【摘 要】
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随着人类认知领域的不断拓展,宇宙空间逐渐成为国内外科学家们关注的重点,而空间粒子探测已经成为人类认识、研究和探索太空的基本方法和首要条件。因此,研究和发展空间粒子
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随着人类认知领域的不断拓展,宇宙空间逐渐成为国内外科学家们关注的重点,而空间粒子探测已经成为人类认识、研究和探索太空的基本方法和首要条件。因此,研究和发展空间粒子探测器已是势在必行。由于空间粒子探测器一般都工作在高温高压强辐射的极端环境下,而目前常用的气体、闪烁体以及传统半导体探测器只能在常温或低温条件下工作,因此迫切地需要开发一种能够在恶劣环境中工作的新型探测器。第三代宽带隙半导体材料SiC具有禁带宽度大、临界击穿电场高、位移能大、热导率高、饱和漂移速度高等优点,目前已经成为高温强辐照领域的研究热点。然而,SiC材料中存在的Z1/2缺陷极大地降低了载流子寿命,使得SiC探测器的使用寿命,探测效率,能量分辨率,灵敏度等受到严重影响。为了分析Z1/2缺陷对SiC探测器性能的影响,本文提出了一种计算中子脉冲高度谱的方案。论文采用特定的4H-SiC中子探测器结构,考察了计算方法的可行性以及计算了不同条件下的中子脉冲高度谱,并与实验测量结果进行了对比。主要内容包括以下两个部分:(1)使用4H-SiC肖特基二极管中子探测器对计算方法进行验证。根据本文提出的计算方法,计算了探测器对5.486 MeVα粒子的输出电压脉冲和0.026 eV热中子的能谱响应,并且与实验数据进行了对比,同时分析了不同条件下探测器对α粒子和3H粒子的输出电流脉冲响应特性。仿真结果与实验结果符合度很高,证实了本文采用的计算方法是可行的。此外,仿真表明,探测器的输出电流,电荷收集效率以及输出电压与施加的偏置电压、粒子的入射角度和能量有关。(2)使用4H-SiC PIN二极管中子探测器计算含有Z1/2缺陷的中子能谱响应。首先计算了不含Z1/2缺陷时不同寿命下的中子脉冲高度谱,发现当电子和空穴寿命分别为50 ns和20 ns时,计算的中子能谱与实验能谱有相似的形状。据此,提出了实验中的探测器在测量中子能谱响应之前少子寿命可能已经发生改变的观点;然后计算了不同Z1/2缺陷浓度下少子寿命为2μs时的中子脉冲高度谱,发现中子脉冲高度谱的峰主要是由3H粒子引起的,同时推测出实验中使用的4H-SiC PIN二极管中子探测器含有的Z1/2缺陷浓度在7×10139×1013 cm-3范围内。此外,当Z1/2缺陷浓度高达1×1015 cm-3时,探测器已经不能使用。模拟结果和实验结果存在一定的差距。综上,本课题提出的计算方法是可行的和适用的,Z1/2缺陷对SiC探测器的性能有很大的影响。本文的工作为计算α粒子、3H粒子、中子等辐射粒子的脉冲高度谱提供了一种新的方法和思路,对未来研制和设计新型SiC探测器具有一定的指导意义。
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