基于栅控技术进行散裂中子源1MeV等效中子注量测量的方法技术

本发明专利技术提供基于栅控技术进行散裂中子源1MeV等效中子注量测量的方法，解决了现有散裂中子源测量低通量1MeV等效中子注量手段有限的技术问题，本发明专利技术利用双极型晶体管少数载流子寿命倒数和1MeV等效中子注量呈线性关系的特点，实现基于反应堆1MeV等效中子在横向晶体管上的少子寿命损伤常数计算出散裂中子源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。

A Method for Measuring 1MeV Equivalent Neutron Fluence of Spallation Neutron Source Based on Gate Control Technology

The invention provides a method for measuring equivalent neutron fluence of 1MeV spallation neutron source based on gate control technology, and solves the technical problem of limited means for measuring low flux 1MeV equivalent neutron fluence of existing spallation neutron source. The invention realizes transverse neutron equivalent based on 1MeV of reactor by utilizing the linear relationship between reciprocal minority carrier lifetime of bipolar transistor and 1MeV equivalent neutron fluence. The minority carrier lifetime damage constant on the transistor calculates the equivalent neutron fluence of the spallation neutron source 1MeV. This method can maintain a high measurement accuracy in a wide range of neutron fluence.

【技术实现步骤摘要】
基于栅控技术进行散裂中子源1MeV等效中子注量测量的方法
本专利技术属于辐射探测领域，涉及一种基于栅控横向PNP晶体管电荷分离技术进行散裂中子源1MeV等效中子注量测量的方法。
技术介绍
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与反应堆相比，其中子注量率较低，传统的金属箔活化等方法更适用于高注量中子环境测量，因此直接测量其低通量1MeV等效中子注量的手段十分有限。
技术实现思路
为了解决现有散裂中子源测量低通量1MeV等效中子注量手段有限的技术问题，本专利技术提供一种基于栅控横向PNP晶体管电荷分离技术进行CSNS散裂中子源1MeV等效中子注量测量的方法。中子辐射会使半导体材料中晶格原子产生位移效应，形成缺陷和缺陷群，相当于增加了复合中心，尤其双极型晶体管少数载流子寿命对中子辐射损伤极其敏感，从而引起双极型晶体管基区的少数载流子寿命降低，晶体管电流增益下降。原始少数载流子寿命为τ0，中子辐射之后少子寿命为τφ，则有：1/τφ-1/τ0＝Kφn式中K是少子寿命损伤常数，它与辐射前的半导体电阻率以及入射中子能量有关；φn为中子注量。基于上式，只要测到中子辐照前后的少子寿命以及相应的中子注量，即可获得少子寿命损伤常数，并根据上式的线性关系利用晶体管对其他中子环境的注量进行测量。因此，本专利技术通过对栅控横向PNP晶体管进行栅控扫描，实现对少数载流子寿命的直接测量，进而通过少数载流子寿命与1MeV等效中子注量的函数关系计算得到累积的中子辐照注量。本专利技术的技术解决方案是提供一种散裂中子源1MeV等效中子注量测量的方法，包括以下步骤：1】筛选栅控横向PNP晶体管样本；对m个栅控横向PNP晶体管进行栅控扫描测试，通过下式计算各栅控横向PNP晶体管初始状态下的少数载流子寿命τ0；选择τ0一致的栅控横向PNP晶体管作为样本；其中q为电子电荷，pE为发射极周长，hE为发射极结深，IB为累积条件下的基极电流，VEB为射-基极偏压，ni是本征载流子浓度，xB为基区宽度，ND为基区掺杂浓度，xd为射-基极耗尽层宽度，T为温度。栅控横向PNP晶体管为流片或购买获得；获得各栅控横向PNP晶体管的如下工艺参数：发射极周长pE、发射极结深hE、基区宽度xB、基区掺杂浓度ND、射-基极耗尽层宽度xd。2】获取反应堆1MeV等效中子注量下样本中栅控横向PNP晶体管的少子寿命损伤常数K；2.1】将步骤1】样本中的部分栅控横向PNP晶体管不加偏置进行反应堆中子辐照至不同注量；并测量不同中子注量点对应的反应堆1MeV等效中子注量；2.2】在不同注量点对各栅控横向PNP晶体管进行栅控扫描测试，栅控扫描测试条件与步骤1.1】中栅控扫描测试条件一致；2.3】根据下式计算出各中子注量点下栅控横向PNP晶体管的平均少数载流子寿命τφ；其中q为电子电荷，pE为发射极周长，hE为发射极结深，IB为累积条件下的基极电流，VEB为射-基极偏压，ni是本征载流子浓度，xB为基区宽度，ND为基区掺杂浓度，xd为射-基极耗尽层宽度，T为温度。2.4】计算不同反应堆1MeV等效中子注量下栅控横向PNP晶体管少数载流子寿命倒数的退化1/τφ-1/τ0，根据栅控横向PNP晶体管少数载流子寿命倒数和反应堆1MeV等效中子注量的线性关系1/τφ-1/τ0＝Kφn，获得栅控横向PNP晶体管的反应堆1MeV等效中子注量下少子寿命损伤常数K；3】获得散裂中子源1MeV等效中子注量；3.1】将步骤1】样本中未经反应堆中子辐照的栅控横向PNP晶体管置于散裂中子源中子辐射环境进行一定时间的辐照；3.2】辐照后，采用与步骤1.1】中栅控扫描测试条件一致的栅控扫描测试方法对栅控横向PNP晶体管进行栅控扫描测试；3.3】计算出当前中子注量下栅控横向PNP晶体管的少数载流子寿命τ‵；其中q为电子电荷，pE为发射极周长，hE为发射极结深，IB为累积条件下的基极电流，VEB为射-基极偏压，ni是本征载流子浓度，xB为基区宽度，ND为基区掺杂浓度，xd为射-基极耗尽层宽度，T为温度。3.4】利用其倒数的变化量1/τ′-1/τ0除以步骤2】获得的少子寿命损伤常数得到散裂中子源在这段时间内累积的1MeV等效中子注量。进一步地，针对栅控横向PNP晶体管进行的栅控扫描测试中，对栅极电压进行扫描并同时测试基极电流随栅压的变化，栅扫描电压从正压到负压扫描，保证栅控横向PNP晶体管的PMOS结构能够从积累-耗尽-反型过程过渡。进一步地，一般栅极扫描电压从+10V向-50V扫描；在栅扫描过程中保持栅控横向PNP晶体管处于正向偏置状态。进一步地，步骤2.1】利用金属箔活化法对辐照的栅控横向PNP晶体管进行伴随测量，获得各中子注量点对应的反应堆1MeV等效中子注量。进一步地，为保证样本中各栅控横向PNP晶体管具有相同的性能指标参数步骤1】m个栅控横向PNP晶体管为同一批次。进一步地，为了进一步地确保样本中各栅控横向PNP晶体管具有相同的性能指标参数，步骤1】中还包括对m个栅控横向PNP晶体管进行增益扫描测试步骤，获取增益参数，选择增益参数与少数载流子寿命τ0均一致的栅控横向PNP晶体管作为样本。进一步地，步骤2】反应堆中子辐照试验中，辐照过程中栅控横向PNP晶体管管脚全部短接。进一步地，步骤2】和步骤3】中进行中子辐照试验时，栅控横向PNP晶体管集中紧密布放，避免束流不均匀性带来影响。本专利技术的有益效果在于：(1)本专利技术采用的方法是利用双极型晶体管少数载流子寿命倒数和1MeV等效中子注量呈线性关系的特点，实现基于反应堆1MeV等效中子在横向晶体管上的少子寿命损伤常数计算出散裂中子源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。(2)本专利技术选用栅控横向PNP晶体管进行散裂中子源1MeV等效中子注量测量，由于横向晶体管少数载流子寿命对位移损伤效应极其敏感，十分适用于散裂中子源较低的中子注量环境中使用。(3)本专利技术选用的栅控电荷分离分析方法同时能够对中子束流中伴生γ射线产生的累积电离辐射总剂量效应进行测量，适用于中子辐射环境束流品质的分析。附图说明图1为典型栅控横向PNP晶体管的剖面结构示意图；图2为质子辐照栅控横向PNP晶体管前后的典型栅扫描测试曲线；图3为栅控横向PNP晶体管在不同中子注量下的栅扫描测试曲线；图4为少数载流子寿命倒数的退化与中子注量的线性关系；图5为本专利技术利用栅控横向PNP晶体管电荷分离技术进行散裂中子源1MeV等效中子注量测量较佳的实施方法流程图。具体实施方式以下结合附图及具体实施例对本专利技术做进一步地描述。栅控横向PNP晶体管实际上是在对辐射效应敏感的基区氧化层上方加一个控制栅，形成一个PMOS结构，如图1所示。在辐照实本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于栅控技术进行散裂中子源1MeV等效中子注量测量的方法，其特征在于，包括以下步骤：1】筛选栅控横向PNP晶体管样本；对m个栅控横向PNP晶体管进行栅控扫描测试，计算各栅控横向PNP晶体管初始状态下的少数载流子寿命τ0；选择τ0一致的栅控横向PNP晶体管作为样本；2】获取反应堆1MeV等效中子注量下样本中栅控横向PNP晶体管的少子寿命损伤常数K；2.1】将步骤1】样本中的部分栅控横向PNP晶体管不加偏置进行反应堆中子辐照至不同注量；并测量不同中子注量点对应的反应堆1MeV等效中子注量；2.2】在不同注量点对各栅控横向PNP晶体管进行栅控扫描测试，栅控扫描测试条件与步骤1.1】中栅控扫描测试条件一致；2.3】计算出各中子注量点下栅控横向PNP晶体管的平均少数载流子寿命τφ；2.4】计算不同反应堆1MeV等效中子注量下栅控横向PNP晶体管少数载流子寿命倒数的退化1/τφ‑1/τ0，根据栅控横向PNP晶体管少数载流子寿命倒数和反应堆1MeV等效中子注量的线性关系，获得栅控横向PNP晶体管的反应堆1MeV等效中子注量下少子寿命损伤常数K；3】获得散裂中子源1MeV等效中子注量；3.1】将步骤1】样本中未经反应堆中子辐照的栅控横向PNP晶体管置于散裂中子源中子辐射环境进行辐照；3.2】辐照后，采用与步骤1.1】中栅控扫描测试条件一致的栅控扫描测试方法对栅控横向PNP晶体管进行栅控扫描测试；3.3】计算出当前中子注量下栅控横向PNP晶体管的少数载流子寿命τ‵；3.4】利用其倒数的变化量1/τ′‑1/τ0除以步骤2】获得的少子寿命损伤常数K得到散裂中子源在这段时间内累积的1MeV等效中子注量。...

【技术特征摘要】
1.一种基于栅控技术进行散裂中子源1MeV等效中子注量测量的方法，其特征在于，包括以下步骤：1】筛选栅控横向PNP晶体管样本；对m个栅控横向PNP晶体管进行栅控扫描测试，计算各栅控横向PNP晶体管初始状态下的少数载流子寿命τ0；选择τ0一致的栅控横向PNP晶体管作为样本；2】获取反应堆1MeV等效中子注量下样本中栅控横向PNP晶体管的少子寿命损伤常数K；2.1】将步骤1】样本中的部分栅控横向PNP晶体管不加偏置进行反应堆中子辐照至不同注量；并测量不同中子注量点对应的反应堆1MeV等效中子注量；2.2】在不同注量点对各栅控横向PNP晶体管进行栅控扫描测试，栅控扫描测试条件与步骤1.1】中栅控扫描测试条件一致；2.3】计算出各中子注量点下栅控横向PNP晶体管的平均少数载流子寿命τφ；2.4】计算不同反应堆1MeV等效中子注量下栅控横向PNP晶体管少数载流子寿命倒数的退化1/τφ-1/τ0，根据栅控横向PNP晶体管少数载流子寿命倒数和反应堆1MeV等效中子注量的线性关系，获得栅控横向PNP晶体管的反应堆1MeV等效中子注量下少子寿命损伤常数K；3】获得散裂中子源1MeV等效中子注量；3.1】将步骤1】样本中未经反应堆中子辐照的栅控横向PNP晶体管置于散裂中子源中子辐射环境进行辐照；3.2】辐照后，采用与步骤1.1】中栅控扫描测试条件一致的栅控扫描测试方法对栅控横向PNP晶体管进行栅控扫描测试；3.3】计算出当前中子注量下栅控横向PNP晶体管的少数载流子寿命τ‵；3.4】利用其倒数的变化量1/τ′-1/τ0除以步骤2】获得的少子寿命损伤常数K得到散裂中子源在这段时间内累积的1MeV等效中子注量。2.根据权利要求1所述的基于栅控技术进行散裂中子源1MeV等效中子注量测量的方法，其特征在于，根据下式计算步骤1】、步骤2.3】及步骤3.3】中的少数载流...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘岩，陈伟，郭晓强，金晓明，李俊霖，白小燕，王晨辉，薛院院，
申请(专利权)人：西北核技术研究所，
类型：发明
国别省市：陕西,61