【摘 要】
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中子探测器常用于探测中子辐射,在航天、军事、核科学等强辐射领域具有广泛的应用前景。因此,研究中子探测器具有重大意义。目前,主要采用3He气体制备气体型中子探测器。由于3He气体的短缺,且气体探测器具有偏置电压高、气体电离能高、响应速度慢等众多缺点,各国都在寻找廉价、易于制备、探测效率高的中子探测器。第三代半导体材料hBN具有击穿电场强度大、禁带宽度大、抗辐照能力强等众多优点。以hBN为材料制备的中
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中子探测器常用于探测中子辐射,在航天、军事、核科学等强辐射领域具有广泛的应用前景。因此,研究中子探测器具有重大意义。目前,主要采用3He气体制备气体型中子探测器。由于3He气体的短缺,且气体探测器具有偏置电压高、气体电离能高、响应速度慢等众多缺点,各国都在寻找廉价、易于制备、探测效率高的中子探测器。第三代半导体材料hBN具有击穿电场强度大、禁带宽度大、抗辐照能力强等众多优点。以hBN为材料制备的中子探测器可以适应高温、高压、高辐照强度等恶劣的环境。hBN与传统的第三代半导体材料(Ga N、Si C、金刚石等)相比,无需添加转换层(具有同位素10B),具有较高的中子探测效率,所以hBN材料适合制备中子探测器。近年来,随着hBN外延材料生长技术以及器件制备工艺水平不断进步,为高性能的hBN中子探测器制备奠定了坚实的基础。本文基于优异性能的半导体材料—hBN,以“高能量分辨率、低噪声和高灵敏度”的性能要求为目标,设计了满足热中子探测的SBD型器件。主要研究内容具体如下:(1)通过SRIM软件分析热中子与hBN中的同位素10B发生核反应产生α粒子和7Li粒子在材料中的射程。根据中子探测器设计理论设计了满足热中子探测的SBD型中子探测器。使用Silvaco-TCAD软件仿真器件的I-V、C-V等电学特性曲线。通过改变外延层掺杂浓度及温度,研究了其对二极管的正向开启电压、理想因子n、反向漏电流等的影响。为了有效解决肖特基结处电场线集中效应以及器件漏电流的问题,在初始器件的基础上添加金属场板及钝化层。确定了金属场板长度为13μm、钝化层厚度为1.80μm时,可以使器件的漏电流达到最低。(2)通过Geant4软件分析热中子在hBN材料中的能量沉积情况。计算了天然hBN和10B富集(10B接近100%)hBN对热中子的平均吸收长度分别为248.13μm和58.63μm。制备的中子探测器对热中子的收集效率约为20%左右,当采用10B富集的hBN外延层时,可进一步提高对热中子的收集效率。研究了热中子与靶材发生非弹性碰撞(核反应)产生的α粒子和7Li粒子在靶材中造成的NIEL及热中子在靶材中NIEL深度分布等情况模拟。统计靶材不同位置处的PKA数目,发现随靶材厚度的增加产生的PKA数目减少,NIEL随热中子的入射深度增加而降低。
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