测量反应堆快中子注量率的电流型宽禁带半导体探测器设计

苏春磊，欧阳晓平，李 达，刘 洋，宋晓靓，余小任，欧阳潇

(1.西北核技术研究所，陕西 西安 710024；2.华北电力大学 核科学与工程学院，北京 102206；3.中国科学院 苏州纳米技术与纳米仿生研究所，江苏 苏州 215125)

反应堆实验孔道中强流中子、γ混合场的快中子注量率是反应堆应用的重要参数。目前该参数的测量主要使用金属箔活化法[1-2]、裂变电离室法等方法，这两种方法分别在实时性和几何尺寸方面存在不足。金属箔活化法对γ射线不灵敏，但无法进行中子注量率的实时测量。裂变电离室几何尺寸较大，会对辐射场产生较大扰动，且后端电子学设备较复杂。半导体辐射探测器具有体积小、位置与能量分辨率高、时间响应快等优点。目前，大部分半导体辐射探测器以Si为基底材料，由于电流噪声大且耐辐照性能差，因此，基于反冲质子法的电流型补偿式半导体探测器多用于强流脉冲混合场快中子注量率测量[3-4]。近期，具有耐辐照性能强、噪声低的半绝缘型宽禁带半导体材料日趋成熟，使得基于反冲质子法的电流型补偿式半导体探测器测量稳态中子、γ混合场快中子参数成为可能[5-7]。本文通过研究宽禁带半导体探测器不同能量的中子、γ射线的响应特性，设计对γ射线不灵敏的补偿式探测结构，以实现强流混合场快中子注量率的实时测量。

1 补偿式探测结构原理及设计

图1 两种组合探测结构

为测量强流稳态混合场的快中子注量率，选用耐辐照性能强、噪声低且较成熟的半绝缘型(SI)GaN材料，提出了图1所示的两种补偿式组合探测结构。中子与各结构中的两个探测器因直接作用而沉积的能量相同，若使γ射线在两个探测器内沉积的能量相同，那么，两个探测器电流信号的差即为反冲质子的贡献，进而可推算混合场快中子注量率。为得到较合理的结构，使用基于蒙特卡罗方法的Geant4、MCNP软件模拟计算两种结构下，不同射线种类及能量、转换靶及平衡体厚度时两个探测器的响应特性，确定补偿探测结构与参数。

1.1 中子响应特性模拟

基于反冲质子法的补偿探测结构中，中子响应特性随聚乙烯转换靶厚度的变化是需首要解决的问题。为此，使用Geant4软件基于图1的串联补偿结构，对不同厚度聚乙烯转换靶的探测器中子响应特性进行模拟计算。不同能量的中子辐射条件下，两个探测器中的能量沉积差与转换靶厚度的关系如图2所示。

图2 不同能量入射中子在两个探测器中的能量沉积差与转换靶厚度的关系

图2表明，入射中子能量低于500 keV时，产生的反冲质子在探测器中的能量沉积非常低，对探测器电流信号的贡献可忽略；对于能量为0.5～6 MeV的入射中子，随着转换靶厚度的增加，两个探测器沉积能量差未发生明显改变；对于能量高于6 MeV的入射中子，两个探测器沉积能量差随转换靶厚度的增加而不断增大，当转换靶厚度大于1 mm时，沉积能量差达稳定。在反应堆混合场应用过程中，对热中子、超热中子进行了过滤，高能中子的比例相对变高。因此，根据该理论模拟结果，将转换靶的厚度设置为1 mm较合理。

随后模拟转换靶厚度为1 mm时，探测器1与转换靶不同间隙的串联补偿结构以及并联补偿结构中，两个探测器中沉积能量差随入射中子能量变化，结果如图3所示。图3表明，串联结构中，探测器1对探测器2的屏蔽作用并未随间隙的变化而变化，且探测器1产生的次级电子也未发生明显变化，因此，两个探测器沉积能量差几乎不发生变化；由于探测器1对探测器2存在一定的屏蔽作用，并联结构中两个探测器中沉积能量差较串联结构的高。因此，并联结构较串联结构具有更高的信噪比。

图3 两种组合探测结构中中子的沉积能量差

1.2 γ射线响应特性模拟

基于反冲质子法的补偿探测结构中，还需采用合适的结构及参数使两个探测器的γ射线响应特性一致。不同能量γ射线入射时，串联结构不同间隙及不带有平衡体的并联结构条件下，两个探测器的能量沉积模拟结果如图4所示(转换靶厚度为1 mm)。

图4a、b、c表明，两探测器间间隙分别为0、5及10 mm，当入射光子能量低于0.1 MeV时，探测器1中的沉积能量大于探测器2中的沉积能量，且两者并无线性关系。当入射光子能量为0.1～0.6 MeV时，探测器2中的沉积能量与探测器1中的接近。当入射光子能量大于0.6 MeV时，探测器2中的能量沉积大于探测器1中的能量沉积，且两者无线性关系。图4d表明，并联结构时，当入射光子能量低于0.6 MeV时两探测器中沉积能量相差较小。当入射光子能量大于0.6 MeV时，探测器2中的能量沉积始终高于探测器1中的能量沉积。因此，γ射线响应特性模拟结果表明，简单的串联补偿结构与并联补偿结构均无法使两个探测器中的能量沉积相同，但在低能光子入射时，并联补偿结构的两探测器沉积差别较小。

a——间隙0 mm串联结构；b——间隙5 mm串联结构； c——间隙10 mm串联结构；d——并联结构

1.3 并联补偿结构的改进

并联补偿结构下两个探测器中能量沉积有差异的主要原因是，较高能量γ射线在聚乙烯转换靶产生的次级电子进入探测器2，使其沉积的能量大于探测器1中的能量沉积(图4d)。为此，可为探测器1添加平衡体使两个探测器具有相同的γ射线能量沉积，且不影响探测器的中子响应特性。候选平衡体材料为石墨、聚四氟乙烯等对中子不灵敏材料。

当探测器1选用0.5 mm厚的石墨或聚四氟乙烯平衡体时，不同能量入射光子在探测器中的能量沉积与带有1 mm聚乙烯转换靶的探测器2最为接近的情况分别如图5a、b所示。从图5a可看出，探测器1添加0.5 mm石墨平衡体后，不同能量的γ射线在该探测器中的能量沉积与探测器2中的差别小于±5%，中高能部分可做到小于±1%；从图5b可看出，探测器1添加0.5 mm聚四氟乙烯平衡体后，20 keV以下的γ射线在该探测器中的能量沉积与探测器2中的差别较大，其他能量光子入射时其差别小于±5%，表明石墨材料更合理。探测器1添加石墨平衡体后，由于石墨平衡体的平均原子序数较聚乙烯转换靶的大，γ射线在相同厚度的石墨中产生较聚四氟乙烯平衡体更多的次级电子，使用1 mm厚的聚乙烯转换靶和0.5 mm厚的石墨可使两个探测器的γ射线响应特性一致。同时，探测器1添加平衡体后，并联组合探测器的中子响应特性未发生变化。

优化的组合结构及参数即为：采用并联结构，探测器2的聚乙烯转换靶的厚度为1 mm，并为探测器1添加0.5 mm厚的石墨平衡体。为此，可以将γ射线形成的信号有效地扣除，降低γ射线的干扰。

2 西安脉冲堆1#径向孔道快中子注量率测量

使用中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所研制的半绝缘型GaN材料(缺陷密度低于104cm-2，电阻率高于1010Ω·cm)，经欧姆接触电极的镀制、封装、添加聚乙烯转换靶及石墨平衡体等工序完成补偿探测器的制作，并进行快中子注量率测量。

2.1 探测器的平均响应

西安脉冲堆的1#径向孔道可提供不同n、γ比的混合辐射场，根据现有该孔道混合场的中子能谱模拟结果，可给出探测器的平均灵敏度，随后推算出混合场中中子的注量率。探测器的平均灵敏度计算过程如下：

(1)

其中：Daverage为探测器对归一化能谱为φ(E)中子辐射场的平均能量沉积；f(E)为通过理论模拟得到的探测器对不同能量中子的响应。最后得到的结果为4.57×10-3MeV，其物理意义为1#径向孔道辐射场发射1个中子在该探测器中沉积的能量。

2.2 测量结果

在西安脉冲堆运行功率为1 MW时，聚乙烯转换靶产生的反冲质子在探测器2中形成的有效电流信号Ieff=I1-I2=0.32 nA，其中，I1、I2分别为探测器1和探测器2的电流信号。混合辐射场的快中子注量率φ可用下式计算得出：

(2)

图5 添加平衡体后探测器中的γ射线能量沉积

其中：Weh为GaN产生电子、空穴对所需的平均能量，为8.9 eV；S为探测器的面积，取0.5 cm2；η为探测器的电荷收集效率，通过60Co γ标准辐射场可得出该值为30%。最终测量结果得出，混合场中能量大于500 keV的快中子注量率约2.7×107cm-2·s-1，与已有测量结果符合较好。

3 小结

本文模拟计算并综合分析了中子与γ射线的响应特性，得出了较合理的补偿探测结构，可将γ射线的影响降低两个量级，同时优化了不同能量的中子灵敏度。同时，利用该探测装置测量了西安脉冲堆1 MW条件下1#径向孔道内混合场的快中子注量率，取得了较好的实验结果，验证了该方法及结构的合理性。利用该探测器组合可为西安脉冲堆及其他大型装置的辐射场参数测量提供有力工具。

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