[发明专利]散裂中子源1MeV等效中子注量的测量方法

说明书

本发明属于辐射探测领域，涉及一种散裂中子源1MeV等效中子注量测量的方法。解决了现有散裂中子源中子束流无法直接提供1MeV等效中子注量且计算等效注量不确定度较大的技术问题，本发明采用的方法是利用双极型晶体管增益倒数和1MeV等效中子注量呈线性关系的特点，实现基于反应堆1MeV等效中子在横向结构晶体管上的损伤因子计算出散裂中子源1MeV等效中子注量，该方法在很宽的中子注量范围内可以保持较高的测量准确性。

技术领域

本发明属于辐射探测领域，涉及一种利用横向结构晶体管位移损伤效应进行散裂中子源1MeV等效中子注量测量的方法。

背景技术

散裂中子源、中子发生器等装置能够提供低通量中子辐射环境用于科学研究，其中散裂中子源是研究中子特性、探测物质微观结构和运动的大科学装置，散裂中子源利用高能轻带电粒子轰击重核，发生散裂反应而生成大量的快中子，这些中子再通过慢化剂和反射层后变成能量分布很宽的中子。散裂中子源不使用核燃料，清洁且易于控制；其中子束流纯净，伴生γ射线剂量极低。因此散裂中子源提供的中子辐射环境十分适用于中子探测器标定、中子单粒子效应研究、中子位移损伤效应研究以及其他领域的基础研究。

但是，散裂中子源和某些中子发生器装置提供的中子辐射环境参数多基于质子束流监测结果的换算，有可能忽略了质子束流打靶后中子束流在输运环节的损耗，并且给出的参数为中子数而非1MeV等效中子注量。通过中子数和理论中子谱换算为1MeV等效中子注量的过程中，又会引入由于理论计算能谱导致的不确定度。

发明内容

为了解决现有散裂中子源中子束流无法直接提供1MeV等效中子注量且计算等效注量不确定度较大的技术问题，本发明提供一种直接利用横向结构晶体管位移损伤效应进行散裂中子源1MeV等效中子注量测量的方法。

中子和半导体材料相互作用的主要机制是位移损伤效应。由于中子不带电，穿透能力极强，可以充分靠近被辐射材料晶格原子的原子核，与原子核发生弹性碰撞，晶格原子在碰撞中得到能量，从而离开它正常的点阵位置，成为晶格中的间隙原子，在它原来的位置留下一个空位，空位和间隙原子若仍处于它的弹性力场和库仑力场范围内，可产生复合。若超出这个力场，间隙原子就不会复原，引起原子位移。空位可与相邻原子相结合，亦可空位与空位相结合，空位也能移动到杂质附近，成空位杂质复合体，使杂质不参与导电，从而改变杂质浓度。单个原子的位移形成简单缺陷，称为弗兰克尔缺陷，如果入射中子的能量足够大，使位移的间隙原子获得足够的能量，这种间隙原子的碰撞可以使晶格内大量的原子产生位移，形成大量缺陷群。例如，入射中子能量为1MeV时，初始位移原子得到的平均能量为72.5keV，而一个硅原子的位移阈能仅为15eV。所以初始位移原子在其位移射程末端将引起相当多的晶格点阵原子离开它们的点阵位置，产生位移，形成缺陷群。这些位移损伤通过在带隙中产生具有一个或多个能级稳定的辐射缺陷，从而对电学性质产生重要影响。

中子辐照对双极型晶体管造成的位移损伤效应研究已经开展了数十年，从上世纪八十年代后期开始利用NIEL方法来评价晶体管电流增益的退化。该方法能够对电流增益进行量化表征，并且能够将不同能量中子的影响进行归一化。Messenger-Spratt方程描述了晶体管增益和辐照注量的关系：

Δ(1/β)＝(W²/2D_B)·K·φ

式中Δ(1/β)为初始电流增益倒数的变化；W为晶体管有效基区宽度；D_B为载流子扩散系数，受辐射损伤较小；K为中子位移损伤常数，与入射粒子能量和种类有关；φ为入射粒子的注量。上式表明位移损伤效应对双极器件造成的增益损伤与有效基区宽度有很大的关系。因此具备较大基区宽度的横向结构晶体管相比纵向结构和衬底结构晶体管对位移损伤效应更加敏感，在较低的中子注量下即可产生显著的退化，如图1所示。可见只要得到1MeV等效中子在某晶体管中造成的位移损伤因子，就可以将该晶体管作为探测器去测量其他环境下的1MeV等效中子注量。也就是说在相同晶体管增益损伤的情况下，对应的1MeV等效中子注量是相同的。