一种基于碳化硅探测器的中子束流监测系统的制作方法

1.本发明属于中子束流监测系统，具体涉及一种基于碳化硅探测器的中子束流监测系统。


背景技术：

2.d-d/d-t聚变反应中子发生器是一种中子产额高、中子能量单色性好的重要快中子源，被广泛应用于裂变核能利用、聚变核能利用等领域的基础核数据测量及相关应用研究。
3.d-d/d-t中子产额的准确监测是利用d-d/d-t中子发生器开展研究工作的重要保证。目前，有关d-d/d-t中子产额测量的方法较多，主要有反冲质子望远镜法、裂变电离室法、bf3正比计数管法和伴随粒子方法等，其中，伴随粒子方法是通过测量t(d,n)4he反应产生的伴随α粒子，或测量d(d,n)3he反应中的伴随质子给出中子产额，其特点是测量精度高且可实现绝对测量，因此，相较其他方法，应用更加广泛。
4.d(d,n)3he或t(d,n)4he反应过程会伴随许多中子和α粒子的辐射，对探测器造成辐射损伤，引起性能退化。过去，有研究人员在155
°
靶管中安装au-si面垒探测器。然而，由于硅探测器抗辐照性能不理想，且在1
×
10
12
cm-2
辐照注量下观察到硅探测器有明显的辐射损伤，在中子和带电粒子辐照下会出现能量分辨率降低、噪声增加、α粒子响应谱峰值位置偏移等问题，对获得可靠的束流监测数据十分不利。


技术实现要素：

5.本发明为解决目前采用伴随粒子方法测量d-d/d-t中子产额，d(d,n)3he或t(d,n)4he反应过程会伴随许多中子和α粒子的辐射，对探测器造成辐射损伤，引起性能退化，对获得可靠的束流监测数据十分不利的技术问题，提供一种基于碳化硅探测器的中子束流监测系统。
6.为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
7.一种基于碳化硅探测器的中子束流监测系统，其特殊之处在于，包括真空伴随靶管、碳化硅探测器和分析处理系统；
8.所述真空伴随靶管一端内部用于设置靶标，另一端外部套设有绝缘环，绝缘环的外侧设置有限束光阑；
9.所述碳化硅探测器与真空伴随靶管套设绝缘环的一端端面相对设置，碳化硅探测器与真空伴随靶管之间设有铝箔；
10.所述真空伴随靶管内沿其轴向设置有3-6个反散射光阑；
11.多个所述反散射光阑、限束光阑、铝箔和碳化硅探测器均与靶标同轴设置；
12.所述分析处理系统与碳化硅探测器相连，用于对进入碳化硅探测器的伴随粒子产生的信号进行分析处理，得到伴随α粒子数。
13.进一步地，各所述反散射光阑的直径沿中子束流运动方向依次减小。
14.进一步地，所述反散射光阑的数量为6个，沿中子束流运动方向各反散射光阑的直径比例为20-12：18-10：16-10：15-6：7-2：1。
15.进一步地，所述碳化硅探测器与靶标之间的距离大于限束光阑的直径。
16.进一步地，相邻所述反散射光阑之间的间距为400～600mm，且位于中子束流运动方向末端的反散射光阑距离真空伴随靶管设置有靶标一端内端面的距离为1200～1800mm。
17.进一步地，所述真空伴随靶管的长度为1200～2000mm；所述铝箔的厚度为0.8-2μm。
18.进一步地，所述碳化硅探测器为肖特基二极管式碳化硅探测器或p-i-n型碳化硅探测器。
19.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
20.1.本发明基于碳化硅探测器的中子束流监测系统，采用了碳化硅探测器，碳化硅探测器能够满足束流监测的需求，同时能获得丰富的细节信息。
21.2.本发明中的碳化硅探测器对α粒子的抗辐照性能比硅探测器要高2-3个数量级，对使用环境中子的抗辐照能力更好，会比现有au-si面垒探测器的寿命更长。
22.3.本发明中真空伴随靶管内设置的3-6个反散射光阑，沿中子束流运动方向直径逐渐减小，有利于减小散射α粒子对束流监测的影响。
23.4.本发明的监测系统，用于监测加速器装置稳态和脉冲快中子束流，尤其是对d(d,n)3he或t(d,n)4he核反应产生的平均能量为2.5mev或14mev的中子束流，由于d(d,n)3he和t(d,n)4he反应过程会伴随许多中子和α粒子的辐射，对探测器造成的辐射损伤尤其明显，采用本发明的监测系统，损伤极小，效果尤其明显。
附图说明
24.图1为本发明基于碳化硅探测器的中子束流监测系统实施例示意图；
25.图2为图1中真空伴随靶管的示意图；
26.图3为本发明基于碳化硅探测器的中子束流监测系统对t(d,n)4he核反应进行监测的结果示意图(采用碳化硅探测器典型伴随粒子法监测)；
27.图4为在本发明中采用au-si表面势垒探测器和碳化硅探测器的测量结果对比示意图。
28.其中：1-真空伴随靶管、2-碳化硅探测器、3-分析处理系统、301-前置放大器、302-主放大器、303-多道分析器、304-偏压电源、305-单道分析器、306-定标器、4-绝缘环、5-限束光阑、6-反散射光阑、7-铝箔、8-靶标。
具体实施方式
29.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
30.本发明提供了一种基于碳化硅探测器的中子束流监测系统，用于对经加速器将d粒子束打至靶标8的中子束流监测，且d粒子束与靶标8所在轴线的夹角为90
°
、135
°
或155
°
。
如图1和图2所示，以d粒子束与靶标8所在轴线的夹角θ为155
°
为例进行说明，包括真空伴随靶管1、碳化硅探测器2和分析处理系统3。其中，真空伴随靶管1一端内部设有靶标8，另一端外部套设有绝缘环4和限束光阑5，且限束光阑5相较绝缘环4更靠近真空伴随靶管1的端部，碳化硅探测器2与真空伴随靶管1套设绝缘环4的一端端面相对设置，碳化硅探测器2与真空伴随靶管1之间通过铝箔7间隔设置。真空伴随靶管1内沿其轴向设置有3个反散射光阑6，3个反散射光阑6的直径沿中子束流运动方向依次减小，3个反散射光阑6、限束光阑5、铝箔7和碳化硅探测器2均与靶标8同轴设置。
31.与碳化硅探测器2相连的分析处理系统3，包括前置放大器301、主放大器302、多道分析器303、偏压电源304、单道分析器305和定标器306，该分析处理系统的分析处理过程与现有监测系统的分析处理方法相同，用于对进入碳化硅探测器2的伴随粒子产生的信号进行分析处理，伴随粒子进入碳化硅探测器2产生信号，经过分析处理系统进行分析处理，得到伴随α粒子数。
32.在本发明的其他实施例中，若d粒子束与靶标8所在轴线的夹角为90
°
或135
°
时，也可直接采用本发明上述的监测系统，只是在参数设置上进行相应调整即可。
33.另外，真空伴随靶管1中的反散射光阑6一般可设置为3-6个，上述实施例设置为3个，只是一种优选方式，若将数量设置为6个，各反散射光阑6的直径沿中子束流运动方向也是依次减小，优选的直径比例为20-12：18-10：16-10：15-6：7-2：1。
34.另外，为了对本发明的监测系统进行优化设计，可将相邻反散射光阑6之间的间距设置为400～600mm，且位于中子束流运动方向末端的反散射光阑6距离真空伴随靶管1内端面的距离设置为1200～1800mm。真空伴随靶管1的长度设置为1200～2000mm，铝箔7的厚度设置为0.8-2μm。
35.碳化硅探测器2距靶标8的距离l与限束光阑5直径的取值都是中子产额的参数之一，需要满足r《《l，上述参数设置仅是d粒子束与靶标8所在轴线的夹角θ为155
°
时的一种优选方案。
36.本发明监测系统的工作原理为：
37.经加速器加速的d粒子束，轰击在t-ti的靶标8上，d与t反应产生14mev的中子和3.5mev的α(4he)粒子，其中中子与α粒子一一对应产生，出射时间相同，出射方向相反，所以，通过对伴随α粒子的监测就可以追踪出射中子。出射的α粒子依次经过真空伴随靶管1中的各反散射光阑6，由限束光阑5准直后到达碳化硅探测器2，为了减少散射d粒子对碳化硅探测器2的影响，在碳化硅探测器2前遮挡铝箔7。
38.本发明使用的碳化硅探测器2可以采用肖特基二极管式碳化硅探测器或p-i-n型碳化硅探测器，如下是肖特基二极管式碳化硅探测器和p-i-n型碳化硅探测器的具体制备方法。
39.肖特基二极管式碳化硅探测器的制备方法为：
40.(1)在n型碳化硅衬底上表面利用化学气相沉积法制备同质外延；
41.(2)清洗抛光n型碳化硅衬底下表面，将n型碳化硅衬底置于电子束蒸发平台上，使其下表面朝上，在n型碳化硅衬底下表面上制备出镍/金电极，并在900℃真空退火得到欧姆接触，利用电镀法对镍/金电极进行加厚处理；
42.(3)清洗抛光n型碳化硅衬底上表面上同质外延的表面，将其置于电子束蒸发平台
上，在同质外延表面制备镍电极，并使用掩模版获得预设的电极图形，在掩模版露出的接线盘处蒸发金层，并对金层进行加厚处理，得到芯片；
43.(4)使用掩模版保护芯片接线处，在镍电极上依次制作氧化硅和氮化硅介质层。
44.p-i-n型碳化硅探测器的制备方法为：
45.(1)在n型碳化硅衬底上表面利用化学气相沉积法制备同质外延；
46.(2)利用化学气相沉积法在n型碳化硅衬底上的同质外延上生长含铝的p层，其中，含铝的p层的铝掺杂浓度为2*10
19
cm-3
，p层厚度为0.3μm；
47.(3)清洗抛光n型碳化硅衬底下表面，将其置于电子束蒸发平台上，在n型碳化硅衬底下表面上制备出镍/金电极，900℃真空退火得到下表面上的欧姆接触，再利用电镀法对欧姆接触进行加厚处理；
48.(4)清洗抛光同质外延表面，在清洗抛光后的同质外延表面使用电子束蒸发平台制备50nm厚度的镍电极，并在900℃氩气中退火获得上表面上的欧姆接触，制作时可使用掩模版获得预设的电极图形，在接线盘处蒸发金层，并对金层进行加厚处理，得到芯片；
49.(5)使用掩模版保护芯片正面接盘处，在芯片正面依次制作氧化硅和氮化硅介质层。
50.本发明基于碳化硅探测器的中子束流监测系统可以应用在监测加速器装置稳态和脉冲快中子束流中，尤其是对脉冲快中子束流为d(d,n)3he或t(d,n)4he核反应产生的平均能量为2.5mev或14mev的中子束流，如图3所示是采用本发明监测系统对某一脉冲快中子束流为t(d,n)4he核反应的中子束流进行监测的结果，采用的是典型伴随粒子法。在250通道附近可以清楚地观察到4he粒子峰，可以用来推断中子产额，采用高斯函数对得到的峰进行拟合，通过半峰全宽(fwhm)除以峰质心计算得到碳化硅探测器的能量分辨率为8％，同时，在141通道附近的d(d,n)p产物的质子峰也被检测到，因为在使用一段时间后，氚靶的氘含量增加。图4是利用au-si表面势垒探测器和碳化硅探测器的测量结果对比，两者符合得很好，拟合结果的线性决定系数高达99％。经验证，碳化硅探测器2能够很好地满足测试精度要求，误差在1％以内。因此，本发明的监测系统，不仅能够满足测试精度要求，还能有效提高对α粒子的抗辐照性能，使用寿命更长。
51.以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。