本发明专利技术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。本发明专利技术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。量。量。
【技术实现步骤摘要】
一种高分辨脉冲快中子通量、能谱的测量装置及测量方法
[0001]本专利技术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。
技术介绍
[0002]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。
[0003]快中子探测存在三个难题：
[0004]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。
[0005]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。
[0006]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。
[0007]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。
[0008]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。
[0009]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。
[0010]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。
技术实现思路
[0011]本专利技术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。
[0012]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0013]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
°
。
[0014]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；
[0015]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
°
；
[0016]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；
[0017]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。
[0018]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。
[0019]进一步地，所述含氢转换靶1的厚度可调节，厚度为30μm～900μm。
[0020]进一步地，所述含氢转换靶1的厚度为30μm～500μm。
[0021]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。
[0022]本专利技术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：
[0023]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；
[0024]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；
[0025]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；
[0026]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(E
p
)，利用以下公式，得到质子数目J(E
P
)：
[0027]J(E
p
)＝Q/S(E
p
)
[0028]其中，S(E
p
)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；
[0029]步骤五，利用以下公式，得到中子通量信息Ф(E
n
)：
[0030][0031]其中，σ(E
n
)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。
[0032]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。
[0033]本专利技术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：
[0034]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；
[0035]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；
[0036]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；
[0037]步骤四，反冲质子在碳化硅半导体探测器2中产生电流本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
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(E
p
)，利用以下公式，得到质子数目J(E
P
)：J(E
p
)＝Q/S(...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘林月，欧阳晓平，
申请(专利权)人：西北核技术研究所，
类型：发明
国别省市：
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