Способ определения флюенса нейтронов

 

Использование: изобретение относится к технике измерения нейтронного излучения и может быть использовано для определения флюенса нейтронов. Цель изобретения - повышение чувствительности и упрощение способа определения флюенса нейтронов. Сущность изобретения: способ основан на использовании лавинного режима работы биполярного транзистора и измерений напряжений пробоя при включении с общей базой при разомкнутом эмиттере и при включении с общим эмиттером при разомкнутой базе до облучения и при включении с общим эмиттером при разомкнутой базе после облучения и определении флюенса нейтронов F по формулам: F=A·(U_кэопр/U_кбопр)³·[U_кэпр-U_кэопр+K_т·(T-T₀)] , при F меньше 10 нейтр/см F=B·[U_кэпр-U_кэопр+K_т·(T-T₀)]^(1.9+Uкэопр^/Uкбопр⁾ при F больше 10¹² нейтр/см² , где A, B - постоянные коэффициенты, зависящие от материала и типа транзистора; U_кэопр , U_кэпр - напряжения пробоя при включении с общим эмиттером при разомкнутой базе до и после облучения; U_кбопр - напряжение пробоя при включении с общей базой при разомкнутом эмиттере до облучения; K_т - температурный коэффициент напряжения пробоя; T₀ , T - температуры, при которых измерялись U_кэопр и U_кэпр 2 ил.

Изобретение относится к технике измерения нейтронного излучения и может быть использовано для определения флюенса нейтронов.

Известен способ измерения флюенса нейтронов по увеличению обратного тока диодов при фиксированном смещении [1] , однако чувствительность способа (более 10¹² нейтр/см²) слишком мала для большинства случаев, а используемые детекторы требуют индивидуальной калибровки.

Известен полупроводниковый детектор для измерения мощности дозы рентгеновского и гамма-излучения с одним p-n-переходом, работающим в режиме лавинного пробоя [2] . Режим лавинного пробоя используется для увеличения амплитуд импульсов от электронно-дырочных пар, возникающих под действием квантов излучения. Детектор работает в узком интервале мощности дозы - (0,01. . . 0,1) Р/с и требует сложной пересчетной аппаратуры.

Наиболее близок к изобретению способ, основанный на изменении напряжения пробоя биполярных планарно-эпитаксиальных транзисторов под действием нейтронного излучения [3] .

Недостатками способа являются подборка транзисторов по одинаковым напряжениям лавинного пробоя, требующая огромного числа транзисторов; большая предварительная работа по снятию градуировочных кривых; невозможность измерения флюенса нейтронов менее ≈ 2˙10⁹нейтр/см² в связи с температурной флуктуацией U_{кэ пр}.

Цель изобретения - упрощение способа и увеличение чувствительности измерения флюенса нейтронов.

Поставленная цель достигается тем, что транзистор перед облучением вводят в режим лавинного пробоя, измеряют величины пробивных напряжений при включении с общей базой при разомкнутом эмиттере и при включении с общим эмиттером при разомкнутой базе, после облучения измеряют изменившееся напряжение пробоя при включении с общим эмиттером при разомкнутой базе, а флюенс определяют по формулам F= A·(U_кэопр/U_кбопр)³×[U_кэпр-U_кэопр+K_т(T-T_о)] (1) при F меньше 10¹² нейтр/см²; F= B·[U_кэпр-U_кэопр+K_т(T-T_о)] ^(1,9+Uкэопр^/Uкбопр⁾ (2) при F больше 10¹² нейтр/см², где A, В - постоянные коэффициенты, зависящие от материала и типа транзистора; U_{кб опр} - напряжение пробоя транзистора, включенного по схеме с общей базой, при разомкнутом эмиттере до облучения; U_{кэ опр} - напряжение пробоя транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, при разомкнутой базе до облучения; U_{кэ пр} - напряжение пробоя транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, при разомкнутой базе после воздействия флюенса F; К_т - температурный коэффициент напряжения пробоя; Т - температура, при которой измерялось U_{кэ пр}; Т_о - температура, при которой измерялось U_{кэ опр}.

Отличительными признаками предлагаемого способа определения флюенса нейтронов являются измерение перед облучением двух величин напряжений пробоя U_{кб опр} и U_{кэ опр}; вычисление флюенса нейтронов по формулам (1), (2) для измеренных значений U_{кб опр}, U_{кэ опр}, U_{кэ пр}; коррекция флюенса в зависимости от температуры окружающей среды.

Сущность технического решения заключается в следующем.

Рассмотрим статические параметры транзистора при включении с общим эмиттером в лавинном режиме U_кэопр= U, (3) учитывая, что I_o/I = 1/M = α_o, (4) получим U_кэопр=U, (5) где I_о - обратный ток коллектор - эмиттерного перехода в обычном режиме;
I - ток, текущий через транзистор при заданном режиме;
α_o - коэффициент передачи тока эмиттера в обычном режиме;
n - постоянный коэффициент, зависящий от материала и типа транзистора.

Радиационные дефекты, образованные под действием нейтронного излучения, являются эффективными центрами захвата и рекомбинации носителей заряда, поэтому у полупроводников в наибольшей степени претерпевают изменение время жизни неосновных носителей заряда. Соответствующая зависимость имеет вид
1/τ = 1/τ_o + Kτ˙ F , (6) где τ_o - начальное время жизни носителей;
τ - время жизни носителей после воздействия флюенса нейтронов F;
Kτ - константа радиационного повреждения времени жизни.

Учитывая, что время жизни неосновных носителей максимально связано с коэффициентом передачи тока эмиттера, следует, что величина из формулы (3) существенно увеличивается уже от небольших значений флюенсов нейтронов до ≈ 10¹³ нейтр/см². При больших значениях F изменение значительно слабее и ее вклад в увеличение U_{кэ пр}уменьшается.

Однако при F, больших 10¹³ нейтр/см², наблюдается более быстрое уменьшение концентрации основных носителей полупроводникового материала транзистора и, следовательно, увеличивается напряжение пробоя коллектор-базового перехода (U_{кб опр}) из формулы (3), из-за увеличения удельного сопротивления материала транзистора.

Эмпирически установлено, что напряжение пробоя p-n-перехода (6) устанавливается по соотношению
U_пр = В ˙ρ^K, (7) где В и К - коэффициенты, зависящие от материала и типа p-n-перехода;
ρ - удельное сопротивление полупроводникового материала;
ρ = ρ_o˙ exp(3,5˙10^-16 ρ_o^1/2 ˙F) (8)
Существенной особенностью является то, что удельное сопротивление сохраняет тенденцию к увеличению с ростом значений флюенса до 10¹⁷ - 10¹⁸ нейтр/см².

Таким образом, результирующее изменение U_{кэ пр} определяется произведением двух сомножителей, один из которых имеет большую чувствительность к флюенсу нейтронов с тенденцией к насыщению при F ≈ 10¹³ - 10¹⁴ нейтр/см², а другой - U_{кб пр} начинает заметно увеличиваться при значениях флюенса, больших 10¹³ нейтр/см², и сохраняет эту зависимость до величин F, больших 10¹⁷ нейтр/см².

Рассмотрим температурную зависимость напряжений пробоя
U_{кб опр}(Т) = U_{кб опр}(Т_o) [1 + С_т(Т - Т_o)] , (9) где U_{кб опр}(Т) - напряжение пробоя коллектор-базового перехода при температуре Т;
U_{кб опр}(Т_o) - напряжение пробоя коллектор-базового перехода при температуре Т_о;
С_т - температурный коэффициент напряжения пробоя
С_т = 6,5 ˙10^-4 1/^оС для Si,
С_т = 1,2 ˙10^-3 1/^оС для Ge.

Подставляя значение U_{кб опр}(Т) в формулу (5) и учитывая компенсирующее влияние α_o (7), получим, что у германиевых транзисторов U_{кб опр}(Т) меняется на 1,2% в диапазоне температур от -60^оС до +60^оС, а для кремниевых на 0,5% , или соответственно на 6 мВ/^oC и 2,5 мВ/^оС.

Учитывая сложный характер зависимости изменения напряжения пробоя от воздействия нейтронного излучения и практическую невозможность ее строго аналитического вывода, была проведена большая экспериментальная работа по выявлению этой зависимости и ее аппроксимации.

Установлено, что зависимость F(U_{кэ пр}) при небольших увеличениях U_{кэ пр} близка к линейной и пропорциональна (U_{кэ опр}/U _кбопр)³. При дальнейшем увеличении U_{кэ пр} зависимость F(U_{кэ пр}) перерастает в степенную с показателем степени (1,9 + U_{кэ опр}/U_{кб опр}).

Вследствие этого предлагается определить флюенс нейтронов по формулам (1) и (2). Величина F = 10¹² нейтр/см² выбрана по минимальному отклонению экспериментально снятых характеристик F (U_{кэ пр}) от аппроксимированных данными функциями. Погрешность аппроксимации для всех исследуемых транзисторов составила не более +20% при доверительной вероятности Р = 0,95.

Приведем результаты определения флюенса кремниевыми планарно-эпитаксиальными транзисторами.

Исследования проводились на ядерном реакторе быстрых нейтронов.

В основном использовался статистический режим работы реактора, что позволило экспериментально установить зависимость изменения U_{кэ пр}от флюенса нейтронов в процессе облучения. Мониторирование осуществлялось штатными средствами.

Вблизи начальных значений измеряемого флюенса чувствительность составила [(2. . . 3) ˙10⁸ нейтр/см²] /мВ в зависимости от значений U_{кб опр}, U_{кэ опр}.

Напряжения шумов составили около 0,5 мВ, что определило нижнюю границу измеряемого флюенса ≈2˙10⁸ нейтр/см².

Для удобства, напряжения пробоя измерялись в милливольтах. При этом коэффициенты в формулах (1) и (2) принимались следующими:
A = 1,15 ˙10⁹; В = 1,09 ˙10⁴; К_т = 2,5.

В этом случае установленная зависимость представляется в виде
F= 1.15×10⁹×(U_кэопр/U_кбопр)³×[U_кэпр-U_кэопр+2.5(T-T_о)] (10) при F меньше 10¹² нейтр/см², F= 1.09×10⁴×[U_кэпр-U_кэопр+2.5(T-T_о)] ^(1,9+Uкэопр^/Uкбопр⁾ (11) при F больше 10¹² нейтр/см².
Изложенные материалы показывают, что использование предлагаемого способа может найти широкое применение для обеспечения дозиметрического сопровождения радиационных исследований и испытаний на ядерно-физических установках.

На фиг. 1 приведены экспериментально снятые зависимости F = f(U_{кэ пр} - U_{кэ опр}) при максимально достигнутом флюенсе нейтронов 1,1 ˙10¹⁵ нейтр/см² (сплошные кривые) и установленные по соотношениям 10, 11 (пунктирные кривые); на фиг. 2 показаны те же зависимости при флюенсах нейтронов до 10¹² нейтр/см².

Из анализа материалов, представленных на фиг. 2, следует, что характер зависимости F = f(U_{кэ пр} - U_{кэ опр}) не изменился, из чего можно сделать вывод, что радиационный ресурс транзисторов далеко не исчерпан.

Таким образом, применение способа позволило значительно упростить определение флюенса нейтронов и на порядок увеличить чувствительность по сравнению с аналогами.

Использование описываемого способа может найти широкое применение для обеспечения дозиметрического сопровождения радиационных исследований и испытаний на ядерно-физических установках. (56) 1. Франк М. , Штольц В. "Твердотельная дозиметрия ионизирующего излучения". М. : Атомиздат, 1973.

2. Bernt H. , Keil G. , Ruge I. In Solid State and Chemical Radiotion Dosimetry in Medicine and Biology, Intern Atomic Energy Agency Vienna, 1967, p. 197.

3. Тезисы докладов на V Всесоюзном совещании по метрологии нейтронного излучения на реакторах и ускорителях. М. , 1990.

Формула изобретения

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФЛЮЕНСА НЕЙТРОНОВ, основанный на измерении изменяющегося напряжения пробоя биполярного транзистора под воздействием облучения, отличающийся тем, что, с целью увеличения чувствительности и упрощения способа, у транзистора перед облучением измеряют величины пробивных напряжений при включении с общей базой при разомкнутом эмиттере и при включении с общим эмиттером при разомкнутой базе, после облучения измеряют изменившееся напряжение пробоя при включении с общим эмиттером при разомкнутой базе, а флюенс определяют по формулам
F= A[U_кэпр-U_кэопр+K_т(T-T_о)]
при F меньше 10¹² нейтр/см²,
F= B×[U_кэпр-U_кэопр+K_т(T-T_о)]
при F больше 10¹² нейтр/см²,
где A, B - постоянные коэффициенты, зависящие от материала и типа транзистора;
U_кбопр - напряжение пробоя транзистора, включенного по схеме с общей базой при разомкнутом эмиттере до облучения;
U_кэопр - напряжение пробоя транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером при разомкнутой базе до облучения;
U_кэпр - напряжение пробоя транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером при разомкнутой базе после воздействия флюенса нейтронов F;
K_т - температурный коэффициент напряжения пробоя;
T - температура, при которой измерялось U_кэпр;
T_о - температура, при которой измерялось U_кэопр.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2