CN115267879A - 一种高分辨脉冲快中子通量、能谱的测量装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及核辐射探测技术，具体涉及一种高分辨脉冲快中子通量、能谱测量装置及测量方法。解决了中子分辨力、抗干扰能力和系统长期工作稳定性不能满足实际需求的问题，包括真空舱以及设置在真空舱内的碳化硅半导体探测器和含氢转换靶。含氢转换靶设置于中子入射方向且空间位置固定，碳化硅半导体探测器设置在所述含氢转换靶的反冲质子出射方向，位置可调。本测量装置通过调节碳化硅半导体探测器的位置及灵敏区厚度和面积、含氢转换靶的厚度，实现对快中子响应灵敏度的调节。本发明还提供一种测量中子通量和中子能谱的方法，测得的结果精度高，测量效果好，信噪比高，可实现高分辨测量。
Description
技术领域
本发明涉及核辐射探测技术，具体涉及一种高分辨脉冲快中子通量、能谱测量装置及测量方法。
背景技术
快中子，通常指核裂变和核聚变过程中产生的自由中子，其动能一般大于0.1MeV(兆电子伏特)，能量可达几-十几MeV。快中子由核反应过程产生、增殖并会引发新的核反应，其直接携带了核反应过程的信息，因此对快中子通量和能谱的探测是获取核反应信息的最直接的手段。中子通量可测核反应总量，快中子能谱可测等离子体温度，这都是对核反应过程诊断关心的核心参数，是人类有效利用核能、了解和把握核反应过程特征的基础和关键技术。
快中子探测存在三个难题：
首先，快中子不带电、速度快、穿透能力很强，使用半导体探测器等进行直接探测会存在探测效率低的问题，因此，通常使用核反冲法、核裂变法、核反应法和核活化法来实现快中子的有效探测。在这四种方法中，核反冲法可有效还原入射中子能量和时间信息，对脉冲快中子探测非常重要。
再者，快中子探测时，辐射环境中常常伴随着伽马射线和热中子等本底干扰，如何获得高信噪比是有效探测快中子的关键，探测器件对本底干扰的抑制能力对探测系统在实际应用中获得高信噪比非常重要。
第三，快中子会在半导体材料内引发空位类缺陷，如空位、空位环、空位团簇等，引发禁带中间的深能级带电缺陷，会束缚辐射激发出的载流子、增加载流子的复合概率、降低探测器的电荷收集效率、增加探测器暗电流，导致半导体探测器性能的退化。
因此在快中子探测中选择抗辐照性能更好的宽禁带半导体探测器，利于实现探测系统的长寿命及长可靠工作时间。
目前在脉冲快中子能谱探测中，主要选择基于硅半导体探测器的反冲质子探测方法。但由于硅探测器时间响应速度不够快、抗本底干扰能力不理想、对中子和质子的抗辐照能力不强等问题，导致该探测方法获得的中子能谱分辨力、抗干扰能力和系统长期工作稳定性不能满足实际需求的问题。
基于宽禁带半导体材料碳化硅的新型半导体探测器近年来发展较快。目前该类探测器已经成功突破了材料低缺陷生长和器件高质量制备的问题，探测器可实现近100％的高电荷收集效率、1％以内的超高能量分辨、10μm～200μm灵敏区的灵活可调、高至5A以上的高线性电流和比传统硅高4个量级以上的快中子抗辐照性能。特别地，碳化硅材料的等效原子系数明显低于传统的硅/锗/砷化镓等半导体材料，在实际应用的复杂辐射环境的快中子探测中，可实现对本底中子/伽马/电子低响应灵敏度，利于碳化硅探测器构建的快中子探测系统实现高信噪比。
目前基于碳化硅的探测器已被用于带电粒子、基于裂变法的快中子探测中，但尚未见用于快中子能谱的探测。
发明内容
本发明的目的是解决中子分辨力、抗干扰能力和系统长期工作稳定性不能满足实际需求的问题，而提供一种高分辨脉冲快中子通量、能谱测量装置及测量方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种高分辨脉冲快中子通量及能谱测量装置，其特殊之处在于：包括真空舱3，以及设置在真空舱3内的碳化硅半导体探测器2和含氢转换靶1；所述含氢转换靶1设置于中子入射方向且空间位置固定；所述碳化硅半导体探测器2设置在所述含氢转换靶1的反冲质子出射方向，位置可调，与含氢转换靶1的距离为5cm～40cm；所述碳化硅半导体探测器2与中子入射方向的夹角为30°～60°。
进一步地，所述碳化硅半导体探测器2与含氢转换靶1的距离为10cm～20cm；
所述碳化硅半导体探测器2与中子入射方向的夹角为35°～45°；
所述碳化硅半导体探测器2时间响应的上升时间小于3ns、响应半高宽小于30ns；
所述碳化硅半导体探测器2为PIN型厚灵敏区碳化硅半导体探测器，灵敏区厚度在30μm～200μm范围内可调。
进一步地，所述碳化硅半导体探测器2的灵敏区面积为1cm2～8cm2，厚度为100μm～200μm，死层厚度小于100nm。
进一步地，所述含氢转换靶1的厚度可调节，厚度为30μm～900μm。
进一步地，所述含氢转换靶1的厚度为30μm～500μm。
进一步地，还包括第一准直器和第二准直器；第一准直器设置在中子入射方向且位于含氢转换靶1前，用于屏蔽伴随γ射线对碳化硅半导体探测器2产生的信号干扰；第二准直器设置在反冲质子的运动方向且位于碳化硅半导体探测器2前，用于约束特定散射角度的反冲质子进入碳化硅半导体探测器2。
本发明还提供一种基于上述高分辨脉冲快中子通量及能谱测量装置的中子通量测量方法，包括以下步骤：
步骤一，快中子进入真空舱3中，与含氢转换靶1中的氢原子核发生弹性碰撞形成反冲质子；
步骤二，反冲质子在真空舱3中飞行至碳化硅半导体探测器2处；
步骤三，反冲质子在碳化硅半导体探测器2中产生电信号Q；
步骤四，利用碳化硅半导体探测器2对质子的响应灵敏度S(Ep)，利用以下公式，得到质子数目J(EP)：
J(Ep)＝Q/S(Ep)
其中，S(Ep)为质子的响应灵敏度，即入射单个质子条件下，碳化硅半导体探测器2的输出电信号值，单位为C·cm2·p-1，C为电荷量的单位库仑，p指代每个质子；
步骤五，利用以下公式，得到中子通量信息Ф(En)：
其中，σ(En)是含氢转换靶n-p散射截面；ω为碳化硅半导体探测器2表面接收反冲质子的立体角；n为含氢转换靶1单位面积的氢核数量。
进一步地，通过调节碳化硅半导体探测器2与中子入射方向的夹角、碳化硅半导体探测器2与含氢转换靶1的距离、含氢转换靶1的厚度、碳化硅半导体探测器2的灵敏区厚度和灵敏区面积来调节测量灵敏度。
本发明还提供一种基于上述高分辨脉冲快中子通量及能谱测量装置的中子能谱测量方法，包括以下步骤：
步骤一，发射源发射中子，进入真空舱3中并飞行至含氢转换靶2处，飞行距离记为l；
步骤二，中子与含氢转换靶1中的氢原子核发生弹性碰撞形成反冲质子；
步骤三，反冲质子在真空舱3中飞行至碳化硅半导体探测器2处；
步骤四，反冲质子在碳化硅半导体探测器2中产生电流信号，获得“电流-时间”波形I(t)；
步骤五，将步骤四获得的电流-时间”波形I(t)，转换为“中子数目-时间”特征N(t)：
其中，S(En)为测量装置对中子的响应灵敏度，即单个中子在测量装置中可产生的电信号，单位为C·cm2·n-1，C为电荷量的单位库仑，n指代每个中子；
步骤六，将以下公式代入“中子数目-时间”特征N(t)中，得到“中子数目-中子能量”特征N(En)，N(En)即为中子能谱：
其中，中子能量En的单位为eV，中子飞行距离l单位为cm，时间t单位为μs。
进一步地，通过调节碳化硅半导体探测器2与中子入射方向的夹角、碳化硅半导体探测器2与含氢转换靶1的距离、含氢转换靶1的厚度、碳化硅半导体探测器2的灵敏区厚度和灵敏区面积来调节测量灵敏度。
与现有技术相比，本发明具有的有益技术效果如下：
1、碳化硅半导体探测器响应时间快、抗干扰能力强、能量分辨高、具有大线性输出工作范围，因此本发明提供的高分辨脉冲快中子通量、能谱测量装置的抗干扰性能好，测量装置探测范围大且精度高；
2、碳化硅半导体探测器暗电流小，长时间加电工作时探测器发热较小，同时碳化硅半导体探测器的耐高温性能好，探测系统长期工作不易失效，可在高温辐射环境下工作；
3、本发明提供的测量装置可通过调节碳化硅半导体探测器的位置及灵敏区厚度和面积、含氢转换靶的厚度，实现对快中子响应灵敏度的调节；
4、测量装置设置两个准直器，可提高测量精度，增大测量装置的可探测中子强度的线性范围；
4、快中子通量测量利用反冲质子来测量中子通量，测得的结果精度高；
5、快中子能谱测量基于飞行时间法，测量效果好，信噪比高，可实现高分辨测量。
附图说明
图1为本发明快中子通量、能谱测量装置结构示意图；
图2为快中子通量、能谱测量装置系统原理图；
图3为中子入射方向与反冲质子出射方向示意图；
图4为14MeV快中子的n-p散射截面数据分布图；
附图标记：
1-含氢转换靶，2-碳化硅半导体探测器，3-真空舱。
具体实施方式
为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种高分辨脉冲快中子通量、能谱测量装置及测量方法作进一步详细说明。
如图1，一种高分辨脉冲快中子通量及能谱测量装置，包括真空舱3，以及设置在真空舱3内的碳化硅半导体探测器2和含氢转换靶1。
含氢转换靶1设置于中子入射方向且空间位置固定，碳化硅半导体探测器2设置在含氢转换靶1的反冲质子出射方向，位置可调，与含氢转换靶1的距离为5cm～40cm，碳化硅半导体探测器2与中子入射方向的夹角为30°～60°。图2为快中子通量及能谱测量装置的系统原理图，图中的角θ即为碳化硅半导体探测器2与中子入射方向的夹角。
中子与含氢转换靶1中的氢原子核发生弹性碰撞形成反冲质子，反冲质子进入碳化硅半导体探测器2产生电信号，通过反冲质子产生的电信号可回推出入射中子信息。反冲质子能量Ep与入射中子能量En的关系为
为反冲质子的出射角，如图3。
碳化硅半导体探测器2具有较强的辐射本底响应抑制能力，碳化硅材料的等效原子序数低于传统的硅/锗/砷化镓等半导体探测器，对本底中子直照、电子和伽马射线的响应更低，具有更强的抗本底干扰能力。碳化硅半导体探测器2可实现高达1％以内的能量分辨能力、接近100％的高电荷收集效率，可获得更高精度的测量结果。
因此，本实施例提供的高分辨脉冲快中子通量、能谱测量装置在强本底干扰环境中可正常工作，系统探测下限低；碳化硅半导体探测器2具有大线性输出工作范围，可在高中子通量环境下工作，系统探测上限高。
碳化硅半导体探测器2暗电流小，测量装置长时间加电工作时发热较小，同时碳化硅半导体探测器2具有比传统硅探测器高4个量级以上的抗快中子和质子辐照性能，具有更好的高温环境稳定性，在强辐射场和高温环境下性能稳定，可实现测量装置的长期可靠工作。
碳化硅半导体探测器2的选择，要求时间响应的上升时间小于3ns、响应半高宽小于30ns。碳化硅半导体探测器2的时间响应快，对脉冲快中子束流产生的反冲质子能快速响应，获得高保真的波形，测试波形的时间畸变小，回推出的脉冲快中子能谱精度高。碳化硅半导体探测器2选择PIN型厚灵敏区碳化硅半导体探测器。
反冲质子在空气中的射程有限，仅几-几十厘米。反冲质子在到达碳化硅半导体探测器2前，若在空气中飞行，会导致能量的大幅度额外损失和飞行时间的额外展宽，这对获得高精度的脉冲快中子信息非常不利。因此，本实施例设置真空舱3，用来为测量装置提供真空环境。
本实施例还设置了第一准直器和第二准直器。第一准直器设置在中子入射方向，且位于含氢转换靶前，用于屏蔽伴随γ射线对碳化硅探测器2产生的信号干扰，选择性地使发散出射的中子束流经准直后变成发散角极小、能散度低的平行中子束流，有利于提高测量精度。第二准直器设置在反冲质子的运动方向，且位于碳化硅探测器前，可根据测量需要约束特定散射角度的反冲质子进入碳化硅半导体探测器2，有利于提升测量精度。同时通过调节第二准直器准直孔的大小，可约束进入碳化硅探测器的反冲质子数目，可实现高中子通量下碳化硅半导体探测器2工作在线性区，能增大测量装置的可探测中子强度的线性范围。
测量装置的测量灵敏度可根据需求进行调节。调节碳化硅半导体探测器2与中子入射方向的夹角、碳化硅半导体探测器2与含氢转换靶1的距离、碳化硅半导体探测器2的灵敏区厚度和面积、含氢转换靶1的厚度，可实现系统快中子响应灵敏度的调节。
碳化硅半导体探测器2与中子入射方向的夹角及碳化硅半导体探测器2与含氢转换靶1的距离，会影响系统的信噪比。当角度太小时、距离太近时，中子散射及辐射干扰导致系统的信噪比低；角度太大、距离太远时，质子的产生率很低，系统的信号太小，信噪比不理想。
碳化硅半导体探测器2与含氢转换靶1的距离不能太近，如2cm～3cm，太近时中子会直照到碳化硅半导体探测器2上，引起干扰，导致系统探测的信噪比低。同时，距离也不可太远，距离太远时，反冲质子在真空中的飞行时间增加，而本实施例是基于飞行时间法测量中子能谱的，距离太远会导致对中子能谱分辨力的降低，增加测量结果的不确定度。
碳化硅半导体探测器2与中子入射方向的夹角为35°～45°、碳化硅半导体探测器2与含氢转换靶1的距离为10cm～20cm时，系统可获得最佳的信噪比，抗干扰性能可显著提升。
碳化硅半导体探测器选择PIN型厚灵敏区碳化硅半导体探测器，敏区面积为1cm2～8cm2，厚度为100μm～200μm，死层厚度小于100nm。碳化硅半导体探测器2的灵敏区面积大，则对反冲质子接收的立体角大，利于反冲质子的探测。探测器的灵敏区厚度要足够高，使得反冲质子能量能够全沉积在碳化硅半导体探测器2的灵敏区中。
本实施例含氢转换靶1的厚度可以根据实际需求在30μm～900μm(氢含量为0.029mg/cm2～86.4mg/cm2)之间调节。测量中子能谱时，厚度一般为30μm～500μm(氢含量为0.029mg/cm2～48.0mg/cm2)；测中子通量时，可略厚。含氢转换靶1的薄厚按对灵敏度的需求选择。薄靶时，反冲质子的能量损失较小，反冲质子的能量分布窄，反冲质子在到达碳化硅半导体探测器2前的飞行时间展宽小，利用飞行时间法可获得更高分辨的中子能谱，但探测效率低，系统灵敏度低；厚靶有利于获得高探测效率，但反冲质子在含氢转换靶1内的能量损失多、反冲质子的能量分布宽，会导致反冲质子谱向低能侧延伸，反冲质子在到达碳化硅半导体探测器2前的飞行时间展宽大，不利于采用飞行时间法获得更高分辨的中子能谱。
本实施例还提供一种基于上述高分辨脉冲快中子通量及能谱测量装置的中子通量测量方法，包括以下步骤，
步骤一，快中子进入真空舱3中，与含氢转换靶1中的氢原子核发生弹性碰撞形成反冲质子；
步骤二，反冲质子在真空舱3中飞行至碳化硅半导体探测器2处；
步骤三，反冲质子在碳化硅半导体探测器2中产生电信号Q；
步骤四，利用碳化硅半导体探测器2对质子的响应灵敏度S(Ep)，利用以下公式，得到质子数目J(EP)：
J(Ep)＝Q/S(Ep)
其中，S(Ep)为质子的响应灵敏度，即入射单个质子条件下，碳化硅半导体探测器2的输出电信号值，单位为C·cm2·p-1，C为电荷量的单位库仑，p指代每个质子；S(Ep)是可通过系统灵敏度刻度实验获得的参量，在本实施例中可视为已知量；
步骤五，利用以下公式，得到中子通量信息Ф(En)：
其中，σ(En)是含氢转换靶n-p散射截面，可通过查询标准核数据截面获得该参数，如图4，为14MeV快中子的n-p散射截面数据图；ω为碳化硅半导体探测器2表面接收反冲质子的立体角；n为含氢转换靶1单位面积的氢核数量。
中子与含氢转化靶1中的氢原子核发生弹性碰撞时，中子的部分能量传递给氢原子核使其成为反冲质子，携带部分动能的反冲质子离开含氢转化靶/由含氢转换靶表面出射。反冲质子会携带入射中子的部分能量等参数信息，因此，可根据测得的反冲质子参数信息来回推入射中子的信息。
本方法适用于1-20MeV快中子通量测量，由于n(中子)-p(质子)散射截面数据精准，实验与理论计算符合地很好，快中子能量在0.1-24MeV内，误差小于0.5％。故利用反冲质子来测量中子通量的方法在理论上精度很高，在1-5MeV快中子通量测量中理论精度可达3％以内。
本实施例还提供一种基于上述高分辨脉冲快中子通量及能谱测量装置的中子能谱测量方法。本测量方法基于飞行时间方法，可利用不同能量快中子飞行速度的不同，来获得脉冲快中子能谱。可通过测量“中子数目-时间”信号，利用飞行速度计算获得“中子数目-中子能量”，“中子数目-中子能量”即为中子能谱。
中子能谱测量方法包括以下步骤：
步骤一，中子发射源发射中子，进入真空舱3中并飞行至含氢转换靶2处，飞行距离记为l；
步骤二，中子与含氢转换靶1中的氢原子核发生弹性碰撞形成反冲质子；
步骤三，反冲质子在真空舱3中飞行至碳化硅半导体探测器2处；
步骤四，反冲质子在碳化硅半导体探测器2中产生电流信号，获得“电流-时间”波形I(t)；
步骤五，将步骤四获得的“电流-时间”波形I(t)，转换为“中子数目-时间”特征N(t)：
其中，S(En)为测量装置对中子的响应灵敏度，即单个中子在测量装置中可产生的电信号，单位为C·cm2·n-1，C为电荷量的单位库仑，n指代每个中子；S(En)是可通过系统灵敏度刻度实验获得的参量，在本实施例中可视为已知量；
步骤六，将以下公式代入“中子数目-时间特征”N(t)中，得到“中子数目-中子能量特征”N(En)，N(En)即为中子能谱：
其中，中子能量En的单位为eV，中子飞行距离l单位为cm，时间t单位为μs。
本方法适用于1-20MeV快中子能谱测量，SiC对本底伽马的响应低，相比于硅探测器，受Si(n，p)，Si(n，α)反应产生带电粒子的影响小，对低能部分中子的测量效果更好、信噪比更高，可实现高分辨测量。
Claims (10)
1.一种高分辨脉冲快中子通量及能谱测量装置，其特征在于：包括真空舱(3)，以及设置在真空舱(3)内的碳化硅半导体探测器(2)和含氢转换靶(1)；
所述含氢转换靶(1)设置于中子入射方向且空间位置固定；
所述碳化硅半导体探测器(2)设置在所述含氢转换靶(1)的反冲质子出射方向，位置可调，与含氢转换靶(1)的距离为5cm～40cm；
所述碳化硅半导体探测器(2)与中子入射方向的夹角为30°～60°。
2.根据权利要求1所述的一种高分辨脉冲快中子通量及能谱测量装置，其特征在于：所述碳化硅半导体探测器(2)与含氢转换靶(1)的距离为10cm～20cm；所述碳化硅半导体探测器(2)与中子入射方向的夹角为35°～45°；
所述碳化硅半导体探测器(2)时间响应的上升时间小于3ns、响应半高宽小于30ns；
所述碳化硅半导体探测器(2)为PIN型厚灵敏区碳化硅半导体探测器，灵敏区厚度在30μm～200μm范围内可调。
3.根据权利要求2所述的一种高分辨脉冲快中子通量及能谱测量装置，其特征在于：所述碳化硅半导体探测器(2)的灵敏区面积为1cm2～8cm2，厚度为100μm～200μm，死层厚度小于100nm。
4.根据权利要求3所述的一种高分辨脉冲快中子通量及能谱测量装置，其特征在于：
所述含氢转换靶(1)的厚度可调节，厚度为30μm～900μm。
5.根据权利要求4所述的一种高分辨脉冲快中子通量及能谱测量装置，其特征在于：所述含氢转换靶(1)的厚度为30μm～500μm。
6.根据权利要求1-5任一所述的一种高分辨脉冲快中子通量及能谱测量装置，其特征在于：还包括第一准直器和第二准直器；
第一准直器设置在中子入射方向且位于含氢转换靶(1)前；
第二准直器设置在反冲质子的运动方向且位于碳化硅半导体探测器(2)前。
7.一种基于权利要求1-6任一所述的高分辨脉冲快中子通量及能谱测量装置的快中子通量测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，快中子进入真空舱(3)中，与含氢转换靶(1)中的氢原子核发生弹性碰撞形成反冲质子；
步骤二，反冲质子在真空舱(3)中飞行至碳化硅半导体探测器(2)处；
步骤三，反冲质子在碳化硅半导体探测器(2)中产生电信号Q；
步骤四，根据碳化硅半导体探测器(2)对质子的响应灵敏度S(Ep)，利用以下公式，得到质子数目J(EP)：
J(Ep)＝Q/S(Ep)
其中，S(Ep)为质子的响应灵敏度，即入射单个质子条件下，碳化硅半导体探测器(2)的输出电信号值，单位为C·cm2·p-1；
步骤五，利用以下公式，得到中子通量信息Ф(En)：
其中，σ(En)是含氢转换靶n-p散射截面；ω为碳化硅半导体探测器(2)表面接收反冲质子的立体角；n为含氢转换靶(1)单位面积的氢核数量。
8.根据权利要求7所述的快中子通量测量方法，其特征在于，通过调节碳化硅半导体探测器(2)与中子入射方向的夹角、碳化硅半导体探测器(2)与含氢转换靶(1)的距离、含氢转换靶(1)的厚度、碳化硅半导体探测器(2)的灵敏区厚度和灵敏区面积来调节测量灵敏度。
9.一种基于权利要求1-6任一所述的高分辨脉冲快中子通量及能谱测量装置的快中子能谱测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，发射源发射中子，进入真空舱(3)中并飞行至含氢转换靶(2)处，飞行距离记为l；
步骤二，中子与含氢转换靶(1)中的氢原子核发生弹性碰撞形成反冲质子；
步骤三，反冲质子在真空舱(3)中飞行至碳化硅半导体探测器(2)处；
步骤四，反冲质子在碳化硅半导体探测器(2)中产生电流信号，获得“电流-时间”波形I(t)；
步骤五，将步骤四获得的“电流-时间”波形I(t)，转换为“中子数目-时间”特征N(t)：
其中，S(En)为测量装置对中子的响应灵敏度，即单个中子在测量装置中可产生的电信号，单位为C·cm2·n-1；
步骤六，将以下公式代入“中子数目-时间”特征N(t)中，得到“中子数目-中子能量”特征N(En)，N(En)即为中子能谱：
其中，中子能量En的单位为eV，中子飞行距离l单位为cm，时间t单位为μs。
10.权利要求9所述的快中子能谱测量方法，其特征在于：通过调节碳化硅半导体探测器(2)与中子入射方向的夹角、碳化硅半导体探测器(2)与含氢转换靶(1)的距离、含氢转换靶(1)的厚度、碳化硅半导体探测器(2)的灵敏区厚度和灵敏区面积来调节测量灵敏度。
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