測量反應堆快中子注量率的電流型寬禁帶半導體探測器設計

蘇春磊，歐陽曉平，李 達，劉 洋，宋曉靚，余小任，歐陽瀟

(1.西北核技術研究所，陜西 西安 710024；2.華北電力大學 核科學與工程學院，北京 102206；3.中國科學院 蘇州納米技術與納米仿生研究所，江蘇 蘇州 215125)

反應堆實驗孔道中強流中子、γ混合場的快中子注量率是反應堆應用的重要參數。目前該參數的測量主要使用金屬箔活化法[1-2]、裂變電離室法等方法，這兩種方法分別在實時性和幾何尺寸方面存在不足。金屬箔活化法對γ射線不靈敏，但無法進行中子注量率的實時測量。裂變電離室幾何尺寸較大，會對輻射場產生較大擾動，且后端電子學設備較復雜。半導體輻射探測器具有體積小、位置與能量分辨率高、時間響應快等優點。目前，大部分半導體輻射探測器以Si為基底材料，由于電流噪聲大且耐輻照性能差，因此，基于反沖質子法的電流型補償式半導體探測器多用于強流脈沖混合場快中子注量率測量[3-4]。近期，具有耐輻照性能強、噪聲低的半絕緣型寬禁帶半導體材料日趨成熟，使得基于反沖質子法的電流型補償式半導體探測器測量穩態中子、γ混合場快中子參數成為可能[5-7]。本文通過研究寬禁帶半導體探測器不同能量的中子、γ射線的響應特性，設計對γ射線不靈敏的補償式探測結構，以實現強流混合場快中子注量率的實時測量。

1 補償式探測結構原理及設計

圖1 兩種組合探測結構

為測量強流穩態混合場的快中子注量率，選用耐輻照性能強、噪聲低且較成熟的半絕緣型(SI)GaN材料，提出了圖1所示的兩種補償式組合探測結構。中子與各結構中的兩個探測器因直接作用而沉積的能量相同，若使γ射線在兩個探測器內沉積的能量相同，那么，兩個探測器電流信號的差即為反沖質子的貢獻，進而可推算混合場快中子注量率。為得到較合理的結構，使用基于蒙特卡羅方法的Geant4、MCNP軟件模擬計算兩種結構下，不同射線種類及能量、轉換靶及平衡體厚度時兩個探測器的響應特性，確定補償探測結構與參數。

1.1 中子響應特性模擬

基于反沖質子法的補償探測結構中，中子響應特性隨聚乙烯轉換靶厚度的變化是需首要解決的問題。為此，使用Geant4軟件基于圖1的串聯補償結構，對不同厚度聚乙烯轉換靶的探測器中子響應特性進行模擬計算。不同能量的中子輻射條件下，兩個探測器中的能量沉積差與轉換靶厚度的關系如圖2所示。

圖2 不同能量入射中子在兩個探測器中的能量沉積差與轉換靶厚度的關系

圖2表明，入射中子能量低于500 keV時，產生的反沖質子在探測器中的能量沉積非常低，對探測器電流信號的貢獻可忽略；對于能量為0.5～6 MeV的入射中子，隨著轉換靶厚度的增加，兩個探測器沉積能量差未發生明顯改變；對于能量高于6 MeV的入射中子，兩個探測器沉積能量差隨轉換靶厚度的增加而不斷增大，當轉換靶厚度大于1 mm時，沉積能量差達穩定。在反應堆混合場應用過程中，對熱中子、超熱中子進行了過濾，高能中子的比例相對變高。因此，根據該理論模擬結果，將轉換靶的厚度設置為1 mm較合理。

隨后模擬轉換靶厚度為1 mm時，探測器1與轉換靶不同間隙的串聯補償結構以及并聯補償結構中，兩個探測器中沉積能量差隨入射中子能量變化，結果如圖3所示。圖3表明，串聯結構中，探測器1對探測器2的屏蔽作用并未隨間隙的變化而變化，且探測器1產生的次級電子也未發生明顯變化，因此，兩個探測器沉積能量差幾乎不發生變化；由于探測器1對探測器2存在一定的屏蔽作用，并聯結構中兩個探測器中沉積能量差較串聯結構的高。因此，并聯結構較串聯結構具有更高的信噪比。

圖3 兩種組合探測結構中中子的沉積能量差

1.2 γ射線響應特性模擬

基于反沖質子法的補償探測結構中，還需采用合適的結構及參數使兩個探測器的γ射線響應特性一致。不同能量γ射線入射時，串聯結構不同間隙及不帶有平衡體的并聯結構條件下，兩個探測器的能量沉積模擬結果如圖4所示(轉換靶厚度為1 mm)。

圖4a、b、c表明，兩探測器間間隙分別為0、5及10 mm，當入射光子能量低于0.1 MeV時，探測器1中的沉積能量大于探測器2中的沉積能量，且兩者并無線性關系。當入射光子能量為0.1～0.6 MeV時，探測器2中的沉積能量與探測器1中的接近。當入射光子能量大于0.6 MeV時，探測器2中的能量沉積大于探測器1中的能量沉積，且兩者無線性關系。圖4d表明，并聯結構時，當入射光子能量低于0.6 MeV時兩探測器中沉積能量相差較小。當入射光子能量大于0.6 MeV時，探測器2中的能量沉積始終高于探測器1中的能量沉積。因此，γ射線響應特性模擬結果表明，簡單的串聯補償結構與并聯補償結構均無法使兩個探測器中的能量沉積相同，但在低能光子入射時，并聯補償結構的兩探測器沉積差別較小。

a——間隙0 mm串聯結構；b——間隙5 mm串聯結構； c——間隙10 mm串聯結構；d——并聯結構

1.3 并聯補償結構的改進

并聯補償結構下兩個探測器中能量沉積有差異的主要原因是，較高能量γ射線在聚乙烯轉換靶產生的次級電子進入探測器2，使其沉積的能量大于探測器1中的能量沉積(圖4d)。為此，可為探測器1添加平衡體使兩個探測器具有相同的γ射線能量沉積，且不影響探測器的中子響應特性。候選平衡體材料為石墨、聚四氟乙烯等對中子不靈敏材料。

當探測器1選用0.5 mm厚的石墨或聚四氟乙烯平衡體時，不同能量入射光子在探測器中的能量沉積與帶有1 mm聚乙烯轉換靶的探測器2最為接近的情況分別如圖5a、b所示。從圖5a可看出，探測器1添加0.5 mm石墨平衡體后，不同能量的γ射線在該探測器中的能量沉積與探測器2中的差別小于±5%，中高能部分可做到小于±1%；從圖5b可看出，探測器1添加0.5 mm聚四氟乙烯平衡體后，20 keV以下的γ射線在該探測器中的能量沉積與探測器2中的差別較大，其他能量光子入射時其差別小于±5%，表明石墨材料更合理。探測器1添加石墨平衡體后，由于石墨平衡體的平均原子序數較聚乙烯轉換靶的大，γ射線在相同厚度的石墨中產生較聚四氟乙烯平衡體更多的次級電子，使用1 mm厚的聚乙烯轉換靶和0.5 mm厚的石墨可使兩個探測器的γ射線響應特性一致。同時，探測器1添加平衡體后，并聯組合探測器的中子響應特性未發生變化。

優化的組合結構及參數即為：采用并聯結構，探測器2的聚乙烯轉換靶的厚度為1 mm，并為探測器1添加0.5 mm厚的石墨平衡體。為此，可以將γ射線形成的信號有效地扣除，降低γ射線的干擾。

2 西安脈沖堆1#徑向孔道快中子注量率測量

使用中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所研制的半絕緣型GaN材料(缺陷密度低于104cm-2，電阻率高于1010Ω·cm)，經歐姆接觸電極的鍍制、封裝、添加聚乙烯轉換靶及石墨平衡體等工序完成補償探測器的制作，并進行快中子注量率測量。

2.1 探測器的平均響應

西安脈沖堆的1#徑向孔道可提供不同n、γ比的混合輻射場，根據現有該孔道混合場的中子能譜模擬結果，可給出探測器的平均靈敏度，隨后推算出混合場中中子的注量率。探測器的平均靈敏度計算過程如下：

(1)

其中：Daverage為探測器對歸一化能譜為φ(E)中子輻射場的平均能量沉積；f(E)為通過理論模擬得到的探測器對不同能量中子的響應。最后得到的結果為4.57×10-3MeV，其物理意義為1#徑向孔道輻射場發射1個中子在該探測器中沉積的能量。

2.2 測量結果

在西安脈沖堆運行功率為1 MW時，聚乙烯轉換靶產生的反沖質子在探測器2中形成的有效電流信號Ieff=I1-I2=0.32 nA，其中，I1、I2分別為探測器1和探測器2的電流信號。混合輻射場的快中子注量率φ可用下式計算得出：

(2)

圖5 添加平衡體后探測器中的γ射線能量沉積

其中：Weh為GaN產生電子、空穴對所需的平均能量，為8.9 eV；S為探測器的面積，取0.5 cm2；η為探測器的電荷收集效率，通過60Co γ標準輻射場可得出該值為30%。最終測量結果得出，混合場中能量大于500 keV的快中子注量率約2.7×107cm-2·s-1，與已有測量結果符合較好。

3 小結

本文模擬計算并綜合分析了中子與γ射線的響應特性，得出了較合理的補償探測結構，可將γ射線的影響降低兩個量級，同時優化了不同能量的中子靈敏度。同時，利用該探測裝置測量了西安脈沖堆1 MW條件下1#徑向孔道內混合場的快中子注量率，取得了較好的實驗結果，驗證了該方法及結構的合理性。利用該探測器組合可為西安脈沖堆及其他大型裝置的輻射場參數測量提供有力工具。

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