Calibration of bipolar transistor neutron fluence detector
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摘要: 双极晶体管经中子辐照后会引起直流增益退化，在109~1016 cm-2的注量范围内，其直流增益倒数变化与辐照中子注量呈线性关系。对直流增益退化的双极晶体管进行高温退火，能使受到辐射损伤的双极晶体管性能恢复。鉴于此，将双极晶体管进行逆向工程应用，制作成中子注量探测器，经标定后，可实现对中子注量的监测。对探测器的装配结构进行设计后，依托中国工程物理研究院快中子脉冲堆(CFBR-Ⅱ)，在1012~1013 cm-2的注量范围对3DK2222A型探测器和在1013 cm-2的注量范围对3DG121C型探测器进行标定。在得到探测器损伤常数K的分散性存在较小和较大的两种情况下，确定了分散性较小时的有效取值和应用方法，以及在分散性较大时，采取标定的损伤常数K只能应用在同只探测器上的方案，并通过高温退火实验证实了该方案的可行性。Abstract: The DC gain of bipolar transistor will degenerate after neutron irradiation. In the range of flux of 109-1016 cm-2, the reciprocal change of DC gain is linearly related to the neutron flux. The high temperature annealing of the bipolar transistor with DC gain degradation can restore the performance of the bipolar transistor which has been damaged by radiation. In view of this, the bipolar transistor was used in reverse engineering, and the neutron flux detector was fabricated. After calibration, the neutron flux could be monitored. After designing the assembly structure of the detector and relying on the CFBR-Ⅱ reactor, the 3DK2222A detector was calibrated in the flux range of 1012-1013cm-2. The 3DG121C detector is calibrated in the flux range of 1013 cm-2. The dispersion of the damage constant K of the detector is obtained as smaller or larger, the effective value and application method of the smaller dispersion are determined, and in cases of larger dispersion, the calibrated damage constant K can only be applied to the same detector, and the feasibility of the scheme is proved by high temperature annealing experiment.
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利用双极晶体管探测器监测中子注量已经经过多次实验验证并投入应用[1-3]，国外发布了相关测量标准[4]，国内也在编制行业标准，该种类型中子注量探测器的一项重要指标是损伤常数。损伤常数是实现不同监测位置中子注量转换的桥梁，该参数通过探测器的标定环节得到。国内外对该类探测器的研究都提及了标定这一关键步骤，但基本上是针对不确定度这一因素展开分析，如不确定度的来源以及各种来源的不确定度大小等。而具体的标定工艺、流程、损伤常数K的运用情况等技术，则未见详细的研究成果报道。在实际标定过程中，探测器的装配方式引入的位置变化、探测器的生产工艺引入的个体差异都可能会对损伤常数产生影响。本文基于两种型号双极晶体管探测器，展开具体的研究工作，给出合理的标定操作方法和损伤常数的使用方法，为行业内标准化推广奠定基础。
1. 标定方法
1.1 标定原理
如图 1所示，随着中子注量增加，双极晶体管的直流增益下降，其倒数变化与辐照注量具有线性响应关系[4-5]，见式(1)，响应程度体现为损伤常数。将双极晶体管用作中子注量探测器，在参考环境中进行标定，获得损伤常数式(2)，再利用损伤常数作为转换系数，结合探测器在辐照工位的直流增益变化，即可获得对应的等效中子注量式(3)。
1/hFEϕ−1/hFE0=Δ(1/hFE)=Kϕ (1) Kr=Δ(1/hFE)ϕr=Δ(1/hFEϕ−1/hFE0)ϕr (2) ϕt=1KrΔ(1/hFE)t=Δ(1/hFE)tΔ(1/hFE)r=Δ(1/hFEϕ−1/hFE0)tΔ(1/hFEϕ−1/hFE0)rϕr (3) 
图 1 探测器直流增益及其倒数与辐照中子注量的变化关系Figure 1. Detector's direct current gain and reciprocal gain as function of neutron fluence respectively式中：hFEϕ为中子辐照后探测器直流增益；hFE0为中子辐照前探测器直流增益；Δ(1/hFE)为探测器直流增益倒数的变化；K为探测器的辐照损伤常数，cm2；ϕ为辐照中子注量，cm-2；ϕt为待测中子场的辐照等效中子注量，cm-2；Δ(1/hFE)t为双极晶体管在待测中子场中直流增益倒数的变化；Δ(1/hFE)r为双极晶体管在参考中子场中直流增益倒数的变化；Kr为双极晶体管在参考中子场中的损伤常数，cm2；ϕr为参考中子场的辐照中子注量，cm-2。
Kr是在CFBR-Ⅱ堆上标定的，可直接应用于此堆的注量测量，当应用于其他装置的中子注量测量时，反映的是基于CFBR-Ⅱ堆的等效中子注量。
1.2 探测器装配结构设计
根据工作原理，探测器的损伤常数通过参考辐射环境的辐照中子注量和探测器辐照前后的直流增益确定[6]，参考辐射环境的中子注量通过活化法测得，探测器直流增益通过在线测量系统测得[1]。活化法测量中子注量，需要将活化箔与探测器放置在一起进行辐照。早期将活化箔粘贴于探测器外壳表面，由于活化箔的自身厚度以及探测器的外壳厚度影响，使得监测到的中子注量大于探测器实际受到的辐照注量，因此需要对探测器的装配结构进行重新设计。
分析比较了双极晶体管探测器外壳和镍活化箔尺寸，镍活化箔的直径为10 mm，探测器外壳宽度8 mm，在增加2 mm的条件下，并不影响探测器在小空间中的使用，因此考虑将探测器外壳加宽至10.2 mm，在内表面开一个圆形凹槽，用于放置活化箔，这样可以将活化箔紧贴于3DK2222A探测器表面。为了保证绝缘，将活化箔包裹绝缘层后放置于凹槽内，按照图 2所示的方式进行装配，在标定期间，活化箔监测的中子注量为探测器实际的受照注量。
1.3 参考辐射环境选择
美国材料与试验协会E1855-10标准(ASTM E1855-10)中采用的参考辐射环境为美国白沙导弹靶场的快中子脉冲堆，其具有高中子伽玛比，很适合用于探测器标定[4]。国内的CFBR-Ⅱ堆是核爆模拟辐射场，同样具有高中子伽玛比，是行业公认的辐射效应研究和抗辐射性能验证考核的理想平台，也是双极晶体管探测器标定的理想平台，因此选择CFBR-Ⅱ堆的裸场环境作为探测器标定的参考辐射环境。
2. 实验及结果
实验布局见图 3，选择不同型号的双极晶体管中子注量探测器置于标定区域辐照。
图 4是3只3DK2222A型探测器在不同中子注量辐照水平下直流增益变化情况。在7.64×1012，1.05×1013，1.52×1013，1.93×1013 cm-2辐照水平下，探测器的直流增益分别退化到初值的69%，63%，55%，49%。
图 4 探测器直流增益与辐照中子注量的变化关系Figure 4. Detector's direct current gain as function of different neutron fluence图 5是3只3DK2222A型探测器在不同中子注量辐照水平下的损伤响应。表 1给出了1#探测器在不同中子注量辐照水平下的损伤常数差异。表 2给出了2#与3#探测器在相同中子注量辐照水平下的损伤常数差异。
图 5 探测器在不同中子注量下的损伤响应Figure 5. Detector's damage response at different neutron fluence表 1 1#探测器损伤常数K值分析Table 1. Relative difference of damage constant K for detector 1# under different radiation levelcomparison between radiation levels relative difference of K/% 1.93×1013 cm-2 compared with 1.52×1013 cm-2 0.94 1.93×1013 cm-2 compared with 1.05×1013 cm-2 2.32 1.93×1013 cm-2 compared with 7.64×1012 cm-2 3.21 表 2 2#，3#探测器损伤常数K值分析Table 2. Relative difference of damage constant K between detectors 2# and 3#radiation level relative difference of K/% 7.64×1012cm-2 3.8 1.05×1013cm-2 3.6 1.52×1013cm-2 3.7 1.93×1013cm-2 3.7 就1#探测器而言，在1.93×1013 cm-2辐照水平下，其损伤常数与1.52×1013，1.05×1013，7.64×1012 cm-2辐照水平下相差分别为0.94%，2.32%，3.21%。2#探测器损伤常数分别相差0.92%，2.28%和2.94%，3#探测器损伤常数分别相差0.96%，2.36%和2.82%。在不同中子注量辐照水平下，同只探测器的损伤常数一致性为96%以上，证明辐照中子注量达到7.60×1012 cm-2时，探测器已进入良好的辐射损伤线性区域，标定的注量水平设计是合理的。
在图 5中，可看出3DK2222A型不同只探测器在不同中子注量辐照水平下的损伤常数K比较相近，存在的微小差异可视为同型号同批次个体探测器之间的区别。结合表 2中的相对差异分析，可得出此批次3DK2222A型探测器在不同辐照水平下，损伤常数K分散性较小。由于对双极晶体管进行标定后，已使其直流增益存在不同程度的退化，最高退化程度达到了49%，见图 4。基于测量中子注量范围考虑，当损伤常数K值分散性较小时，可将标定的损伤常数K值合理化平均后，直接用作其他未经中子辐照的探测器标定系数。取值方法如下
K=1II∑i=1J∑j=1kij=1II∑i=1J∑j=1(1hFE(ϕij)−1hFE(0ij))/ϕij (4) 式中：I表示标定的总探测器数；i表示第i只探测器；j表示第j种中子辐照水平；kij表示第i只探测器在第j种中子辐照水平下的的损伤常数；hFE(ϕij)是第i只探测器在第j种中子辐照水平辐照后的直流增益；hFE(0ij)是未经中子辐照的探测器直流增益；ϕij是第i只探测器在第j种中子辐照水平下的辐照注量。
图 6为对5只双极晶体管3DG121C型探测(以B, D, F, H, J表示)器进行标定的结果。从图 6中可看出，该型号某批次的探测器损伤常数K分散性较大，若采用第一种方法，对其进行平均后作为此批次其他未经辐照的探测器标定系数，则引入的误差过大，在对不同辐照工位进行注量监测时，测量结果的可靠性不高。因此，在这种情况下，标定的损伤常数K只能用作同只探测器的标定系数。
由于对探测器进行标定时，已使其直流增益退化，经高温(180 ℃，24 h)退火后，可使其性能恢复到标定前70%[7]，然后再用于注量测量。但此方法的运用存在损伤常数K在高温退火前后是否一致的问题。
图 7为3只双极晶体管3DG121C型另一批次探测器经标定、退火、再标定的实验结果，如此重复3轮。
对实验结果进行分析可得出，双极晶体管型探测器经标定、退火、再标定时，每一轮的损伤常数K即使有微小差异，但除去数据处理等因素，可认为损伤常数K在退火前后是一致的，最大误差小于3.04%，高温退火不会导致其发生质的变化。
因此，对于探测器损伤常数K分散性较大时的情况，在经标定、退火后，其应用在同只探测器上的方案是可行的。
3. 结论
对3DK2222A，3DG121C型探测器展开标定技术的研究工作，通过装配结构设计，确保活化箔所测注量与探测器所受辐照注量一致，从而保证损伤常数K的准确性，确立了在分散性较小时，损伤常数K的使用及如何有效取值的方法，在分散性较大时，损伤常数K用作同只探测器标定系数的方法。与此同时，通过实验证实了损伤常数K在高温退火前后的重复性，证明了第二种方法的可行性。通过研究，逐步建立了标准化的操作方法。双极晶体管用作中子注量探测器还有其他方面的研究内容，如探测器的最大线性响应区间及其情况、在散裂中子源上进行标定时的结果以及γ对标定的影响等，这些将在后续工作中进行。
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图 1 探测器直流增益及其倒数与辐照中子注量的变化关系
Figure 1. Detector's direct current gain and reciprocal gain as function of neutron fluence respectively
图 4 探测器直流增益与辐照中子注量的变化关系
Figure 4. Detector's direct current gain as function of different neutron fluence
图 5 探测器在不同中子注量下的损伤响应
Figure 5. Detector's damage response at different neutron fluence
表 1 1#探测器损伤常数K值分析
Table 1. Relative difference of damage constant K for detector 1# under different radiation level
comparison between radiation levels relative difference of K/% 1.93×1013 cm-2 compared with 1.52×1013 cm-2 0.94 1.93×1013 cm-2 compared with 1.05×1013 cm-2 2.32 1.93×1013 cm-2 compared with 7.64×1012 cm-2 3.21 
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表 2 2#，3#探测器损伤常数K值分析
Table 2. Relative difference of damage constant K between detectors 2# and 3#
radiation level relative difference of K/% 7.64×1012cm-2 3.8 1.05×1013cm-2 3.6 1.52×1013cm-2 3.7 1.93×1013cm-2 3.7
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