6LiInP2Se6中子探测器的辐射耐受性评估：面向中子科学的应用

《physica status solidi (a)– applications and materials science》：Evaluation of Radiation Tolerance of 6LiInP2Se6 for Neutron Science

　　

锂铟磷硒化合物⁶LiInP₂Se₆（LIPSe）被提出作为一种用于中子散射科学应用的新型半导体探测器。与当前中子散射设施中使用的³He气体探测器和闪烁体探测器相比，半导体探测器（如LIPSe）在可接受的效率下提供了优异的时间和空间分辨率。半导体探测器的一个已知缺点是其对重带电粒子（heavy charged particles, HCP）辐射的耐受性较低，例如用于中子探测的⁶Li(n, T)⁴He反应所发射的产物。因此，有必要研究LIPSe是否能够承受在运行服务期间可能暴露的中子注量水平，作为对现代束线仪器适用性全面研究的一部分。研究人员利用掠入射X射线衍射（grazing incidence X-ray diffraction, GIXRD）、紫外–可见光谱（UV–vis spectroscopy）、拉曼光谱（Raman spectroscopy）以及α辐射响应的直接测量，对LIPSe的辐射损伤进行了分析。结果表明，薄样品在高达10¹⁵ n/cm²·s的注量（原文单位）下仍能保持作为中子探测器的可操作性，尽管某些系统性误差来源可能导致α响应谱在实用应用中比预期更退化。

论文解读：⁶LiInP₂Se₆中子探测器辐射耐受性研究

中子散射科学利用中子与原子核的独特相互作用来探测材料内部结构，可弥补X射线在轻元素灵敏度、相近原子序数元素对比度以及高Z材料穿透性方面的不足，并在制药、考古、电池和材料科学等领域具有广泛应用。然而，中子不带电，必须借助特定核反应转化为电离辐射才能被探测。常用的转换反应包括¹⁰B(n, α)⁷Li、⁶Li(n, T)⁴He、³He(n, p)³H和¹⁵⁷Gd(n, γ)¹⁵⁸Gd。当前中子散射设施普遍依赖³He气体探测器，但³He供应短缺使其逐渐失宠，且这类探测器难以达到毫米以下的高空间分辨率。闪烁体探测器存在收集效率受自吸收限制、余辉积累等问题；微通道板（MCP）虽具有优异的时间和空间分辨率，但重离子会损伤微通道表面并产生残留图像。半导体探测器，如⁶LiInSe₂（LISe）和⁶LiInP₂Se₆（LIPSe），有望同时提供高时间分辨率和高空间分辨率。LIPSe特别之处在于能同时有效传输电子和空穴，因此可制成双面条带探测器，仅用2N个通道即可读取N×N区域。由于⁶Li是晶格组成部分，很薄的样品即可实现高中子探测效率，并具有本征的γ射线抑制能力。然而，半导体探测器对重带电粒子（HCP）的耐受性通常较差，而中子探测恰恰依赖⁶Li(n, T)⁴He反应产生的HCP。因此，必须研究LIPSe在长期运行中可能遭遇的中子注量下是否仍能保持功能，这是评估其能否用于现代束线仪器的关键一环。

本研究中，研究人员在西北大学采用化学气相传输（CVT）法生长LIPSe晶体，选取8个样品分为四组，分别经受10¹²、10¹³、10¹⁴和10¹⁵ n/cm²的中子注量，同时保留对应的未辐照半片作为对照。通过对比辐照前后以及辐照/对照样品的材料性质与器件响应，研究人员发现LIPSe在最高10¹⁵ n/cm²注量下仍能保持中子探测器功能，辐射损伤低于多种表征方法的检测限。该结论表明，LIPSe实际应用的瓶颈更多在于生长大尺寸、高质量晶体，而非其对运行工况的辐射耐受能力，这为其在束线仪器中的实用化提供了必要依据。

主要关键技术方法包括：X射线衍射（XRD）和掠入射X射线衍射（GIXRD）用于评估晶体结构完整性；紫外–可见光谱（UV–vis）用于测定带隙变化；拉曼光谱用于检测晶格振动模式的改变；电流–电压（I–V）特性测试用于评价电学接触和电阻行为；α粒子辐射响应测试采用²¹⁰Po源直接测量探测器对HCP的响应能力。样品来源于西北大学CVT法生长批次，辐照在俄亥俄州立大学研究反应堆进行。

研究结果如下：

**3.1 紫外–可见光谱**：通过比较辐照前后及对照样品的透射光谱，发现所有注量下透射率变化极小，吸收边位置基本稳定。利用Tauc图计算带隙能，辐照前后带隙变化可忽略，表明中子辐照未对材料电子结构造成显著影响。

**3.2 掠入射X射线衍射**：GIXRD谱显示，辐照后样品的主要衍射峰仍存在，选取约13.1°处对应层状结构(002)面层间距的衍射峰进行高斯拟合，发现峰宽与注量无强关联，相对变化无明确趋势，表明在测试注量范围内晶体层状结构未发生明显无序化或层间剥离。部分小峰的增减可能与样品安装的择优取向等因素有关，实验未发现辐射诱导的无序证据。

**3.3 拉曼光谱**：拉曼谱在辐照后未出现显著峰位移动或峰宽展宽，也未观察到可归因于晶格损伤的新生峰。多数辐照样品出现0–4个通道的轻微右移，指示微小压应力，但与注量不相关，可能源于环境吸湿等非辐射因素。由于LIPSe对探测波长透明，拉曼信号来自整个穿透深度，因此该结果反映体相面内有序度基本保持。

**3.4 电流–电压特性**：I–V测试显示，并非所有样品都有稳定响应，但此现象与辐照剂量无关，更可能来自操作损伤、溶剂暴露、吸湿或溅射故障引起的氧化铬沾污。可用样品在0至约500 V偏压下均表现出欧姆行为，响应形状一致。部分样品存在导通偏移，可能与表面缺陷或接触势垒有关。总体无法可靠判断电阻率的绝对变化，但可确认辐照未导致电接触失效。

**3.5 α辐射响应**：所有具备良好I–V响应的样品均对α粒子有可测响应。在最高注量10¹⁵ n/cm²下，样品仍能清晰区分²¹⁰Po源与背景噪声，信噪比最佳可达约10:1。响应峰形不呈高斯分布的现象在辐照和未辐照样品中均存在，故不能归因于中子辐照。提高偏压会使峰位移动，但不改善背景抑制。该结果直接证明LIPSe在经受高注量后依旧保有HCP探测能力。

讨论部分指出，由于必须对脆弱样品反复搬运和测量，实验涉及多种系统误差，包括胶带固定的机械应力、去除胶带时使用的溶剂可能造成的化学损伤，以及样品本身的吸湿性。因此，本研究数据不适合定量预测特定剂量下的性能衰减，但只要样品在辐照及其他损伤因素共同作用后仍能响应，就可以确认其能够耐受该注量水平。研究结论为：多种表征和直接辐射响应测试均支持LIPSe至少能耐受10¹⁵ n/cm²注量，适合作为束线仪器使用；反之，其实际应用前景主要受限于大尺寸高质量晶体的生长难题，而非辐射耐受性。