耐辐照SiC夹心中子能谱探测器研究

A 6Li sandwich spectrometer based on silicon is often used to measurement fast neutron spectrum. However，it can not operate in high radiation environments because of the radiation damage of silicon.The resistant to radiation performance of sandwich Spectrometer based on 4H silicon carbide （4H-SiC） is high at least four orders of magnitude，compared to the spectromter of silicon. SiC sandwich spectrometer can be used to measurement fast neutron spectrum in high radiation environments, such as Fast Feutron Pulsed Reactor, Critical Assembly, ADS, ITER, Ignition Facility, and Fission Fusion Facility. A sandwich spectrometer will be fabrication using two SiC components and a 6LiF layer. Characteristics of this spectrometer will be measured on a Critical Assembly. The performance of the SiC Sandwich Spectrometer will reach the goals such as: resistance to fast neutron irradiation greater than 1e14/cm2, thermal neutron energy resolution no more than 50keV, response to neutrons in the 50keV-10MeV energy range.

基于金Si面垒半导体器件制作的6Li夹心中子探测器广泛用于快中子能谱测量，但是Si对辐射损伤灵敏，该探测器不适用于强辐射场下的中子能谱测量。用4H-SiC半导体器件取代Si制作的夹心中子能谱探测器耐辐照能力至少比Si夹心探测器高四个量级，可解决快中子脉冲堆、临界装置、ADS、ITER、点火装置以及裂变聚变装置等的中子能谱测量的难题。以SiC器件为基础，采用6LiF作为中子转换层，开展夹心中子探测器的物理设计及模拟计算，掌握SiC夹心中子能谱探测器制作关键技术，实现高分辨率耐辐照探测器的研制，并利用临界装置形成的强中子辐射场对探测器进行性能测试和能量刻度，获得耐辐照能力、能量分辨率以及能谱测量范围等参数。SiC夹心探测器拟达到的性能指标为：耐快中子辐照能力大于1e14/cm2、热中子能量分辨率不大于50keV、中子能量测量范围为50keV-10MeV。

为提高临界装置中子能谱参数测量精度，解决传统的Si夹心能谱探测器在快中子能谱测量过程存在的辐照损伤的根本问题，本项目利用耐辐照的宽禁带4H-SiC半导体开展了6Li夹心中子能谱测量器制作及性能测试研究，揭示了6LiF厚度与中子能量分辨率、探测效率之间的规律，建立耗尽层厚度与中子能量测量范围之间的关系。基于6Li（n，α）T核反应，开展了SiC夹心能谱探测器的设计，对次级带电粒子能量测量的SiC半导体探测器进行了电学性能、能量分辨率测量研究，以及高温、快中辐照对SiC探测器的峰位和能量分辨率的影响规律研究，开展6LiF转换层制备以及夹心能谱探测器制作研究，并利用252Cf中子源测试了自行研制的SiC夹心能谱探测器，获得了热中子能量分辨率等表征能谱测量性能参数。SiC探测器测量226Rn源α粒子最佳能量分辨率为0.61%，α粒子能量范围在4.8MeV~7.7MeV内的能量线性相关系数为R=0.99999。利用磁控溅射的方法在SiC半导体探测器表面完成了表面均匀、厚度为800nm的6LiF中子转换层薄膜制备。项目研制的SiC夹心能谱探测器对热中子的最佳分辨率为27keV （相对于2.73MeV的T峰），快能谱测量范围27kev~10MeV；经过注量为1.09×1014/cm2的快中辐照后，SiC探测器的能量分辨率变化能量分辨率变化小于0.6%；160℃以下高温烘烤后，SiC探测器的能量分辨率变化为0.7%。