 时的计数率仅比0 V 偏置电压时提高了30.00%，测试结果与Nava 等［17］、吴健等［18］的研究结果符合比较好，这说明SiC中子探测器可以在低压下工作。

图5 不同偏置电压下的探测器本底计值Fig.5 Background counts of SiC neutron detector with different bias voltages

图6 252Cf标准源照射下不同偏置电压的探测器计数率Fig.6 Counting rate of SiC neutron detector with different bias voltages under 252Cf source

3.2 中子探测性能

为了研究SiC 中子探测器的中子探测线性关系，将SiC中子探测器放在距离252Cf标准源50 cm、80 cm和110 cm位置处，分别测量不同中子通量下的中子计数，偏置电压设为450 V，测量时间为2 h，测量结果见图7。在这些位置处的中子剂量已通过了国家计量院的标定，可以根据280 pSv·cm2中子通量与剂量的转化关系获得中子通量密度［19］。从入射到探测器的中子通量与探测器的计数率对比可以发现，入射中子通量与探测器计数率的线性拟合R2值为0.999 8，这说明SiC中子探测器在252Cf标准源照射下具有非常好的线性关系。

图7 252Cf标准源下的中子通量与探测器计数率的关系Fig.7 Relationship between neutron flux and counting rate of detector under 252Cf source

还可以进一步发现，SiC中子探测器的探测效率为0.16%，比Geant4 蒙特卡罗模拟计算值低8.80%。在探测器与252Cf标准源之间加上厚度为6 cm的聚乙烯慢化层，可以得到SiC中子探测器的探测效率为0.21%，比不加聚乙烯慢化材料时SiC 中子探测器的中子探测效率高31.25%，但实验结果比Geant4蒙特卡罗模拟计算值低8.69%，这主要由于SiC 中子探测器的6LiF 转换层材料内含有Na、K、Ca、Fe 等杂质，使得产生反应的中子数目变少，从而实验测量值低于理论计算的结果。

3.3 γ射线响应

在中子辐射场中通常存在γ 射线，γ 射线进入探测器会干扰中子的计数，影响中子的准确测量。因此，采用60Co 标准源对SiC 中子探测器进行γ 射线响应的实验测试。将SiC 中子探测器放置于距60Co源8 cm处，偏置电压设为450 V，实验测得次级电子的能谱与模拟计算的能谱结果比较见图8。从图上看出，实验测得的次级电子能谱与模拟计算结果整体趋势符合较好，实验测试下次级电子的计数要低于模拟计算值。实验测得γ射线的探测效率为0.86%，比Geant4蒙特卡罗模拟计算值低13.13%，主要由于SiC灵敏层材料内存在缺陷，使探测器的电荷收集性能下降，从而实验值低于理论计算值［20］。从图8 还可以看出，γ 射线在SiC 中子探测器的计数主要在低能区，这是由于SiC材料与γ 射线的反应截面小，且SiC 中子探测器灵敏层厚度薄，与γ射线产生的次级粒子在灵敏层内的能量沉积小等原因导致。此外，中子与6LiF转换层产生的次级粒子中α 粒子能量为2.05 MeV，3H 能量为2.73 MeV，这使得在灵敏层内沉积的能量远大于γ射线沉积的能量，因此可以通过设置甄别阈区分中子和γ射线在探测器内产生的计数，实现对中子的准确测量。

图8 60Co源产生的γ射线在SiC探测器内的次级电子能量沉积谱Fig.8 Secondary electron energy deposition spectrum of γ-ray produced using 60Co source in SiC detector

4 结论

通过252Cf、60Co标准源的实验测试和蒙特卡罗软件Geant4的模拟分析相结合的方式研究了SiC中子探测器的偏置电压影响、中子探测性能及γ 射线响应等性能参数，研究结果表明：（1）SiC中子探测器在0～450 V偏置电压下都有计数，这说明此探测器可以在低压下工作；（2）从入射到SiC中子探测器的中子通量与探测器计数之间的关系可以发现，其线性拟合R2值为0.999 8，这表明SiC中子探测器在252Cf标准源照射下具有非常好的线性关系；（3）SiC中子探测器实验测试的探测效率与Geant4模拟分析结果最大相差13.13%，符合比较好；（4）SiC中子探测器在60Co标准源照射下的计数主要是在低能区，可以通过甄别阈值设置辨别中子、γ射线在探测器内产生的计数。