脉冲辐射场中子探测器死时间效应研究

hpgeγ谱仪系统死时间校正方法的实验研究HPGe（HighPurityGermanium）γ谱仪系统是目前应用最广的核分析仪器之一，其精度和分辨率都非常高。

但是，由于其本身的物理特性和电子学处理等方面的限制，会产生一个死时间（或称为计数率饱和时间）的效应。

这种死时间效应会导致测量结果的偏差，因此需要通过合理的校正方法来消除这种影响。

正文：HPGeγ谱仪的死时间效应产生的原因可以归结为两个方面，即物理效应和电子学效应。

物理效应是指当一个探测器正在进行探测时，它不能同时响应两个或以上的入射γ射线，因为第一个γ射线的能量释放会产生电子对，而这些电子要一定时间才能重新组合为一个电子，然后才能继续响应下一个γ射线的能量释放。

这个时间间隔就是探测器的死时间。

电子学效应是指当探测器响应一个γ射线时，信号处理电路需要一定时间来处理并记录这个信号，而这个时间间隔也会被计入探测器的死时间中。

为了消除探测器死时间带来的影响，需要进行死时间校正。

常见的死时间校正方法有以下几种：1. 单道法单道法是一种简单的校正方法，其基本思想是通过在探测器上选择一个固定的门限，来消除死时间带来的影响。

当一个γ射线进入探测器后，探测器会记录下它的信号，然后在规定的时间段内（称为门宽）不再接受其他信号。

这样，就可以消除探测器死时间带来的影响。

但是单道法的精度比较低，只适用于低计数率的情况。

2. 双道法双道法是通过选择两个门限来消除死时间带来的影响，它的精度比单道法高，因为它可以考虑到信号的能量分布。

双道法的基本思想是，在探测器上选择两个不同的门限，然后对于一个γ射线，如果它的信号在这两个门限之间，就记录下来，否则就丢弃。

双道法可以消除一部分死时间带来的影响，但是对于高计数率的情况效果不理想。

3. 线性外推法线性外推法是一种更为精确的死时间校正方法，它可以通过对计数率的数据进行线性外推来消除死时间带来的影响。

线性外推法的基本思想是，通过测量样品的计数率，得到一个线性的关系式，然后利用这个关系式来进行外推。

新型亚纳秒有机闪烁纤维中子探测器丁楠;刘亚南;吴静;谢鸿志;陈亮【摘要】介绍了一种应用于脉冲中子时间谱测量的新型亚纳秒有机闪烁纤维中子探测器,叙述了这种中子灵敏型探测器的探测原理,详细阐述了探测器的结构设计及具体的制作工艺,并给出了达到的技术指标.同时报道了为制作探测器而研制的一种新型亚纳秒有机闪烁纤维,介绍了闪烁纤维的选材、制作及其时间响应特性.【期刊名称】《中国电子科学研究院学报》【年(卷),期】2014(009)001【总页数】5页(P93-96,100)【关键词】有机闪烁纤维阵列;中子灵敏度;时间响应;中子探测器【作者】丁楠;刘亚南;吴静;谢鸿志;陈亮【作者单位】中国电子科技集团公司第八研究所,合肥230000;中国电子科技集团公司第八研究所,合肥230000;中国电子科技集团公司第八研究所,合肥230000;西北核技术研究所,西安710024;西北核技术研究所,西安710024【正文语种】中文【中图分类】TL8120 引言脉冲中子辐射场是由脉冲中子、γ射线及电磁脉冲等组成的混合辐射场，具有强度大、动态范围宽、时间快等特点。

脉冲中子时间谱测量除要求探测器满足脉冲探测的基本要求外还需要解决以下几个突出难点：空间距离限制、γ射线干扰、散射本底等。

闪烁型探测器是辐射探测领域较为常见的一类探测器，工作在电流模式，可实现灵敏度调节，比较适合脉冲辐射场探测。

但是普通的闪烁型探测器不适合脉冲中子测量，因为其对γ射线的响应灵敏度强于对中子的响应灵敏度。

闪烁薄膜和有机闪烁纤维阵列中子探测器是用于脉冲中子测量的闪烁型探测器，它们优化了结构设计使探测器具有抑制γ射线干扰的能力，但其光电转换装置需要安置在闪烁体附近收集闪烁体发光，为了降低散射中子和γ射线对光电转换器的干扰，要对光电转换器进行严格的准直和屏蔽，受空间距离的限制使准直和屏蔽难以达到要求，故此类探测器也难以满足中子时间谱测量的要求。

因此，研制具有强抗电磁干扰能力、高n/γ灵敏度比值、低屏蔽要求、快时间响应的中子探测器是实现脉冲中子时间谱测量的重要内容。

CSNS辐射场分析及中子剂量探测技术研究的开题报告一、研究背景中国散裂中子源（China Spallation Neutron Source，简称CSNS）是我国重大科技基础设施之一，它是一台公认的千万亿级中子源，是世界上少数几个中子源之一。

CSNS的建设和运行对于我国的材料科学、新能源、生命科学和环境科学等领域的研究具有重要意义。

但是，CSNS的运行会产生高能中子辐射，对周围人员和设备会产生一定的辐射风险。

因此，对于CSNS辐射场的分析和中子剂量探测技术的研究具有重要的现实意义。

二、研究目的与意义本研究旨在对CSNS辐射场进行全面的分析，建立辐射场模型，并通过中子剂量探测技术进行实时动态监测，以提高辐射防护的水平和科学性。

研究意义在于：1.为CSNS辐射安全提供科学依据，为辐射防护提供技术支撑。

2.探究中子剂量探测技术的适用性和可靠性，为其在其他相关领域的应用提供参考。

三、研究内容和方法本研究主要包括以下内容：1.建立CSNS辐射场模型。

首先，通过文献综述和实地勘察获得辐射源的参数数据。

然后，采用Monte Carlo方法建立辐射场模型，分析其能量分布、空间分布和时间分布等特征。

2.设计中子剂量探测系统。

结合CSNS辐射场的特点，设计中子剂量探测系统，并进行实验验证。

3.进行数据收集和处理。

利用所设计的中子剂量探测系统收集辐射场的数据，并进行处理和分析。

此外，还将通过对比不同探测方法和不同探测器的数据结果，对中子剂量探测技术的适用性和可靠性进行评估。

4.撰写论文。

总结研究成果，撰写开题报告和论文。

本研究主要采用理论分析和实验研究相结合的方法，通过对CSNS辐射场的建模和中子剂量探测系统的实验验证，对辐射场进行深入分析，为辐射防护提供科学依据和技术支撑。

四、研究进度计划本研究总时限为两年，具体进度计划如下：第一年：1. 完成文献综述和实地勘察，获取辐射源的参数数据，建立CSNS辐射场模型。

2. 设计中子剂量探测系统。

第43卷㊀第6期2023年㊀11月㊀辐㊀射㊀防㊀护Radiation㊀ProtectionVol.43㊀No.6㊀㊀Nov.2023㊃辐射防护监测㊃脉冲X 射线参考辐射场设计与研究高㊀飞,张昕宇,丁雨阳,刘蕴韬,王菲菲,陈义珍,刘佳瑞,倪㊀宁,王子琳,王子业,赵㊀旭(中国原子能科学研究院,计量与校准技术重点实验室,中核核工业计量与测试技术重点实验室,北京102413)㊀摘㊀要:脉冲辐射在新型探测器研制㊁工业探伤㊁X 射线诊断㊁核事故应急和科研等领域中已经得到了广泛应用,其辐射剂量(率)测试难度极大㊂为解决主动式辐射剂量仪的脉冲响应测试技术难题,基于多种X 射线机建立了脉冲X 射线参考辐射场,结合次级标准电离室及脉冲时间测量系统开展了脉冲辐射剂量(率)定值㊂实验结果表明,所建立的脉冲X 射线参考辐射场的脉冲宽度在25ns ~10s 之间可调,瞬时剂量率范围为:5mSv /h ~6.7ˑ105Sv /h ,可广泛开展主动式辐射剂量仪的脉冲响应特性研究,对于解决脉冲辐射剂量监测仪器的校准难题具有重要意义㊂关键词:脉冲X 射线;电离室;主动式辐射剂量仪;响应中图分类号:TL72文献标识码:A㊀㊀收稿日期:2022-12-19基金项目:国家质量基础设施体系专项(2022YFF0607303)㊂作者简介:高飞(1983 ),男,2005年7月毕业于辽宁大学物理学专业,2008年7月毕业于中国原子能科学研究院粒子物理与原子核物理专业,获硕士学位,2013年7月毕业于中国原子能科学研究院辐射防护及环境保护专业,获博士学位,研究员㊂E -mail:83jerry@㊀㊀脉冲X 射线具有持续时间短,瞬时剂量率高等特点,其辐射剂量测量难度极大㊂以ns 级的辐射脉冲为例,其单次脉冲剂量往往会达到1μSv 以上,瞬时剂量率可达105Sv /h 以上㊂对于像G -M 计数器㊁半导体探测器等均存在测量堆积和探测死时间问题[1-3],难以达到如此高的剂量率响应,即仪表存在过响应问题,这必然影响监测结果的准确性[4];主动式电子剂量计存在测量时间周期,为了降低剂量计能耗,两次测量周期间隔可达几秒,如果脉冲辐射发生在仪表测量周期间隔时间内,很可能发生漏记事件从而极大地影响测量结果的准确性,造成测量结果严重偏低;人员误闯辐射场事故对于主动式个人剂量计来讲也是一次大剂量的脉冲事件㊂此外,核临界事故也是典型的脉冲辐射,核临界事故指的是含易裂变材料的系统由于某种意外原因引起的非预计的临界或超临界事件㊂以某典型的核临界事故为例,总共发生约1019次裂变,在最初的0.5s 内发生了约1018次裂变,接连在数小时内,每间隔约10min 产生一个裂变脉冲,每次裂变持续时间不超过0.5s㊂因此,核临界事故产生的中子及X㊁γ射线属典型的脉冲辐射㊂为了解决主动式辐射剂量仪的脉冲响应测试技术难题,有必要建立脉冲X 射线参考辐射场以解决主动式电子剂量计的校准难题㊂国际电工委员会IEC 60846-1:2009[2]中指出主动式辐射剂量仪的响应时间不应大于10s,因此本文对持续时间小于10s 的电离辐射归为脉冲辐射㊂对涉及医学诊断㊁材料测试㊁射线探伤和科学研究等领域中的脉冲X 射线进行分类,列于表1㊂本文对基于γ放射源㊁稳态X 光机和脉冲X 光机建立脉冲参考辐射场的可行性进行探讨,根据实际需要基于多种X 射线机研究建立脉冲X 射线参考辐射场,并对脉冲宽度㊁脉冲剂量和瞬时剂量率等辐射特性进行研究㊂1㊀基于γ放射源的脉冲辐射场㊀㊀根据国际标准化组织ISO 4037-1[5]相关标准要求,在计量标准实验室内需要采用多枚不同活度的同位素放射源(60Co 和137Cs)和X 光机以建立多种参考辐射用于仪表校准㊂137Cs 同60Co 相比,γ射线能量更低,便于屏蔽,因此国际上通常基于137Cs 放射源研究建立脉冲辐射场㊂基于137Cs㊃655㊃高㊀飞等:脉冲X 射线参考辐射场设计与研究㊀㊀㊀㊀㊀㊀表1㊀典型脉冲辐射参数Tab.1㊀Typical parameters of pulsed radiation放射源建立脉冲辐射场通常有两种技术方案,即 稳态源法 和 动态源法 ,技术路线如图1和图2所示㊂图1㊀ 稳态源法 产生脉冲γ辐射场Fig.1㊀Generation of pulsed gamma radiation fieldby steady state source method图2㊀ 动态源法 产生脉冲γ辐射场Fig.2㊀Generation of pulsed gamma radiationfield by dynamic source method如图1所示,基于 稳态源 和 动态快门 的方式产生脉冲γ射线, 稳态源 产生的γ射线经准直光阑准直后形成连续均匀的γ射线辐射场,经 动态快门切割后形成脉冲γ射线辐射场㊂ 动态快门 通常采用轮盘设计,如图3所示㊂要获得快脉冲,需要采用轴承及高速驱动技术对快门进行支撑和旋转㊂假设轮盘半径为15cm,切割光阑孔径为3cm,以转速为60r /s 为例,由此产生的脉冲γ辐射场的脉冲宽度约为0.5ms,脉冲频率为60Hz㊂以目前工艺水平,最高转速可达6000r /s 以上,由此产生的脉冲γ辐射场的脉冲宽度可达5μs㊂此外,相同转速条件下通过调整切割光阑孔径也可调节脉冲宽度,如图4所示,调节轮盘转速可以调节脉冲频率㊂图3㊀轮盘式动态快门Fig.3㊀Wheel type dynamic shutter图4㊀宽光阑轮盘式动态快门Fig.4㊀Wheel type dynamic shutter with wide collimator如图2所示,基于 动态源 和 稳态准直光阑 的方式同样可以产生脉冲γ射线㊂通常将137Cs 同位素放射源置于轮盘上,通过旋转轮盘的方式实现γ射线的脉冲输出㊂通过调节转速可以获得不同的脉冲频率㊂还可以将137Cs 同位素放射源置于屏蔽管道中,利用高压气体推动同位素放射源在屏蔽管道中快速移动以实现γ射线的脉㊃755㊃㊀辐射防护第43卷㊀第6期冲输出,原理如图5所示㊂图5㊀气动脉冲γ辐射场Fig.5㊀Pneumatic pulsed gamma radiation field本文列举了几种基于γ辐射源的脉冲γ射线参考辐射场的产生方法,由于γ射线能量高,不便于屏蔽,机械设计难度大,旋转动态快门对轴承强度和同轴度要求较高,不便于加工且后续维护成本高,因此拟基于X 光机建立脉冲X 射线辐射场,用于开展脉冲辐射剂量仪中低能量范围内的脉冲响应特性研究㊂2㊀脉冲X 射线辐射场的建立2.1㊀基于稳态X 光机的脉冲辐射场㊀㊀稳态X 光机的管电压调节范围为10~225kV,管电流调节范围为0~15mA,最大功率2.25kW,双焦点尺寸分别为0.4mm 和1.0mm㊂X 光管置于屏蔽箱中,X 光管焦点置于准直光阑轴线上,通过脉冲快门实现稳态X 射线的脉冲化输出,如图6所示㊂图6㊀基于稳态X 光机的脉冲X 射线辐射场Fig.6㊀Pulsed X-ray radiation field based onsteady state X-ray machine本文使用脉冲快门实现稳态X 射线的脉冲化输出,脉冲快门由高速气缸㊁滑轨㊁气缸支架和钨合金快门等部分组成,如图7所示㊂快门速度约为1m /s,可实现脉冲宽度为15ms 的单脉冲X射图7㊀脉冲快门组成图Fig.7㊀Composition diagram of pulse shutter线输出,距离参考点0.5~3m 处,辐射场直径7~70cm㊂参考国际标准ISO 4037-1[5]的要求建立窄谱系列脉冲式X 射线参考辐射(N 系列),参考国际标准IEC 61267 2005[6]的要求建立医用诊断系列脉冲式X 射线参考辐射(RQR 系列),脉冲X 射线辐射质的平均能量参数列于表2和表3㊂表2㊀脉冲X 射线参考辐射场中N 系列辐射质的基本参数Tab.2㊀Pulsed radiation parameters of N series表3㊀脉冲X 射线参考辐射场中RQR 辐射质的基本参数Tab.3㊀Pulsed radiation parameters of RQR2.2㊀基于脉冲X 光机的脉冲辐射场㊀㊀放射诊断X 光机是能够产生毫秒级脉冲X 射线的典型设备,具有功率高㊁脉冲宽度可调等优点,因此本文基于放射诊断用X 光机建立毫秒级脉冲X 射线参考辐射场㊂脉冲X 射线照射装置主要包括:诊断X 射线机(包括:高压发生器㊁旋转阳极X 射线管㊁阳极靶材和Be 窗等)㊁附加过滤㊁定㊃855㊃高㊀飞等:脉冲X射线参考辐射场设计与研究㊀位装置㊁准直器㊁垫板㊁实验平台㊁屏蔽室㊁监视和监测系统以及控制软件等,如图8所示㊂结合MCNP程序对脉冲X射线参考辐射场进行建模[7-13],计算模型主要包括:阳极靶材㊁准直光阑㊁附加过滤㊁垫板和实验台等,模拟计算了空气比释动能-剂量当量转换因子[14]㊂脉冲X光机的高压发生器由加拿大生产,该产品采用 电子杠杆 技术精确控制脉冲时间T pulse,脉冲电压信号无机械惯性延时,控制灵敏,脉冲上升和下降时间分别为0.6ms和1.2ms,输出的脉冲波形满足实验要求㊂旋转阳极X射线管由美国生产,该射线管的靶材料为钨-铼合金㊂脉冲X射线系统的主要技术指标:管电压范围:40~150kV,1kV连续可调;管电流调节范围:1~800mA;脉冲持续时间T pulse: 1ms~10s㊂基于脉冲X光机并参考IEC61267[7]和ISO4037-1[5]标准建立了RQR5㊁RQR10㊁N60㊁N80和N150等辐射质[14-15]㊂如图8所示,脉冲X射线经Be窗㊁准直光阑㊁附加过滤准直器和定位装置后垂直向下照射㊂实验平台尺寸为30cmˑ30cm,位于脉冲X射线参考辐射的轴线上,可在导轨上进行x㊁y㊁z三维移动与定位,定位精度1mm㊂垫板位于脉冲X射线参考辐射的最底端,由5mm厚的铝材料制成,能够有效降低地面的散射辐射㊂2.3㊀基于便携式X光机的脉冲辐射场㊀㊀纳秒级脉冲X射线主要用于加速器辐照应用㊁辐射加工㊁放射治疗㊁瞬态成像和等离子体研究等领域,应用广泛㊂本文基于美国Golden公司生产的XRS-3便携式脉冲X射线发生器产生纳秒级脉冲X射线参考辐射场,如图9所示㊂其中便携式脉冲X射线发生器的管电压为270kV,脉冲宽度为25ns,频率为15Hz㊂附加0.5mmAl过滤以降低低能X射线,距离便携式脉冲X射线发生器焦点15cm处设置有监督电离室(德国PTW 公司生产,型号为TW34014)和钨合金准直光阑,张角为15ʎ㊂3㊀脉冲X射线次级标准电离室㊀㊀脉冲X射线次级标准电离室由自研的SSPR 型平板电离室[16]和德国PTW公司生产的34035型平板电离室组成,量值均溯源至德国联邦物理技术研究院(以下简称德国PTB)㊂图8㊀基于脉冲X光机的参考辐射示意图Fig.8㊀Schematic diagram of referenceradiation 图9㊀纳秒级脉冲X射线辐射场示意图Fig.9㊀Schematic diagram of nanosecondpulsed X-ray radiation field SSPR型脉冲X射线平板电离室用于确定毫秒级脉冲X射线的单脉冲剂量D pulse[16],电离室结构如图10所示㊂SSPR型脉冲X射线次级标准电离室在连续稳态X㊁γ射线参考辐射场完成辐射剂量学性能测试后[16],在德国PTB脉冲X射线参考辐射场中进㊃955㊃㊀辐射防护第43卷㊀第6期图10㊀平板型空腔电离室结构示意图Fig.10㊀Structure diagram of plate cavity ionization chamber行校准㊂德国PTB 同德国西门子公司共同研建脉冲X 射线发生系统,该系统采用 栅控 的方式提供脉冲辐射,上升时间和下降时间可以缩短至50μs㊂脉冲X 射线管置于屏蔽箱中,沿着射束方向分别设计有快门㊁附加过滤㊁准直器㊁监督电离室和背散射屏蔽器等,结构如图11所示[17]㊂图11㊀德国PTB 脉冲X 射线照射装置结构图Fig.11㊀Pulsed X-ray facility in PTB在对脉冲X 射线平板电离室进行校准时,分别使用了德国PTB 建立的RQR 系列和N 系列脉冲X 射线参考辐射场,曝光时间分别为:1ms㊁10ms㊁100ms 和500ms,次级标准电离室到X 光机焦点的距离为70~200cm,如图12所示㊂校准过程中自研的脉冲X 射线平板电离室置于参考位置处,配合使用PTW 公司生产的UNIDOS webline 剂量计,置于辐射剂量档(又称:累积档),开启脉冲X 光机,并根据式(1)确定脉冲X 射线次级标准电离室的校准因子,具体结果列于表4㊂图12㊀平板电离室脉冲X 射线校准实验Fig.12㊀Pulsed X ray calibration ofplate ionization chamberN SSPR =K pulseM SSPR(1)式中,K pulse 为脉冲X 射线参考辐射场中参考点处的单脉冲约定真值,μGy;M SSPR 为脉冲X 射线次级标准电离室的指示值,μGy;N SSPR 为脉冲X 射线次级标准电离室的校准因子,无量纲㊂SSPR 型脉冲X 射线次级标准电离室经校准后可用于毫秒级脉冲X 射线辐射场的剂量定值工作㊂此外,将德国PTW 公司生产的34035型平板电离室在德国PTB 建立的纳秒级脉冲X 射线辐射场中进行了校准,其纳秒级脉冲X 射线辐射场能量不可调,且管电流不可调,校准用脉冲X 光机管电压为220kV,管电流为0.25mA,脉冲宽度为25ns,单脉冲剂量为5.72μSv㊂校准后的34035型平板电离室可用于本项目建立的纳秒级脉冲X 射线参考辐射场的剂量测量,该电离室校准因子为0.99㊂㊃065㊃高㊀飞等:脉冲X 射线参考辐射场设计与研究㊀表4㊀脉冲X 射线次级标准电离室校准结果4㊀脉冲宽度测量系统脉冲时间测量系统由闪烁体探测元件㊁光收集器㊁光电转换器件(Si -PIN 光电二极管)㊁前放㊁示波器和直流电源等几部分组成㊂闪烁体探头受到脉冲X 射线照射时产生荧光,荧光通过光收集器传送到光电转换器件(Si -PIN 光电二极管)产生电信号,经电子学系统显示脉冲X 射线持续时间㊂脉冲宽度测量系统是通过将脉冲辐射转化为脉冲电信号,测量电信号波形宽度得出脉冲辐射的持续时间㊂根据时间测量的一般要求,测试系统响应需比待测脉冲信号快3倍以上㊂本工作采用CsI(Tl)晶体作为获取毫秒级脉冲X 射线时间的探测器,使用日本Hamamatsu 公司的S3590-19型Si -PIN 光电二极管作为CsI 晶体输出的光电转换器㊂该型号硅光二极管的光谱响应范围为340~1100nm,适用于CsI 晶体,其光灵敏度约为0.58A /W,暗电流最大值约为10nA,截止频率为40MHz,经测试,该系统可用于毫秒级脉冲宽度测量,如图13所示㊂5㊀脉冲辐射场特性研究5.1㊀脉冲时间测量㊀㊀脉冲时间测量系统会在示波器上显示脉冲X 射线输出波形,脉冲时间由式(2)得出:t pulse =t a -t b(2)式中,t pulse 为脉冲时间;t a 为脉冲起始时间;t b 为脉冲结束时间㊂根据示波器显示的脉冲输出波形确图13㊀脉冲时间测量系统Fig.13㊀Pulsed time measurement system定脉冲时间㊂脉冲X 射线时间宽度t pulse 如图14~18所示㊂5.2㊀参考值定值㊀㊀利用SSPR 型脉冲X 射线平板电离室对基于稳态X 光机和诊断X 光机的脉冲X 射线参考辐射场剂量进行测量,脉冲次级标准电离室采用相应辐射质下校准因子,测量单位为空气比释动能,可通过乘以相应的转换系数得到周围剂量当量和个人剂量当量[15-17],测量位置到X 光机焦点的距离为1m㊂利用德国PTW 公司生产的34035型平板电离室对便携式脉冲X 射线发生器产生的脉冲X 射线进行测量,测量单位为个人剂量当量,测量位置到便携式脉冲X 射线发生器焦点的距离为1m㊂脉冲X 射线参考辐射场部分辐射质的单脉冲剂量和瞬时剂量率列于表5㊂㊃165㊃㊀辐射防护第43卷㊀第6期图14㊀基于稳态X 光机的脉冲X 射线辐射宽度(平台区+上升沿+下降沿)Fig.14㊀Pulse X-ray radiation width based on steady state X-ray machine (platform area +rising edge +falling edge)图15㊀基于诊断X 光机的脉冲X 射线宽度(脉冲宽度:5ms )Fig.15㊀Pulse X-ray width measurement based ondiagnostic X-ray machine (5ms)图16㊀基于诊断X 光机的脉冲X 射线宽度(脉冲宽度:10ms )Fig.16㊀Pulse X-ray width measurement based ondiagnostic X-ray machine (10ms )㊀㊀如表5所示,本文所建立的脉冲X 射线参考辐射场可用于开展各类辐射防护仪器及个人剂量计的脉冲辐射响应特性研究,并可为核临界事故γ辐射报警仪提供测试条件㊂6㊀脉冲响应测试利用已经建立的脉冲X射线参考辐射场对四图17㊀基于诊断X 光机的脉冲X 射线宽度(脉冲宽度:50ms )Fig.17㊀Pulse X-ray width measurement based ondiagnostic X-ray machine (50ms)图18㊀基于诊断X 光机的脉冲X 射线宽度(脉冲宽度:100ms )Fig.18㊀Pulse X-ray width measurement based ondiagnostic X-ray machine (100ms )款主动式辐射剂量仪进行测试,探测器置于脉冲X 射线参考辐射场的轴线上,焦点到探测器参考点的距离为1m,其中个人剂量计配备体模㊂调节脉冲X 光机管电压和管电流,曝光时间分别为10ms(单脉冲曝光)和25ns(99次脉冲曝光)㊂根据式(3)计算主动式探测器的响应:㊃265㊃高㊀飞等:脉冲X 射线参考辐射场设计与研究㊀表5㊀脉冲X 射线参考辐射场剂量测量结果R Pulse =MD Pulse(3)式中,R pulse 为主动式探测器的脉冲响应;M 为主动式探测器的读数;Dpulse 为脉冲X 射线辐射场中参考点处的约定真值,该值由研制的SSPR 型次级标准电离室测量给出,参考值列于表5㊂四款主动式探测器中的A 型和B 型为个人剂量计,测量物理量为H P (10),测量过程中放置ISO 体模,C 型和D 型为便携式辐射剂量仪,测量物理量为H ∗(10),在自由空气中进行测试,四款主动式探测器的脉冲响应结果如表6和表7所示㊂其中表6采用基于诊断X 光机的脉冲X 射线辐射场进行照射,脉冲宽度T pulse =10ms,瞬时剂量率H ㊃pulse =461mSv /h,脉冲剂量约定真值为1.280μSv㊂表7采用的参考辐射由99次连续脉冲组成,T pulse =25ns,瞬时剂量率H ㊃pulse =6.676ˑ105Sv /h,脉冲频率f pulse =15Hz,脉冲剂量约定真值为458.964μSv㊂表6㊀几种仪表在单次脉冲辐射场中剂量响应情况Tab.6㊀Dose response of several instruments in single pulsed radiation field表7㊀几种仪表在连续脉冲辐射场中剂量响应情况Tab.7㊀Dose response of several instruments in continuous pulsed radiation field㊀㊀如表6所示,在脉冲宽度T pulse =10ms,脉冲瞬时剂量率H ㊃pulse =461mSv /h 的单脉冲辐照下,只有两款电子式个人剂量计有响应,分别为78.1%和114%,两款主动式周围剂量当量仪读数都为本底,且未显示报警㊂如表7所示,在脉冲宽度T pulse =25ns,脉冲瞬时剂量率H ㊃pulse =6.676ˑ105Sv /h 的99次连续脉冲辐照下,只有一款电子式个人剂量仪有0.49%的响应,其余三款主动式剂量计均无响应㊂7㊀结论㊀㊀本文探讨了基于γ放射源建立脉冲γ射线参考辐射场的可行性,并基于稳态X 光机㊁诊断X 光㊃365㊃㊀辐射防护第43卷㊀第6期机和便携式X射线发生器建立了脉冲X射线参考辐射场㊂基于脉冲X射线次级标准电离室和脉冲时间测量系统完成了脉冲X射线参考辐射场辐射剂量特性研究㊂基于稳态X光机的脉冲X射线参考辐射场脉冲宽度为15ms,基于脉冲X光机的脉冲X射线参考辐射场脉冲宽度为1ms~10s,基于便携式脉冲X射线发生器的脉冲X射线参考辐射场脉冲宽度为25ns,瞬时剂量率范围为:5mSv/h~ 6.7ˑ105Sv/h,可用于开展各类辐射防护仪器及个人剂量计的脉冲辐射响应特性研究,并可为核临界事故γ辐射报警仪提供测试条件㊂基于所建立的脉冲X射线辐射场针对四款主动式辐射剂量计进行测试,测试结果显示主动式辐射剂量计在脉冲辐射场中响应不足,存在读数偏低的现象,不适用于短脉冲㊁高剂量率辐射场的剂量测量,在人员误闯事故及核事故情况下,易发生漏记事件,危害人员安全㊂为了确保放射性工作人员的安全,后续将开展更多种类探测器的脉冲响应特性研究㊂参考文献:[1]㊀International Electrotechnical Commission.Radiation protection instrumentation-Installed dose rate meters,warningassemblies and monitors for X and gamma radiation of energy between50keV and7MeV:IEC60532 2010[S].Geneva: IEC Publication Office,2010.[2]㊀International Electrotechnical Commission.Radiation protection instrumentation Ambient and/or directional doseequivalent(rate)meters and/or monitors for beta,X and gamma radiation Part1:portable workplace and environmental meters and monitors:IEC60846-1 2009[S].Geneva:IEC Publication Office,2009.[3]㊀Yaron Danon,Bryndol Sones,Robert Block.Dead time and pileup in pulsed parametric X-ray spectroscopy[J].NuclearInstruments and Methods in Physics Research A,2004,524:287-294.[4]㊀Peter Ambrosi,Markus Borowski,Michael Iwatschenko.Considerations concerning the use of counting active personaldosemeters in pulsed fields of ionizing radiation[J].Radiation Protection Dosimetry,2010,139(4):483-493. [5]㊀International Organization for Standardization.X and gamma reference radiations for calibrating dosemeters and dose ratemeters and for determining their response as a function of photon energy Part1:radiation characteristics and production method:ISO4037-1 2019[S].Geneva:ISO Publication Office,2019.[6]㊀International Electrotechnical Commission.Medical diagnostic X-ray equipment Radiation conditions for use in thedetermination of characteristics:IEC61267 2005[S].Geneva:IEC Publication Office,2005.[7]㊀徐阳,高飞,肖雪夫,等.过滤X射线参考辐射场特性的蒙特卡罗模拟研究及实验验证[J].原子能科学技术,2017,51(9):1691-1697.XU Yang,GAO Fei,XIAO Xuefu,et al.Study on characteristic of filtered X ray reference radiation field with Monte Carlo method and experimental verification[J].Atomic Energy Science and Technology,2017,51(9):1691-1697. 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However,pulsed radiation has been widely used in the fields of new detector development,industrial flaw detection,X-ray diagnosis,nuclear accident emergency and scientific research.Pulsed radiation dose(rate) measurement is very difficult.In order to solve the technical problem of pulse response test of active radiation dosimeter,the generation principle of pulsed X-ray and gamma ray radiation field is discussed,and the reference radiation field of pulsed X-ray is established based on a variety of X-ray bined with the secondary standard ionization chamber and pulse time measurement system,the research of pulsed radiation dose(rate)measurement technology is carried out.The experimental results show that the pulse width of the established pulsed X-ray reference radiation field can be adjusted between25ns to10s,and the instantaneous dose rate range is5mSv/h to6.7ˑ105Sv/h,which can be widely used to study the pulsed X-ray response characteristics of active radiation dosimeter.This work can be widely used to study the pulse response characteristics of active radiation dosimeter,which is of great significance to solve the calibration problem of pulsed radiation dose monitoring instrument.Key words:pulsed X ray;ionization chamber;active radiation dosimeters;response㊃565㊃。

Detectors for pulsed neutron and gamma-ray
measurement
作者： 欧阳晓平
作者机构： 西北核技术研究所,西安710024
出版物刊名： 中国工程科学
页码： 44-53页
主题词： 中子 伽马混合场 脉冲辐射探测 探测系统 设计原理 性能参数
摘要：探测系统是获取辐射场特征信息的核心器件，是实施脉冲辐射探测的关键和技术基础，其性能直接决定测试数据的质量和测试方法的选择。

对影响脉冲辐射探测的性能指标进行系统描述、表征是探测系统设计、研制、实际应用和综合性能评价的基础。

用于复杂能谱脉冲中子、伽马混合辐射场时间谱、强度谱测量的探测系统，主要性能包括探测灵敏度、时间响应、能量响应、线性电流和中子、伽马分辨能力等指标参数，这些参数的获得与实现，需要根据中子、伽马射线与物质相互作用的基本原理，构建相应的探测结构和技术原理。

在设计上，综合权衡能量收集和电荷收集方式选择、几何效率完备和高信噪比结合、信号响应和直照响应分离、探测效率与时间特性兼顾、综合性能与使用可靠性一致等设计原则，综合应用这些原则构成了探测系统设计方法。

CdTe核辐射探测器及其脉冲信号处理方法的开题报告题目：CdTe核辐射探测器及其脉冲信号处理方法的研究一、研究背景和意义核辐射探测器是核物理和辐射防护领域不可缺少的仪器之一，由于其具有良好的时间响应、能量分辨率高等优点，因此被广泛应用于核物理、辐射防护、医学图像、材料分析等领域。

CdTe材料是一种具有优异光电特性的半导体材料，具有较高的原子序数和密度，因而具有较高的光电转换效率和能量分辨率。

CdTe材料制成的核辐射探测器被广泛应用于核物理、医疗诊断等领域。

脉冲信号处理是核辐射探测器研究的重要组成部分，它包括信号放大、滤波、能量刻度等环节。

对探测器信号进行正确的处理与分析，对于提高探测器的性能具有十分重要的意义。

因此，本研究选取CdTe核辐射探测器及其脉冲信号处理方法作为研究对象，旨在提高核辐射探测器的性能，推动其在核物理、辐射防护、医学图像等领域的应用。

二、研究内容和方案1. CdTe核辐射探测器制备与测试利用物理气相沉积方法在CdTe基板上生长CdTe探测器，通过光电测试和特性测试，评估探测器的光电特性。

2. 脉冲信号处理方法研究基于CdTe探测器的性能特点，在信号处理过程中进行信号放大、滤波、能量刻度等处理，针对质量信号拟合、峰面积测量等问题进行优化。

3. CdTe核辐射探测器性能测试使用标准辐射源对探测器进行性能测试，并对获得的数据进行分析和处理，评估CdTe核辐射探测器的性能。

三、研究意义本研究将为CdTe核辐射探测器的制备和信号处理方法提供方法学和理论基础，推动核辐射探测器的性能提升，增强其在核物理、辐射防护、医学图像等领域的应用，为促进核物理技术和辐射防护技术的发展做出贡献。

四、研究进度安排1. 第一年：完成CdTe核辐射探测器的生长、制备和测试，进行探测器信号放大、滤波、能量刻度等处理方法的研究。

2. 第二年：完成CdTe核辐射探测器性能测试和数据处理，对研究结果进行分析和总结，撰写论文。

脉冲星的计时观测及其在引力波探测、检验广义相对论、研究中子星物理等方面的应用摘要脉冲星，作为宇宙中高速旋转的中子星，其辐射出的无线电波信号具有极高的稳定性。

通过对脉冲星信号到达时间的精确测量，我们可以进行脉冲星计时观测，从而获得对宇宙环境、引力场以及中子星本身的宝贵信息。

本文将对脉冲星计时观测方法及其在引力波探测、检验广义相对论、研究中子星物理等方面的应用进行详细阐述。

关键词: 脉冲星，计时观测，引力波，广义相对论，中子星物理1. 脉冲星简介脉冲星是快速旋转的中子星，其自转轴与磁轴不重合，因此会发出周期性的无线电脉冲信号。

脉冲星的发现是20世纪60年代天文学领域最重大的发现之一，它为研究中子星物理、宇宙学以及引力理论提供了前所未有的机会。

1.1 脉冲星的形成脉冲星是质量大于太阳质量8倍的大质量恒星在超新星爆发后坍缩形成的。

坍缩过程中，恒星的核心被压缩成半径只有大约10公里、密度极高的中子星。

由于角动量守恒，中子星的自转速度会变得非常快，同时也会产生强烈的磁场。

1.2 脉冲星的性质脉冲星具有以下几个重要特征：*快速自转:脉冲星的自转周期一般在毫秒到秒之间，自转速度非常快。

*强磁场:脉冲星的磁场强度非常高，通常达到10^8到10^15高斯，甚至比地球磁场强数十亿倍。

*无线电辐射:脉冲星会发出周期性的无线电波脉冲信号，其脉冲周期非常稳定，可以精确地测量。

*高密度:脉冲星的密度极高，相当于将太阳压缩到一个城市大小。

2. 脉冲星计时观测脉冲星计时观测是指利用地面或空间望远镜接收脉冲星发出的无线电波信号，并对脉冲到达时间的微小变化进行精确测量。

这种测量方法可以获得以下信息：*脉冲星的自转周期及其变化:由于脉冲星的自转速度会随着时间的推移而发生微小的变化，通过测量脉冲到达时间的变化，我们可以得到脉冲星自转周期的变化规律，从而推断脉冲星的年龄和演化阶段。

*脉冲星的位置:通过测量脉冲到达时间在地球不同位置的差异，我们可以利用三角测量方法确定脉冲星在宇宙中的精确位置。

脉冲中子辐照下三极管电流时间响应曲线的试验研究白小燕,刘 岩,王桂珍,齐 超,金晓明,李瑞宾,王晨辉,李俊霖(强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室,西安710024;西北核技术研究所,西安710024)摘 要:利用西安脉冲反应堆(X A P R )的脉冲中子进行辐照,在固定发射极电流下,测量了9种类型三极管的电流时间响应曲线㊂理论分析认为,可将基极电流的时间响应分为3个阶段:第1阶段基极电流随时间增大而减小,该过程主要受光电流的影响;第2阶段基极电流随时间增大而快速增大,该过程主要受位移损伤缺陷累积作用的影响;第3阶段基极电流随时间增大而减小并趋于稳定,该过程主要受位移损伤缺陷短期退火的影响㊂基于测量的集电极电流和基极电流,计算了三极管的放大倍数及短期退火曲线㊂结果表明,9种类型三极管辐照前后放大倍数的变化率之比大于2,但短期退火曲线差别较小,最大退火因子为1.2~1.3,远小于快堆上得到的短期退火因子2~5㊂分析认为,该结果是因为加电辐照和X A P R 脉宽较长造成的,高载流子密度和长脉宽下,脉冲中子辐照期间缺陷的产生与演化同步发生,导致有效的缺陷数量减少,短期退火因子变小㊂同时,研究发现,短期退火曲线呈指数衰减,这与缺陷演化的一级动力学过程相符㊂关键词:脉冲中子;三极管;电流时间响应;短期退火中图分类号:T L 929;O 212文献标志码:A D O I :10.12061/j.i s s n .20956223.2020.040601C u r r e n t -T i m e R e s p o n s e C h a r a c t e r i s t i c s o f B i po l a r T r a n s i s t o r s I r r a d i a t e d b y Pu l s e d N e u t r o n B A I X i a o -ya n L I U Y a n WA N G G u i -z h e n Q I C h a o J I N X i a o -m i n gL I R u i -b i n WA N G C h e n -h u i L I J u n -l i n S t a t e K e y L a b o r a t o r y of I n t e n s e P u l s e d R a d i a t i o n S i m u l a t i o n a n d E f f e c t X i a n 710024 C h i n a 收稿日期:20200809;修回日期:20200909基金项目:强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室基金资助项目(S K L I P R 1804)作者简介:白小燕(1982- ),女,湖北襄阳人,助理研究员,博士,主要从事半导体辐射效应研究㊂E -m a i l :b a i x i a o ya n @n i n t .a c .c n N o r t h w e s t I n s t i t u t e o f N u c l e a r T e c h n o l o g yX i a n 710024 C h i n a A b s t r a c t T h e c u r r e n t -t i m e c h a r a c t e r i s t i c s o f n i n e t y p e s o f b i po l a r t r a n s i s t o r s w i t h c o n s t a n t e m i t t e r c u r r e n t i r r a d i a t e d b y pu l s e d n e u t r o n o n X i a n p u l s e d r e a c t o r X A P R h a v e b e e n i n v e s t i g a t e d A c c o r d i n g t o t h e t h e o r e t i c a l a n a l y s i s o f e x pe r i m e n t a l r e s u l t s t h e c h a r a c t e r i s t i c s of b a s e c u r r e n t o v e r t i m e i n b i po l a r t r a n s i s t o r c a n b e d i v i d e d i n t o t h r e e p h a s e s f i r s t t h e b a s e c u r r e n t d e c r e a s e s w i t h t i m e t h i s p h a s e i s d o m i n a t e d b y th e p h o t o -c u r r e n t s e c o n d t h e b a s e c u r r e n t i n c r e a s e s r a p i d l y w i t h t i m e t h i s p h a s e i s d o m i n a t e d b y t h e a c c u m u l a t i o n o f d i s p l a c e m e n t d e f e c t s t h i r d t h e b a s e c u r r e n t d e c r e a s e s w i t h t i m e a n d s t a b i l i z e s t h i s p h a s e i s d o m i n a t e d1-106040第11卷第4期2020年12月现代应用物理MO D E R N A P P L I E D P H Y S I C SV o l .11,N o .4D e c .2020b y t h e s h o r t-t e r m a n n e a l i n g e f f ec t o fd i s p l a ce m e n t d ef e c t s T h eg a i n a n d sh o r t-t e r m a n n e a li n g f a c t o r s o f t r a n s i s t o r s a r e c a l c u l a t e d b a s e d o n t h e b a s e a n d c o l l e c t o r c u r r e n t s t h e r e s u l t s h o w s t h a t t h e c h a n g e s o f g a i n i n n i n e t y p e s o f b i p o l a r t r a n s i s t o r s b e f o r e a n d a f t e r t h e i r r a d i a t i o n a r e w i t h i n t w o f o l d s b u t t h e c h a n g e o f s h o r t-t e r m a n n e a l i n g f a c t o r i s s m a l l e r t h e m a x i m u m a n n e a l i n g f a c t o r i s i n t h e r a n g e o f1213w h i c h i s f a r s m a l l e r t h a n t h e f a c t o r o f25 o b s e r v e d i n r a p i d a n n e a l i n g T h e n u m e r i c a l s i m u l a t i o n s h o w s t h a t t h i s r e s u l t i s c a u s e d b y t h e b i a s e d i r r a d i a t i o n a n d b i g g e r p u l s e w i d t h o n X A P R W i t h t h e h i g h e r c a r r i e r d e n s i t y a n d t h e l o n g e r p u l s e w i d t h t h e g e n e r a t i o n a n d a n n i h i l a t i o n o f d e f e c t s o c c u r r e d s i m u l t a n e o u s l y a n d c o n s e q u e n t l y t h e n u m b e r o f e f f e c t i v e d e f e c t s d e c r e a s e d a n d s h o r t-t e r m a n n e a l i n g f a c t o r b e c a m e s m a l l e r F u r t h e r m o r e i t i s f o u n d t h a t t h e a n n e a l i n g f a c t o r e x h i b i t s a n e x p o n e n t i a l d e c r e a s e v i a t i m e w h i c h i s c o n s i s t e n t w i t h t h e f i r s t-o r d e r k i n e t i c p r o c e s s i n d e f e c t e v o l u t i o nK e y w o r d s p u l s e d n e u t r o n b i p o l a r t r a n s i s t o r c u r r e n t-t i m e c h a r a c t e r i s t i c s s h o r t-t e r m a n n e a l i n g1964年,S a n d e r在S a n d i a脉冲反应堆(S a n d i a p u l s e d r e a c t o r,S P R)上首次观察到三极管的短期退火现象[1]㊂短期退火是指辐照刚结束时器件受到的位移损伤最为严重,之后器件经历快速恢复阶段,在几百秒的时间内器件性能趋于稳定㊂短期退火之后的损伤称为永久损伤㊂短期退火因子是指瞬态损伤与永久损伤之比㊂S a n d e r在不同晶体管中观察到辐照后1m s的短期退火因子约为2㊂短期退火效应表明,采用稳态中子辐照代替脉冲中子辐照很有可能高估器件的抗辐射性能,因此,开展脉冲中子辐照下器件参数响应研究十分必要㊂试验研究表明,短期退火过程主要受温度和少子注入水平的影响㊂低温下的退火较高温下更慢,这说明短期退火是一个热激发的过程[23]㊂对太阳能电池的详细研究表明,电子密度的增加可显著加速硅材料内的短期退火过程[34]㊂H a r r i t y等通过设计的实验,在极低注入水平下的太阳能电池中观察到短期退火因子高达50[5]㊂此外,国外还开展了电源芯片㊁逻辑电路及I2L电路等较为复杂电路的短期退火现象研究[67]㊂近十几年来,美国在脉冲中子短期退火方面的研究重点已逐渐转向数值模拟和重离子等效中子2个方向,先后开发出流体模拟[810]㊁粒子模拟[11]和电路模拟[1213]等多种方法,并建立了微观缺陷与器件宏观电参数之间的联系㊂分析认为,可将后期的位移损伤因子㊁深能级瞬态谱(D L T S)及早期的退火因子相结合,作为重离子和中子在硅双极晶体管位移损伤响应中可否等效的度量标准[14]㊂与美国相比,我国利用脉冲中子研究晶体管辐照效应起步较晚,研究内容也较少㊂蒋英杰㊁贾温海等利用快中子反应堆(C F B R-Ⅱ)研究了5种国产晶体管和2种美国产三极管在加电和未加电状态下的短期退火现象[1516]㊂结果表明,退火因子随时间的变化趋势与国外的实验结果基本一致,但退火因子的数值比美国的小,退火因子的下降趋势更加缓慢㊂2015年,鲁艺等在C F B R-Ⅱ上开展了国产三极管3D K9D的瞬时中子辐射损伤研究[17],给出了三极管放大倍数的时间响应曲线㊂结果表明,放大倍数在辐照早期有增大的现象,并对认为这是电离损伤和位移损伤共同作用的结果㊂刘书焕等利用西安脉冲反应堆(X A P R)研究了异质结双极晶体管的脉冲中子效应[18],研究中采用的测试三极管放大倍数的方法与鲁艺等的研究方法一致[17],均为扫描基极电压法,这是A S T M标准E1855[19]中推荐的比较适用于稳态中子辐照下三极管放大倍数测量的方法㊂利用该方法时,为保证晶体管稳定工作,一个扫描周期为m s量级,且一个扫描周期只能获得一个放大倍数㊂脉冲工况下,X A P R的脉宽约为10m s, C F B R-Ⅱ的脉宽约为200μs,因此,当扫描基极电压法用于脉冲工况下三极管放大倍数的测量时,得到的是非连续的响应曲线,这很可能会在数据采集时遗漏重要试验信息㊂本文根据A S T M标准F980M中给出的适用于脉冲中子辐照下三极管参数测量的原理框图搭建测试电路[20],在固定发射极电流的条件下测量三极管电流对脉冲中子的响应,获得了X A P R脉冲工况下9种类型三极管的电参数响应完整曲线,对曲线的变化趋势进行了理论分析,根据电流响应曲线计算了短期退火因子,并与国内外的相关试验结果进行了对比与分析㊂2-106040白小燕等:脉冲中子辐照下三极管电流时间响应曲线的试验研究第4期1测试电路A S T M标准F980M[20]推荐采用大电阻或电流源的方法实现发射极电流的基本恒定,因此,早期研究脉冲中子辐照下晶体管短期退火的文献中大都采用大电阻方法[1516]㊂然而,该方法只能保证发射极电流在一定的放大倍数范围内基本保持不变㊂本文采用在晶体管发射极端串联恒流二极管的方法实现发射极电流恒定㊂图1为晶体管电流测试电路原理图㊂恒流二极管D1的型号为E301,标称恒定电流为0.3m A㊂与晶体管3个端口串联的3个电阻分别为R E=R C=200Ω,R B=10kΩ㊂采用数据采集卡差分测量3个电阻两端的电压㊂差分测量可以降低共模信号,提高信噪比,降低电流测量下限㊂数据采集卡由N I公司生产,型号为U S B6356,单通道最大采样率为1M B㊃s-1,可同时采集8路幅值小于10V的模拟电压信号㊂触发信号由金刚石探测器提供,采集时长设置为200m s㊂为保持晶体管工作在放大状态且满足数据采集卡的使用范围,对N P N型晶体管,取V C C=+10V,V E E=-10V;对P N P型晶体管,取V C C=-10V,V E E=+10V㊂在实验室中对测量电路进行测试,结果表明,发射极电流基本保持恒定,实测发射极电流为0.25m A,该值与电流表测量结果之间的相对偏差小于1%㊂图1晶体管电流测试电路原理图F i g.1S c h e m a t i c o f t h e c u r r e n t t e s tc i r c u i t o f b i p o l a r t r a n s i s t o r2试验器件实验中采用的晶体管可分为分立晶体管和集成电路中的晶体管2大类,分立晶体管主要从商业渠道购买,有具体的型号,而集成电路中的晶体管委托模拟集成电路国家实验室设计生产,没有型号,采用编号进行区分㊂每种类型晶体管的数量均为2只㊂试验器件参数如表1所列㊂表1试验器件参数T a b.1M a i n p a r a m e t e r s o f b i p o l a r t r a n s i s t o r s s t u d i e d i n t h i s w o r kT y p e S t r u c t u r e P a r a m e t e r M a n u f a c t u r e3D G130D3C G130D V e r t i c a l N P N B a s e w i d t h:2.12.7μmB a s e w i d t h:3.03.5μmS h i j i a z h u a n g T i a n l i n S h i w uN o.2E l e c t r i c P o w e r C o.,L T D2N2222A V e r t i c a l N P N S T M i c r o e l e c t r o n i c s N1N3 N5V e r t i c a l N P NB a s e w i d t h:11μmE m i t t e r a r e a:250μmˑ20μmB a s e w i d t h:11μmE m i t t e r a r e a:40μmˑ20μmB a s e w i d t h:5μmE m i t t e r a r e a:50μmˑ50μmS t a t e K e y L a b o r a t o r y o fA n a l o g I n t e g r a t e d C i r c u i t sP1 P3L a t e r a l P N PB a s e w i d t h:12μmE m i t t e r a r e a:140μmˑ26μmB a s e w i d t h:12μmE m i t t e r a r e a:35μmˑ24μmS P1S u b s t r a t e P N P B a s e w i d t h:11μmE m i t t e r a r e a:66μmˑ28μm3-106040第11卷现代应用物理3X A P R辐射场及其参数X A P R是一座以铀氢锆为燃料的水池式脉冲堆,可以脉冲运行,也可以稳态运行㊂发射脉冲时,利用高压气体冲击气缸活塞,带动脉冲控制棒冲出堆芯,可以瞬间引入大量反应性,使反应堆达到瞬发超临界,功率迅速升高,温度也随之迅速升高㊂由于铀氢锆燃料元件具有较大的温度负反馈效应,堆内反应性又下降至次临界,功率随之迅速下降,形成脉冲㊂瞬发反应性的大小对脉冲参数有决定性影响㊂脉冲峰功率与瞬发反应性的平方成正比,脉冲释放的能量㊁燃料温升㊁脉冲宽度的倒数均与引入的瞬发反应性成正比[21]㊂X A P R的瞬发反应性可在760~ 2660p c m之间调整,最大脉冲功率可达4200MW㊂X A P R直接产生的中子包含大量热中子,对样品活化比较严重㊂为减少热中子的比例,同时提高n/γ比,X A P R运行方制作了不同材料的屏蔽盒㊂辐照过程中将样品放置在屏蔽盒内㊂本文试验在3#屏蔽盒内进行,n/γ比为7.7ˑ1011c m-2㊃G y(S i)-1㊂图2为反应堆运行方提供的瞬发反应性为2280p c m时的脉冲中子时间波形,其脉冲有效宽度约为13.6m s㊂利用活化箔伴随测量辐照过程中器件接受的中子注量,结果表明,当引入瞬发反应性为2280p c m时,样品接受的1M e V等效中子注量(E nȡ0.01M e V)约为1.5ˑ1013c m-2㊂不同发次脉冲的脉宽和中子注量的重复性均较好㊂根据图2估算,峰值中子注量率可达1.1ˑ1015c m-2㊃s-1㊂假设中子和伴随γ的时间谱完全一致,根据n/γ比可推算伴随γ的总吸收剂量约为19G y(S i),γ吸收剂量率峰值约为1.4ˑ103G y(S i)㊃s-1㊂图2X A P R瞬发反应性为2280p c m时的脉冲中子时间波形F i g.2T i m e d e p e n d e n c e o f X A P R i nr e a c t i v i t y i n s e r t i o n o f2280p c m 4试验结果及分析4.1晶体管电流响应曲线利用图1测试电路首次在X A P R上测得晶体管3个端口的电流时间响应曲线,如图3所示㊂(a)E m i t t e r c u r r e n t(b)B a s e c u r r e n t(c)C o l l e c t o r c u r r e n t图3脉冲中子辐照下3D K130D的电流时间响应曲线F i g.3C u r r e n t-t i m e c h a r a c t e r i s t i c s o f3D K130Di r r a d i a t e d b y p u l s e d n e u t r o n由图3(a)可见,辐照过程中晶体管的发射极电流基本保持恒定,满足设计要求㊂由图3(b)可见,基极电流随时间的变化经历2个拐点,基极电流早期先减小后增大,在经历急速增大后又开始减小,最后趋于稳定㊂集电极电流与基极电流之和等于发射极电流,因此,集电极电流的变化趋势与基极电流相反㊂在其他种类的晶体管(包括P N P管)中也可以观察到同样的现象,只是基极电流极小值的幅度及其出现时刻有所不同㊂4-106040白小燕等:脉冲中子辐照下三极管电流时间响应曲线的试验研究第4期下面分析出现基极电流极小值的原因㊂根据目前对晶体管辐照效应的认识,脉冲反应堆辐照下,晶体管主要受中子位移损伤㊁电离总剂量和瞬时电离辐射3种效应的共同作用,前2种效应均导致基极电流增大㊂本文实验中晶体管的B E 结正偏,B C 结反偏,因此,主要分析B C 结的光电流㊂B C 结的光电流与原有基极电流的方向相反,会导致基极电流减小㊂本文实验中固定发射极电流,因此,不存在二次光电流㊂结合在西北核技术研究所钴源上开展的电离总剂量效应实验结果,分析认为,与位移损伤相比,X A P R 在晶体管上产生的电离总剂量损伤可以忽略,因此,本文分析中主要考虑中子位移损伤和瞬时电离辐射2种效应㊂根据图2的脉冲中子时间波形,假设在达到峰值前,脉冲辐射场中的中子注量率㊁伴随γ和中子的电离能损共同产生的瞬时吸收剂量率均随时间线性增加,即Φ㊃n =αt , t ɤt 0D ㊃=βt , t ɤt 0(1)其中,t 为时间;t 0为中子注量率或瞬时吸收剂量率的峰值时刻;Φ㊃n 为中子注量率,c m-2㊃s -1;D ㊃为瞬时吸收剂量率,G y (S i )㊃s -1;α,β均为大于0的常数,与反应堆的运行功率及屏蔽装置相关㊂根据M S 方程可推知,中子位移损伤引起的基极电流增加量与中子注量之间呈线性关系[22],故假设ΔI B ,n =k Φn =12k αt 2, t ɤt 0(2)其中,ΔI B ,n 为中子位移损伤带来的基极电流增加量;k 为单位中子注量对应的基极电流增加量㊂W i r t h 等给出了P N 结光电流的快响应成分与器件参数和瞬时吸收剂量率之间的依赖关系[23],即I p =qA b G D ㊃(3)其中,q 为电子电荷;A 代表P N 结的横截面积;b 为空间电荷区宽度;G 为单位瞬时吸收剂量率在单位体积中产生的电子空穴对数目㊂B C 结产生的光电流与原有基极电流方向相反,根据式(3),假设ΔI B ,γ=-p D ㊃=-p βt , t <t 0(4)其中,ΔI B ,γ为基极收集到的光电流;p 为单位瞬时吸收剂量率所产生的电流增加量,p =qA b G ㊂将式(2)和式(4)相加,得到总基极电流为ΔI B =ΔI B ,n +ΔI B ,γ=12k αt 2-p βt , t <t 0(5) 由式(5)可知,如果t m i n =p k ㊃βαɤt 0,则在中子注量率峰值时刻之前,ΔI B 随时间增加先减小后增大,存在极小值,即ΔI B ,m i n =-12㊃p 2k ㊃β2α㊂如果t m i n >t 0,则当t ɤt 0时,基极电流一直减小;当t >t 0时,光电流的影响开始变小,而位移损伤的作用持续增大,因此,基极电流开始增大,极小值出现在t 0时刻㊂综上可见,脉冲辐照的早期阶段,晶体管基极电流随时间增加呈现先减小后增大的变化趋势,主要是光电流和位移损伤累积相互竞争的结果㊂α,β均为描述脉冲辐射场的量,如果不考虑中子产生的电离,α/β与反应堆的n /γ比相对应;k 反映晶体管对位移损伤的响应;p 反映晶体管对瞬时吸收剂量率的响应;t 0与脉冲中子的时间波形相关㊂ΔI B 出现极值的时刻及极值大小与α,β,k ,p 紧密相关㊂在X A P R 上,3D G 130D 的稳态辐照试验结果表明,k =3ˑ10-19A ㊃c m 2㊂设P N 结的横截面积为10-3c m 2,空间电荷区的宽度为3μm ,硅材料的G =4.3ˑ1015G y (S i )-1㊃c m -3,则p =2ˑ10-10C ㊃G y(S i )-1㊂经估算可得,ΔI B 出现最小值的时刻t m i n 约为10-3s,该时刻在中子注量率出现峰值之前,与图3的实验结果相符㊂同理,可以分析稳态辐照下晶体管基极电流随时间的变化规律㊂假定反应堆功率水平和辐照位置确定,则稳态辐射场中的中子注量率和瞬时吸收剂量率均为常数,即Φ㊃n =cD ㊃=f(6)则晶体管基极电流的变化量ΔI B 可表示为ΔI B =c p t -k f(7) 由式(7)可见,在稳态辐照下只能观察到晶体管基极电流随时间单调增长的现象㊂基极电流出现极大值是由位移损伤缺陷的产生与退火相互竞争造成的㊂当中子注量率较高时,缺陷的产生占主导,基极电流快速增大;当中子注量率开始降低,并降低到一定值后,发生退火的缺陷数量大于产生的缺陷数量时,基极电流开始减少㊂根据上述分析,以曲线中的2个拐点为界可将脉冲中子辐照下晶体管基极电流的响应分为3个阶5-106040第11卷现 代 应 用 物 理段:第1阶段电流减小,主要受光电流影响;第2阶段电流快速增大,主要是光电流减小和位移损伤缺陷增加所致;第3阶段电流减小并趋于稳定,主要是位移损伤缺陷的短期退火所致㊂4.2短期退火曲线S a n d e r给出的晶体管退火因子计算公式为[1]F a=h-1F E(t)-h-1F E(b e f o r e)h-1F E(ɕ)-h-1F E(b e f o r e)(8)其中,h F E(b e f o r e)为脉冲辐照前晶体管的放大倍数;h F E(ɕ)为脉冲辐照后时间为无穷大时晶体管的放大倍数;h F E(t)为t时刻晶体管的放大倍数㊂根据晶体管3个端口的电流计算晶体管放大倍数,得到辐照前后晶体管的放大倍数如表2所列㊂其中,辐照后的放大倍数h F E(a f t e r)是脉冲辐照结束10s后重新测量得到的,此时,晶体管放大倍数已基本不随时间变化㊂由表2可见,不同类型晶体管辐照前后放大倍数的变化率差别很大,最大值与最小值之比大于2;总体而言,P N P型晶体管比N P N型晶体管对中子辐射更加敏感㊂表2辐照前后晶体管的放大倍数T a b.2G a i n s o f9t y p e s o f b i p o l a r t r a n s i s t o r sb e f o r e a n d a f t e r t h e i r r a d i a t i o nD e v i c e s h F E(b e f o r e)h F E(a f t e r)h F E(b e f o r e)-h F E(a f t e r)h F E(b e f o r e)3D G130D76.826.80.652N2222A96.027.70.713C G130D122.810.70.91N1134.959.90.56N3131.476.70.42N5139.468.30.51P144.23.80.91P340.35.80.86S P1140.99.40.93图4给出了按式(8)计算得到的9种类型晶体管在X A P R上的短期退火曲线㊂计算中,h F E(ɕ)由表2中的h F E(a f t e r)代替㊂由图4可见,不同类型晶体管的短期退火曲线差别较小,退火因子最大值为1.1~1.3,最大值对应的时刻约为30m s㊂S P1和P3的退火因子最大值均约为1.3,P1的退火因子最大值约为1.2,其他类型晶体管的退火因子最大值约为1.1㊂图49种类型晶体管在X A P R上的短期退火曲线F i g.4S h o r t-t e r m a n n e a l i n g c u r v e s o f9t y p e s o f b i p o l a rt r a n s i s t o r s i r r a d i a t e d b y p u l s e d n e u t r o n o n X A P R与S P R[1,3,4]及C F B R-Ⅱ[1516]快堆上得到的短期退火因子相比,在X A P R上获得的短期退火因子偏小㊂分析认为,这是因为加电辐照和X A P R的脉宽较长导致的㊂S P R的脉宽约为100μs,C F B R-Ⅱ的脉宽约为200μs,而X A P R的脉宽大于10m s㊂本项目组前期开展的数值模拟研究表明,电子浓度的增加可以明显加速P型硅材料中间隙原子的扩散能力,加快间隙原子的演化速度,进而加快短期退火的速度[24]㊂图5为数值模拟得到的2种电子密度及不同脉宽下P型硅材料的短期退火曲线㊂(a)n e=2ˑ1014c m-3(b)n e=6ˑ1012c m-3图5模拟得到的P型硅材料的短期退火曲线F i g.5N u m e r i c a l s i m u l a t i o n r e s u l t s o f t h e s h o r t-t e r ma n n e a l i n g c u r v e s i n P-t y p e s i l i c o n6-106040白小燕等:脉冲中子辐照下三极管电流时间响应曲线的试验研究第4期由图5可见,在高电子密度下,脉宽增加将导致短期退火因子显著下降㊂这是由于高载流子密度和长脉宽下,脉冲辐照期间空位或间隙原子的产生与演化是同时发生的,即有效的空位或间隙原子数量减少,导致短期退火因子下降㊂图4中曲线的下降部分均可采用指数形式进行拟合,即F a=F0+F1㊃e x p-t t1(9)图6给出了对L P N P型晶体管P3的拟合结果,拟合得到t1=0.026s㊂9种类型晶体管的t1略有不同,最小值为0.026s,最大值为0.044s ㊂图6L P N P型晶体管P3退火曲线的指数拟合结果F i g.6E x p o n e n t i a l f i t t i n g r e s u l t o f P3s h o r t-t e r ma n n e a l i n g c u r v e o f L P N P t r a n s i s t o r短期退火曲线可以反映材料内部微观缺陷的动力学演化过程㊂指数衰减与缺陷演化的一级动力学过程相符,缺陷主要是与材料中的掺杂原子或杂质原子发生反应,而不是与自身发生反应,这主要发生在缺陷密度远低于掺杂原子或杂质原子密度的情况下㊂中子在材料中同时产生孤立缺陷和缺陷簇,缺陷簇内缺陷的局域密度很高,因此,缺陷与自身发生反应的概率较高,此时缺陷演化遵循二级动力学过程㊂但根据G r e g o r y等的试验结果[3],二级动力学过程主要发生在缺陷演化的早期(10m s以内)㊂X A P R的脉宽较长,且本文是加电辐照,因此,不可能观察到缺陷演化的二级动力学过程㊂在缺陷演化的后期,缺陷簇外分立缺陷的演化起主导作用,应遵循一级动力学过程,此分析与X A P R上的实验结果相符㊂试验中一发脉冲辐照后,不移动器件,30m i n 后重复脉冲辐照试验,共对3D G130D进行了3次脉冲辐照试验,得到的短期退火曲线,如图7所示㊂由图7可见,3次脉冲辐照试验得到的3D K130D短期退火曲线完全重合,这说明累积位移损伤对缺陷的短期退火没有影响,即材料中已有的缺陷对缺陷动力学演化过程基本没有影响㊂图73次重复脉冲下3D G130D的短期退火曲线F i g.7S h o r t-t e r m a n n e a l i n g c u r v e s o f3D G130Du n d e r t h r e e r e p e a t e d n e u t r o n p u l s e s位移损伤短期退火过程是粒子产生的初始缺陷(空位和间隙原子)与自身及材料中的掺杂原子或杂质原子发生动力学反应的过程㊂在历史辐照中子注量不太高的情况下,材料中掺杂原子或杂质原子的密度减少有限,再次辐照产生的初始缺陷密度仍远小于掺杂原子或杂质原子的密度,因此,历史辐照对短期退火过程没有影响㊂可以预计,当历史辐照的中子注量增大,使材料中掺杂原子或杂质原子的密度下降到与再次辐照时产生的初始缺陷密度相当时,历史辐照对再次辐照的短期退火过程将有明显影响㊂5结论本文在固定发射极电流下测量了9种类型晶体管在西安脉冲反应堆脉冲工况下的电流时间响应曲线㊂结果表明,基极电流随时间增大呈现先减小后增大㊁随后又减小并趋于稳定的变化趋势㊂分析认为,可将脉冲中子辐照下晶体管基极电流的响应分为3个阶段:第1阶段光电流起主导作用;第2阶段位移损伤产生缺陷的累积效应起主导作用;第3阶段位移损伤产生缺陷的短期退火效应起主导作用㊂9种类型晶体管辐照前后放大倍数的变化率差别很大,但短期退火曲线差别较小,退火因子最大值为1.2~1.3,小于快堆上测量的退火因子,这是由于本文加电辐照且辐照脉宽较长引起的㊂高载流子密度和长脉宽下,脉冲辐照期间空位或间隙原子的产生与演化是同时发生的,即有效的空位或间隙原子数量减小,因此,短期退火因子下降㊂短期退火因子随时间呈指数衰减,这与缺陷演化后期的一级动力学过程相符㊂7-106040第11卷现代应用物理下一步研究中将在测试电路中添加开关,使辐照过程中晶体管处于不加电状态㊂致谢感谢西安脉冲反应堆提供机时,感谢西北核技术研究所苏春磊提供脉冲中子时间波形㊂参考文献1S A N D E R H H R o o m t e m p e r a t u r e a n n e a l i n g o f s i l i c o n t r a n s i s t o r p a r a m e t e r s d e g r a d e d b y a b u r s t o f n e u t r o n sS C-R-64-192R S a n d i a N a t i o n a l L a b o r a t o r i e s19642S A N D E R H H G R E G O R Y B L T r a n s i e n t a n n e a l i n g i n s e m i c o n d u c t o r d e v i c e s f o l l o w i n g p u l s e d n e u t r o n i r r a d i a t i o nJ I E E E T r a n s N u c l S c i196613653623G R E G O R Y B L S A N D E R H H I n j e c t i o n d e p e n d e n c e o f t r a n s i e n t a n n e a l i n g i n n e u t r o n-i r r a d i a t e d s i l i c o n d e v i c e s JI E E E T r a n s N u c l S c i19671461161264G R E G O R Y B L S A N D E R H H T r a n s i e n t a n n e a l i n g o fd e f e c t s i n i r r a d i a t e d s i l i c o n d e v i c e s J P r o c I E E E1970589132813415HA R R I T Y J W MA L L O N C E S h o r t-t e r m a n n e a l i n g i n p-t y p e s i l i c o n J I E E E T r a n s N u c l S c i19701761001046MA L L O N C E HA R R I T Y J W S h o r t-t e r m a n n e a l i n g i n t r a n s i s t o r s i r r a d i a t e d i n t h e b i a s e d-o f f m o d e J I E E E T r a n sN u c l S c i197118645497S A N D E R H H G R E G O R Y B L C i r c u i t a p p l i c a t i o n s o f t r a n s i e n ta n n e a l i n g J I E E E T r a n s N u c l S c i1971186250257 8M Y E R S S M C O O P E R P J W A M P L E R W R M o d e l o f d e f e c t r e a c t i o n s a n d t h e i n f l u e n c e o f c l u s t e r i n g i n p u l s e-n e u t r o n-i r r a d i a t e dS i J J A p p l P h y s200810440445079S H A D I D J N H O E K S T R A R J H E N N I G A N G L e t a l S i m u l a t i o n o f n e u t r o n r a d i a t i o n d a m a g e i n s i l i c o n s e m i c o n d u c t o rd e v i c e s S A N D2007-7157R S a n d i a N a t i o n a l L a b o r a t o r i e s2007 10H J A L MA R S O N H P P E A S E R L V A N G I N HO V E N R M e t a l E l e c t r i c a l e f f e c t s o f t r a n s i e n t n e u t r o n i r r a d a i t i o n o fs i l i c o n d e v i c e s J N u c l I n s t r u m M e t h o d s P h y s R e s B2007255111411911H E H R B D A n a l y s i s o f r a d i a t i o n e f f e c t s i n s i l i c o n u s i n g k i n e t i c M o n t e C a r l o m e t 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强脉冲中子源时间分布下降沿探测技术研究
郭洪生;杨高照;胡青元;司粉妮;彭太平
【期刊名称】《核电子学与探测技术》
【年(卷),期】2013(033)006
【摘要】利用塑料闪烁体和光电倍增管组成的测量系统(ST-PMT系统)具备极短荧光衰减时间和高灵敏电荷放大能力的优点,研制了门控ST-PMT探测器阵列,成功对DPF波形后沿中子峰下3～4个量级的物理图像进行了诊断测量.测量了PF-22等离子体焦点装置(DPF)中子波形峰下3个量级与中子峰的时间间隔,在距DPF峰时间50、100、160和290 ns处,与DPF峰相差倍数为10、100、300和1 000倍.【总页数】4页(P695-698)
【作者】郭洪生;杨高照;胡青元;司粉妮;彭太平
【作者单位】中国工程物理研究院核物理与化学研究所,绵阳621900;中国工程物理研究院核物理与化学研究所,绵阳621900;中国工程物理研究院核物理与化学研究所,绵阳621900;中国工程物理研究院核物理与化学研究所,绵阳621900;中国工程物理研究院核物理与化学研究所,绵阳621900
【正文语种】中文
【中图分类】TN911
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