4H-SiC探測器的快中子產額測量可行性研究

王飛鵬 洪 兵 李桃生 沈水法,3 蔣潔瓊 陳思澤

1（中國科學院合肥物質科學研究院 合肥230031）

2（中國科學技術大學 合肥230027）

3（福建工程學院電子電氣與物理學院 福州350118）

基于4H-SiC材料的快中子探測器位移閾能大、禁帶寬度寬、飽和電子漂移速度高，具有抗輻照、耐高溫、響應速度快等優點［1-2］，可以克服半導體探測器不耐高溫和不耐輻照的技術難題，在聚變中子診斷、堆芯功率監測、脈沖中子油/氣測井、外太空試驗等高溫強輻射環境中進行中子測量時，有著很好的應用前景［2-5］。目前，國內外的研究主要集中于4H-SiC肖特基勢壘二極管在高溫、中子/γ及電子強輻照前后，電學性能及α粒子探測性能研究［3，6-8］，同時開展了在常溫下通過增加轉換層（LiF、LiH、BF3等）進行中子探測的探索［9-10］，使用4H-SiC探測器測量快中子產額的實驗研究仍需進一步深入。本文利用強流氘氚聚變中子發生器（High Intensity Deuterium-Tritium Fusion Neutron Generator，HINEG）［11］產生的單能14.1 MeV氘氚聚變中子測試4H-SiC探測器的性能，得到了探測器對14.1 MeV中子的注量響應。

1 探測原理

基于4H-SiC材料制作的肖特基二極管結構如圖1所示，其中外延層厚度為30μm，外延層上沉積100 nm的Ni形成肖特基接觸，在350μm厚的4HSiC基底上蒸鍍100 nm的Ni形成歐姆接觸［12］。靈敏區規格為5 mm×5 mm，如圖1所示，探測器封裝后使用。

圖1 4H-SiC快中子探測器結構示意圖及實物圖Fig.1 Schematic diagram and physical map of 4H-SiC fast neutron detector

中子與28Si和12C原子核發生反應，通過收集測量核反應產生的帶電粒子，實現中子測量。14.1 MeV氘氚聚變中子與4H-SiC探測器發生的核反應如表1所示［12-14］。

表1 14.1 MeV中子與C、Si發生的主要核反應Table 1 Main reactions between 14.1 MeV neutrons and C,Si

對于14.1 MeV快中子，12C（n，α0）9Be反應的閾值為6.419 6 MeV，產生的帶電粒子總動能更是高達8.4 MeV，如果該特征峰在脈沖幅度譜上能很好地分離，利用該特征峰實現14.1 MeV中子計數測量將具有理論可行性。……