蘇春磊，歐陽(yáng)曉平，李 達(dá)，劉 洋，宋曉靚，余小任，歐陽(yáng)瀟

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

反應(yīng)堆實(shí)驗(yàn)孔道中強(qiáng)流中子、γ混合場(chǎng)的快中子注量率是反應(yīng)堆應(yīng)用的重要參數(shù)。目前該參數(shù)的測(cè)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(shí)時(shí)性和幾何尺寸方面存在不足。金屬箔活化法對(duì)γ射線不靈敏，但無(wú)法進(jìn)行中子注量率的實(shí)時(shí)測(cè)量。裂變電離室?guī)缀纬叽巛^大，會(huì)對(duì)輻射場(chǎng)產(chǎn)生較大擾動(dòng)，且后端電子學(xué)設(shè)備較復(fù)雜。半導(dǎo)體輻射探測(cè)器具有體積小、位置與能量分辨率高、時(shí)間響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。目前，大部分半導(dǎo)體輻射探測(cè)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(zhì)子法的電流型補(bǔ)償式半導(dǎo)體探測(cè)器多用于強(qiáng)流脈沖混合場(chǎng)快中子注量率測(cè)量[3-4]。近期，具有耐輻照性能強(qiáng)、噪聲低的半絕緣型寬禁帶半導(dǎo)體材料日趨成熟，使得基于反沖質(zhì)子法的電流型補(bǔ)償式半導(dǎo)體探測(cè)器測(cè)量穩(wěn)態(tài)中子、γ混合場(chǎng)快中子參數(shù)成為可能[5-7]。本文通過(guò)研究寬禁帶半導(dǎo)體探測(cè)器不同能量的中子、γ射線的響應(yīng)特性，設(shè)計(jì)對(duì)γ射線不靈敏的補(bǔ)償式探測(cè)結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)流混合場(chǎng)快中子注量率的實(shí)時(shí)測(cè)量。

1 補(bǔ)償式探測(cè)結(jié)構(gòu)原理及設(shè)計(jì)

圖1 兩種組合探測(cè)結(jié)構(gòu)

為測(cè)量強(qiáng)流穩(wěn)態(tài)混合場(chǎng)的快中子注量率，選用耐輻照性能強(qiáng)、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(bǔ)償式組合探測(cè)結(jié)構(gòu)。中子與各結(jié)構(gòu)中的兩個(gè)探測(cè)器因直接作用而沉積的能量相同，若使γ射線在兩個(gè)探測(cè)器內(nèi)沉積的能量相同，那么，兩個(gè)探測(cè)器電流信號(hào)的差即為反沖質(zhì)子的貢獻(xiàn)，進(jìn)而可推算混合場(chǎng)快中子注量率。為得到較合理的結(jié)構(gòu)，使用基于蒙特卡羅方法的Geant4、MCNP軟件模擬計(jì)算兩種結(jié)構(gòu)下，不同射線種類(lèi)及能量、轉(zhuǎn)換靶及平衡體厚度時(shí)兩個(gè)探測(cè)器的響應(yīng)特性，確定補(bǔ)償探測(cè)結(jié)構(gòu)與參數(shù)。

1.1 中子響應(yīng)特性模擬

基于反沖質(zhì)子法的補(bǔ)償探測(cè)結(jié)構(gòu)中，中子響應(yīng)特性隨聚乙烯轉(zhuǎn)換靶厚度的變化是需首要解決的問(wèn)題。為此，使用Geant4軟件基于圖1的串聯(lián)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，對(duì)不同厚度聚乙烯轉(zhuǎn)換靶的探測(cè)器中子響應(yīng)特性進(jìn)行模擬計(jì)算。不同能量的中子輻射條件下，兩個(gè)探測(cè)器中的能量沉積差與轉(zhuǎn)換靶厚度的關(guān)系如圖2所示。

圖2 不同能量入射中子在兩個(gè)探測(cè)器中的能量沉積差與轉(zhuǎn)換靶厚度的關(guān)系

圖2表明，入射中子能量低于500 keV時(shí)，產(chǎn)生的反沖質(zhì)子在探測(cè)器中的能量沉積非常低，對(duì)探測(cè)器電流信號(hào)的貢獻(xiàn)可忽略；對(duì)于能量為0.5～6 MeV的入射中子，隨著轉(zhuǎn)換靶厚度的增加，兩個(gè)探測(cè)器沉積能量差未發(fā)生明顯改變；對(duì)于能量高于6 MeV的入射中子，兩個(gè)探測(cè)器沉積能量差隨轉(zhuǎn)換靶厚度的增加而不斷增大，當(dāng)轉(zhuǎn)換靶厚度大于1 mm時(shí)，沉積能量差達(dá)穩(wěn)定。在反應(yīng)堆混合場(chǎng)應(yīng)用過(guò)程中，對(duì)熱中子、超熱中子進(jìn)行了過(guò)濾，高能中子的比例相對(duì)變高。因此，根據(jù)該理論模擬結(jié)果，將轉(zhuǎn)換靶的厚度設(shè)置為1 mm較合理。

隨后模擬轉(zhuǎn)換靶厚度為1 mm時(shí)，探測(cè)器1與轉(zhuǎn)換靶不同間隙的串聯(lián)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)以及并聯(lián)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)中，兩個(gè)探測(cè)器中沉積能量差隨入射中子能量變化，結(jié)果如圖3所示。圖3表明，串聯(lián)結(jié)構(gòu)中，探測(cè)器1對(duì)探測(cè)器2的屏蔽作用并未隨間隙的變化而變化，且探測(cè)器1產(chǎn)生的次級(jí)電子也未發(fā)生明顯變化，因此，兩個(gè)探測(cè)器沉積能量差幾乎不發(fā)生變化；由于探測(cè)器1對(duì)探測(cè)器2存在一定的屏蔽作用，并聯(lián)結(jié)構(gòu)中兩個(gè)探測(cè)器中沉積能量差較串聯(lián)結(jié)構(gòu)的高。因此，并聯(lián)結(jié)構(gòu)較串聯(lián)結(jié)構(gòu)具有更高的信噪比。

圖3 兩種組合探測(cè)結(jié)構(gòu)中中子的沉積能量差

1.2 γ射線響應(yīng)特性模擬

基于反沖質(zhì)子法的補(bǔ)償探測(cè)結(jié)構(gòu)中，還需采用合適的結(jié)構(gòu)及參數(shù)使兩個(gè)探測(cè)器的γ射線響應(yīng)特性一致。不同能量γ射線入射時(shí)，串聯(lián)結(jié)構(gòu)不同間隙及不帶有平衡體的并聯(lián)結(jié)構(gòu)條件下，兩個(gè)探測(cè)器的能量沉積模擬結(jié)果如圖4所示(轉(zhuǎn)換靶厚度為1 mm)。

圖4a、b、c表明，兩探測(cè)器間間隙分別為0、5及10 mm，當(dāng)入射光子能量低于0.1 MeV時(shí)，探測(cè)器1中的沉積能量大于探測(cè)器2中的沉積能量，且兩者并無(wú)線性關(guān)系。當(dāng)入射光子能量為0.1～0.6 MeV時(shí)，探測(cè)器2中的沉積能量與探測(cè)器1中的接近。當(dāng)入射光子能量大于0.6 MeV時(shí)，探測(cè)器2中的能量沉積大于探測(cè)器1中的能量沉積，且兩者無(wú)線性關(guān)系。圖4d表明，并聯(lián)結(jié)構(gòu)時(shí)，當(dāng)入射光子能量低于0.6 MeV時(shí)兩探測(cè)器中沉積能量相差較小。當(dāng)入射光子能量大于0.6 MeV時(shí)，探測(cè)器2中的能量沉積始終高于探測(cè)器1中的能量沉積。因此，γ射線響應(yīng)特性模擬結(jié)果表明，簡(jiǎn)單的串聯(lián)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)與并聯(lián)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)均無(wú)法使兩個(gè)探測(cè)器中的能量沉積相同，但在低能光子入射時(shí)，并聯(lián)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的兩探測(cè)器沉積差別較小。

a——間隙0 mm串聯(lián)結(jié)構(gòu)；b——間隙5 mm串聯(lián)結(jié)構(gòu)； c——間隙10 mm串聯(lián)結(jié)構(gòu)；d——并聯(lián)結(jié)構(gòu)

1.3 并聯(lián)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

并聯(lián)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)下兩個(gè)探測(cè)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(zhuǎn)換靶產(chǎn)生的次級(jí)電子進(jìn)入探測(cè)器2，使其沉積的能量大于探測(cè)器1中的能量沉積(圖4d)。為此，可為探測(cè)器1添加平衡體使兩個(gè)探測(cè)器具有相同的γ射線能量沉積，且不影響探測(cè)器的中子響應(yīng)特性。候選平衡體材料為石墨、聚四氟乙烯等對(duì)中子不靈敏材料。

當(dāng)探測(cè)器1選用0.5 mm厚的石墨或聚四氟乙烯平衡體時(shí)，不同能量入射光子在探測(cè)器中的能量沉積與帶有1 mm聚乙烯轉(zhuǎn)換靶的探測(cè)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(cè)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(cè)器中的能量沉積與探測(cè)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(cè)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(cè)器中的能量沉積與探測(cè)器2中的差別較大，其他能量光子入射時(shí)其差別小于±5%，表明石墨材料更合理。探測(cè)器1添加石墨平衡體后，由于石墨平衡體的平均原子序數(shù)較聚乙烯轉(zhuǎn)換靶的大，γ射線在相同厚度的石墨中產(chǎn)生較聚四氟乙烯平衡體更多的次級(jí)電子，使用1 mm厚的聚乙烯轉(zhuǎn)換靶和0.5 mm厚的石墨可使兩個(gè)探測(cè)器的γ射線響應(yīng)特性一致。同時(shí)，探測(cè)器1添加平衡體后，并聯(lián)組合探測(cè)器的中子響應(yīng)特性未發(fā)生變化。

優(yōu)化的組合結(jié)構(gòu)及參數(shù)即為：采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)，探測(cè)器2的聚乙烯轉(zhuǎn)換靶的厚度為1 mm，并為探測(cè)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(hào)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(cè)量

使用中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)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(jīng)歐姆接觸電極的鍍制、封裝、添加聚乙烯轉(zhuǎn)換靶及石墨平衡體等工序完成補(bǔ)償探測(cè)器的制作，并進(jìn)行快中子注量率測(cè)量。

2.1 探測(cè)器的平均響應(yīng)

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(chǎng)，根據(jù)現(xiàn)有該孔道混合場(chǎng)的中子能譜模擬結(jié)果，可給出探測(cè)器的平均靈敏度，隨后推算出混合場(chǎng)中中子的注量率。探測(cè)器的平均靈敏度計(jì)算過(guò)程如下：

(1)

其中：Daverage為探測(cè)器對(duì)歸一化能譜為φ(E)中子輻射場(chǎng)的平均能量沉積；f(E)為通過(guò)理論模擬得到的探測(cè)器對(duì)不同能量中子的響應(yīng)。最后得到的結(jié)果為4.57×10-3MeV，其物理意義為1#徑向孔道輻射場(chǎng)發(fā)射1個(gè)中子在該探測(cè)器中沉積的能量。

2.2 測(cè)量結(jié)果

在西安脈沖堆運(yùn)行功率為1 MW時(shí)，聚乙烯轉(zhuǎn)換靶產(chǎn)生的反沖質(zhì)子在探測(cè)器2中形成的有效電流信號(hào)Ieff=I1-I2=0.32 nA，其中，I1、I2分別為探測(cè)器1和探測(cè)器2的電流信號(hào)?；旌陷椛鋱?chǎng)的快中子注量率φ可用下式計(jì)算得出：

(2)

圖5 添加平衡體后探測(cè)器中的γ射線能量沉積

其中：Weh為GaN產(chǎn)生電子、空穴對(duì)所需的平均能量，為8.9 eV；S為探測(cè)器的面積，取0.5 cm2；η為探測(cè)器的電荷收集效率，通過(guò)60Co γ標(biāo)準(zhǔn)輻射場(chǎng)可得出該值為30%。最終測(cè)量結(jié)果得出，混合場(chǎng)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(cè)量結(jié)果符合較好。

3 小結(jié)

本文模擬計(jì)算并綜合分析了中子與γ射線的響應(yīng)特性，得出了較合理的補(bǔ)償探測(cè)結(jié)構(gòu)，可將γ射線的影響降低兩個(gè)量級(jí)，同時(shí)優(yōu)化了不同能量的中子靈敏度。同時(shí)，利用該探測(cè)裝置測(cè)量了西安脈沖堆1 MW條件下1#徑向孔道內(nèi)混合場(chǎng)的快中子注量率，取得了較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了該方法及結(jié)構(gòu)的合理性。利用該探測(cè)器組合可為西安脈沖堆及其他大型裝置的輻射場(chǎng)參數(shù)測(cè)量提供有力工具。

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