微结构半导体中子探测器研究进展

微结构半导体中子探测器(MSND)除了具有体积小、时间响应快、工作偏压低以及易于与读出电子学系统集成等优点外,还解决了二维平面半导体中子探测器存在的探测效率极低的问题(5%),其在军用和民用领域都具有良好的发展前景。介绍了微结构半导体中子探测器的中子探测原理,简述了其发展概况,综述了近年来的研究进展,展望了微结构半导体中子探测器的研究方向和应用前景。     

碳化硅热中子探测器的优化设计

采用MC法对用于热中子探测的碳化硅探测器开展设计。优化了中子转换层参数和半导体器件参数,研究表明采用~(10)B作为中子转换材料,其最优厚度为2μm,在系统甄别阈为300 keV时对应的探测效率理论值为3.29%。制备了碳化硅外延层厚度20μm,灵敏区面积5 mm×5 mm的碳化硅器件,在外加反向偏压达180V时,其漏电流仅20.8 nA。性能测试表明:该器件对4.7-6.0 MeV的α粒子具有极好的能量线性,其线性度达0.999 97。对5.49 MeV的α粒子的能量分辨率为1.03%,对应半高宽57.3keV,与SiC高分辨α探测器分辨率相当。     

组合PIN脉冲中子探测器的能量响应

组合PIN脉冲中子探测器由一对PIN半导体和中子辐射体组成。理论计算了CH2和^235U分别作为中子辐射体的组合PIN脉冲中子探测器的灵敏度随中子能量的变化;用脉冲中子源实验测量了由CH2辐射体组成的探测器的14MeV中子灵敏度,实验结果与计算符合很好。     

MC方法计算自给能铑中子探测器灵敏度

利用MC方法结合自给能探测器空间电场效应,计算了典型的铑探测器信号电流和灵敏度并与公开文献中的实验测量值做对比验证。结果表明:使用该方法的理论计算值与实验测量值吻合良好,证明该计算方法正确可靠,而且具备相当的精度,可为大型先进压水堆堆芯测量和自给能探测器的设计研发提供参考和借鉴。     

基于6Li+CdTe的新型中子探测器的优化设计研究

面对~3He气体资源严重短缺的国际形势,2018年基于~6Li+CdTe新型中子探测器方案被提了出来,其具备热中子探测效率高、γ灵敏度低及可与~3He气体中子探测器相比拟的特点,有很好的应用前景。本文分析~6Li+CdTe中子探测器的结构和工作原理,采用MCNP6软件对~6Li+CdTe中子探测器进行物理建模并且对其物理性能、结构参数、中子慢化体设计等进行模拟计算,并就该探测器在特殊核材料监测系统中的应用开展了探索研究。结果显示:CdTe吸收层的最佳厚度为10μm;当6层~6Li+CdTe的中子探测单元叠加时,~6Li转化层的最佳厚度为60μm,此时热中子探测效率超过50%;探测系统的尺寸达到4 m×32 cm时,可以满足特殊核物质监测的要求。整个模拟研究获得了探测器最佳工作参数以及辐射监测系统设计方案,对特殊核材料在线中子监测装置的实验研究具有指导意义。     

基于4H-SiC肖特基二极管的中子探测器

针对当前极端环境下耐辐照半导体中子探测器的需求,采用耐高温、耐辐照的碳化硅宽禁带半导体材料,利用⁶Li(n, α)³H核反应原理,研制了基于4H-SiC肖特基二极管的中子探测器。利用磁控溅射完成中子转化层的制作,并用SEM表征⁶LiF膜厚。在10～600 V反向偏压下,漏电流维持在6.4 nA以下,表明探测器具备良好的半导体-金属肖特基整流接触。利用²⁴¹Am源研究探测器对5.486 MeV的α粒子的响应,测得分辨率为4.5%。同时,利用该探测器测量了由临界装置产生并经石蜡块慢化后的热中子,观测到热中子与⁶Li作用产生的α和T粒子信号的实验结果。     

离子注入微型半导体探测器的研制

国际上最早使用的微型探测器是盖革-缪勒计数器,并用它首次对活体内的肿瘤进行了测试。六十年代以来,它逐步为半导体探测器所代替。七十年代以来,微型半导体探测器已广泛地用于血流动力学、肺功能研究以及食管、胃和眼睛等体内和体表器官的诊断。我们也曾用半导体硅探测器对甲状腺节结进行过测试,效果良好。     

中子气泡探测器的研究

气泡探测器被认为是唯一能满足国际放射防护委员会ICRP60要求的个人中子剂量计,它有极高的中子灵敏度,而且适用的中子能量范围可达100eV～10MeV,是核能和民用等核环境中中子     

轻便型宇宙中子测量仪的研制

详细论述了轻便型宇宙中子测量仪及测量装置的研制。初步进行了宇宙中子流的测量。结果表明，在不同的气象条件下，宇宙中子流呈现有规律的变化。对宇宙中子信息在工程地质、大气环境、自然灾害等方面的应用作了初步探讨。     

脉冲中子全能谱测井闪烁探测器响应特性的蒙特卡罗模拟

利用蒙特卡罗方法模拟研究NaI和BGO晶体探测器对不同γ射线的响应。模拟结果表明,BGO晶体的光电峰和第一逃逸峰对计数贡献大,而NaI晶体的逃逸峰贡献大。对于井眼和地层流体分别为油和水砂岩地层,模拟改变NaI和BGO晶体探测器的直径和长度时的非弹性散射γ射线响应能谱,采用不同能窗处理方法对地层流体的分辨能力不同,选取光电峰和第一、第二逃逸峰对应的能量窗时,BGO晶体探测器比NaI晶体探测器测量的C/O（C与O的元素含量比）差值大,但受尺寸的影响不大;采用光电峰对应的能量窗时,BGO晶体探测器测量的C/O差值比NaI的大得多,且随尺寸的增加差值增大;能量道的漂移对C/O值影响较大,而能量分辨率对差值影响相对较小。     

Energy Response of Neutron Area Monitor with Silicon Semiconductor Detector

Abstract

A prototype neutron area monitor with a silicon semiconductor detector has been developed which has the energy response of 1 cm dose equivalent recommended by the 1CRP-26. Boron and proton radiators are coated on the surface of the silicon semiconductor detector. The detector is set at the center of a cylindrical polyethylene moderator. This moderator is covered by a porous cadmium board which serves as the thermal neutron absorber. Neutrons are detected as α-particles generated by the nuclear reaction ¹⁰B(n, α)⁷Li and as recoil protons generated by the interaction of fast neutrons with hydrogen.

The neutron energy response of the monitor was measured using thermal neutrons and monoenergetic fast neutrons generated by an accelerator. The response was consistent with the 1cm dose equivalent response required for the monitor within ±34% in the range of 0.025–15 MeV.     

硅半导体探测器个人剂量仪的研制

介绍个人剂量仪的工作原理,利用硅半导体光电二极管测量X、γ射线的特性和新颖的软件处理算法设计了一款个人剂量仪。在中国原子能科学研究院国防科技工业电离辐射一级计量站对仪器进行了测试,测试结果:剂量率测量范围(0.1μSv/h~1 Sv/h);剂量率固有误差:-15%~+4.7%;累积剂量固有误差:-11%~+5.7%;角响应:-19%~+4%(垂直方向),-20%~-2%(水平方向);在能量60 ke V~1.332 Me V范围内,相对137Cs的能量响应:-22%~+0.4%;实验测试结果符合国家剂量仪鉴定规程JJG1009-2006的要求。     

金刚石中子探测器稳定性和探测效率测试

介绍了金刚石中子探测器主要性能的测试方法。采用14 MeV氘氚中子测试了金刚石中子探测器的稳定性和探测效率,实验结果表明探测器性能稳定,中子探测效率ε_E=8.00×10~(-5)(±9.38%)counts/n·cm~2。SuperMC蒙卡软件对探测效率进行模拟计算,计算结果ε_C=8.69×10~(-5)(±3%)counts/n·cm~2,不确定度范围内认为二者一致。     

半导体夹心谱仪测量裂变中子能谱的不确定度

本文通过对中子能谱的不确定度的阐释,明确提出了中子能谱的不确定度应理解为能区份额或某一能量范围内中子注量(率)的不确定度。以6 Li夹心半导体中子谱仪测量CFBR-Ⅱ堆泄漏中子谱为例,对3个典型能区的中子注量率谱的不确定度进行了分析。当全谱中子注量率为3.00×107 cm-2·s-1时,0~20keV能区内的中子注量率为5.70+2.38-0.33×105 cm-2·s-1(不确定度中的包含因子k=1),0.59~0.61MeV能区内的中子注量率为(4.32±0.87)×105 cm-2·s-1(k=1),4.99~5.01MeV能区内的中子注量率为0.094+0.028-0.022×105 cm-2·s-1(k=1)。     

闪烁纤维中子探测器灵敏度研究

用蒙特卡罗方法研究了1种闪烁纤维中子探测器对不同能量中子和伽玛射线的相对灵敏度，并在实验室对几个能点的灵敏度进行了标定。实验结果表明：理论计算与实验标定的探测器能量响应曲线趋势基本一致，探测器对2．5MeV中子和1．25MeV伽玛射线的灵敏度比值为5．3。利用实验数据对计算值进行校正，可给出探测器能量响应全曲线。     

一种中子探测器放大电路的设计与实现

介绍了一种可用于中子探测器的放大电路的设计与实验验证。该电路由前置放大器、主放大器、脉冲幅度甄别器和触发器四部分组成。该电路采集正比计数管产生的微弱信号,由两级放大器对初始信号进行放大,并由脉冲幅度甄别器进行甄别成形,触发器形成固定宽度的方波脉冲供后续单片机系统采集计数。整机探测器在天然本底、252Cf中子源及模拟信号发生器下分别进行实验测试,实验结果证明了该放大电路的可靠性以及在中子探测器中的可用性。