基于碳化硅的中子探测器关键技术研究

Gas, scintillator and conventional semiconductor neutron detectors can only work and must be stored at room temperature or low temperature conditions, and thus can not be used in high-temperature and harsh radiation and other extreme environments. In order to detect neutrons in high-temperature, high-pressure and intense radiation fields such as nuclear test, nuclear reactor core, high-energy physics experiment and space, there is an urgent need to develop a new type of neutron detector. This project aims to develop a new neutron detector based on silicon carbide semiconductor, which is acomplished firstly by investigating the interaction between neutron and the detector medium, evaluating detection performance and optimizing the structure and manufacturer technics through physical computing and software simulation study, secondly by fabricating the SiC neutron detector and electronic module, and lastly by verifying and calibrating the detector's performance under various high-temperature, strong irradiation environment by integrated experimental test. This project involves the intersection and integration of the disciplines of materials science, physics and information science. The achievements of this research is of great importance to promote the development of nuclear science and experimental techniques, particle physics and astrophysics and will be widely used in the fields of nuclear, industry and daily life.

气体、闪烁体及常规半导体中子探测器只能在常温或低温下保存和工作，无法应用于高温、强辐射场等极端环境。为了在核试验、核反应堆堆芯、高能物理试验和太空等高温高压以及强辐射环境中进行中子探测，迫切需要研制出新型中子探测器。本项目以研制一种基于碳化硅半导体的新型中子探测器为目标，通过物理建模并结合软件仿真研究中子在探测器中的输运过程，预测探测器的中子探测性能，并以此为根据优化设计探测器的结构及制作工艺；然后根据最优的探测器参数和制作工艺研制探测器样品，同时设计并搭建核电子学模块以构建一套完整的SiC中子测试系统；最后在多种温度和辐射强度环境下对探测器的各项性能进行检验与标定。本项目的研究涉及材料学、物理学和信息科学等学科的交叉与融合，研究成果对促进我国核科学与试验技术、粒子物理学和天体物理学的发展具有重要的科学意义，同时在核技术的安全利用、工业生产和日常生活等领域有广泛的应用前景。

气体、闪烁体及常规半导体中子探测器只能在常温或低温下保存和工作，无法应用于高温、强辐射场等极端环境。为了在核试验、核反应堆堆芯、高能物理试验和太空等高温高压以及强辐射环境中进行中子探测，迫切需要研制出新型中子探测器。本项目以研制一种基于碳化硅半导体的新型中子探测器为目标，探索研究了研制过程中遇到的科学与技术问题以及相关的实现技术。本项目主要研究内容和结果如下：.（1）建立了基体为SiC的PIN型平面中子探测器的物理模型，应用蒙特卡罗方法对SiC中子探测器的性能进行了模拟仿真，研究了活跃体积和聚乙烯转化层对中子和γ射线探测效率及响应灵敏度的影响，给出了探测器可能达到的性能指标。.（2）结合国内外相关文献与国内现有工艺水准，确定了碳化硅中子探测器的制作方案，包括SiC材料外延层生长、欧姆接触电极制作、切片以及探测器管脚封装等，成功完成了碳化硅中子探测器的制作。.（3）使用搭建的测量入射粒子能谱的测试系统对不同尺寸的探测器进行能量刻度。能量刻度后使用14MeV的单能中子源照射探测器，得到探测器的本征探测效率，且测得的能谱与理论结果相符。.（4）研制了SiC中子探测器的1/f噪声测试平台，对受过辐照以及未受辐照的不同尺寸的SiC探测器的1/f噪声进行测试与分析。结果表明1/f噪声可以用来评估半导体核辐射探测器的性能退化程度，并成为一种可靠性评价和探测器筛选的指标。.上述研究涉及材料学、物理学和信息科学等学科的交叉与融合，研究成果对促进我国核科学与试验技术、粒子物理学和天体物理学的发展具有重要的科学意义，同时在核技术的安全利用、工业生产和日常生活等领域有广泛的应用前景。