近日，核能安全所與南京大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院近代物理所、南華大學(xué)等單位合作，在半導(dǎo)體基輻射探測(cè)器研制方面取得系列新進(jìn)展，相關(guān)成果發(fā)表在IEEE Electron Device Letters和Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A期刊上。

輻射探測(cè)器是人類(lèi)認(rèn)識(shí)微觀世界的“眼睛”，可用于觀察和研究核輻射和微觀粒子，在基礎(chǔ)研究、核能開(kāi)發(fā)和核技術(shù)應(yīng)用等領(lǐng)域具有不可替代的作用。但目前廣泛應(yīng)用的探測(cè)器存在靈敏度低或環(huán)境適應(yīng)能力不足的問(wèn)題，不能滿(mǎn)足高溫、強(qiáng)輻照環(huán)境條件下的應(yīng)用需求，而采用基于寬禁帶和超寬禁帶材料的半導(dǎo)體基輻射探測(cè)器，具有耐高溫、抗輻照、易集成等諸多優(yōu)勢(shì)，是近年來(lái)先進(jìn)輻射探測(cè)技術(shù)研發(fā)的一個(gè)重要發(fā)展方向。核能安全所科研人員基于寬禁帶和超寬禁帶材料的半導(dǎo)體基輻射探測(cè)技術(shù)，針對(duì)現(xiàn)有探測(cè)器存在的問(wèn)題，優(yōu)化了探測(cè)器的設(shè)計(jì)、制備工藝和測(cè)試方案，大大提升了輻射探測(cè)器的性能指標(biāo)，取得系列研究成果。

科研人員制備了具有較低界面態(tài)密度和漏電流水平的大面積氧化鎳-氧化鎵(p-NiO/β-Ga2O3)器件，并耦合硼中子轉(zhuǎn)換材料，得到了接近1%的本征中子探測(cè)效率，完成了Ga2O3基輻射探測(cè)器用于熱中子探測(cè)的首次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，為極端惡劣環(huán)境條件下的中子探測(cè)技術(shù)發(fā)展進(jìn)行了有益探索。

圖-1 Ga2O3器件實(shí)物、光學(xué)顯微鏡照片及結(jié)構(gòu)示意圖

制備了具有超低摻雜濃度(<1×1014cm-3)和超厚外延層(80μm)結(jié)構(gòu)的碳化硅肖特基(4H-SiC SBD)型探測(cè)器系統(tǒng)，該探測(cè)系統(tǒng)具有良好的線(xiàn)性響應(yīng)，能量分辨率達(dá)到1%水平，可實(shí)現(xiàn)對(duì)12 MeV高能α粒子的完全能量沉積，并在80℃下長(zhǎng)時(shí)間(24天)穩(wěn)定工作，為極端條件下超重元素的準(zhǔn)確測(cè)量相關(guān)工作提供了有力的技術(shù)支持。

圖-2 4H-SiC SBD 器件的227Ac能譜(a)及線(xiàn)性響應(yīng)(b)

利用氧化氮(NO)退火工藝改善SiC/SiO2界面，提高了探測(cè)器性能，實(shí)現(xiàn)了較高的α粒子能量分辨水平(優(yōu)于5‰@5486 keV)。進(jìn)一步研發(fā)了基于硼中子轉(zhuǎn)換層的新型熱中子探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)了熱中子與硼核反應(yīng)兩個(gè)主要反應(yīng)通道的良好區(qū)分，完成了該新型探測(cè)器對(duì)中子探測(cè)的原理驗(yàn)證。

圖-3 NO退火工藝處理后4H-SiC探測(cè)器的239Pu-241Am源能譜

以上研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家重大科研儀器研制項(xiàng)目、安徽省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、先進(jìn)核能技術(shù)設(shè)計(jì)與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題基金等項(xiàng)目資助。

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