Способ измерения флюенса быстрых нейтронов полупроводниковым детектором
Владельцы патента RU 2339975:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский политехнический университет" (RU)
Изобретение относится к области радиационных технологий, а также к эксплуатации ядерных установок и ускорителей. Технический результат - широкий диапазон измеряемого флюенса быстрых нейтронов (1010-1018 см-2), одна исходная для данного спектра нейтронов калибровка детектора с любым исходным удельным электрическим сопротивлением, при этом калибровка не меняется при использовании детекторов с любым другим удельным электрическим сопротивлением. Способ включает калибровку детектора, в качестве которого используют простейший полупроводник без p-n переходов - монокристаллический кремний, измерение удельного электрического сопротивления монокристаллического кремния до и после облучения, облучение неизвестным флюенсом быстрых нейтронов, определение флюенса быстрых нейтронов по изменению удельной электрической проводимости в монокристаллическом кремнии за счет образования в нем радиационных дефектов от быстрых нейтронов, причем флюенс быстрых нейтронов вычисляют по формуле: , где К - коэффициент пропорциональности, который постоянен для измеряемого спектра нейтронов и не зависит от исходного удельного электрического сопротивления, коэффициент К определяют при калибровке детекторов, ρ0 - исходное удельное электрическое сопротивление, которое измеряют перед облучением детектора, ρ - конечное удельное электрическое сопротивление, которое измеряют после облучения детектора флюенсом F быстрых нейтронов. 3 табл.
Изобретение относится к области радиационных технологий, а также к эксплуатации ядерных установок и ускорителей.
Принцип действия полупроводниковых детекторов основан на изменении электрофизических свойств полупроводников под действием излучения. Взаимодействие излучения с полупроводником сопровождается образованием в его кристаллической решетке разного рода структурных нарушений. Это приводит к появлению в запрещенной зоне локальных энергетических уровней и изменению таких параметров полупроводника, как концентрация носителей заряда, фоточувствительность, подвижность, время жизни носителей, оптическое поглощение и т.п. Особенно чувствительны полупроводники к воздействию быстрыми нейтронами, которые создают в кристалле наиболее существенные и устойчивые дефекты структуры решетки. Это свойство полупроводников используют для измерения флюенса быстрых нейтронов.
Известен способ измерения флюенса быстрых нейтронов полупроводниковым детектором, основанный на зависимости тока короткого замыкания диода от флюенса быстрых нейтронов (Крамер-Агеев Е.А., Пархомов А.Г. Применение полупроводниковых детекторов для дозиметрии в интенсивных гамма-нейтронных полях. - ПТЭ, 1976, №3, с.56-57).
Известен также способ измерения флюенса быстрых нейтронов полупроводниковым детектором, основанный на изменении падения напряжения на прямой ветви вольт-амперной характеристики диода под действием быстрых нейтронов (Крамер-Агеев Е.А., Миронов Ю.А., Синицын А.Д., Трошин B.C. Нейтронные аварийные дозиметры на основе кремниевых промышленных полупроводниковых диодов. «Вопросы дозиметрии и защиты от излучений», Москва, №19, 1980, с.61-66).
Наиболее близким к заявляемому является способ измерения флюенса быстрых нейтронов полупроводниковым детектором, включающий в себя калибровку детектора, измерение электрофизических параметров детектора до и после облучения, облучение неизвестным флюенсом быстрых нейтронов (А.С. №934402, опубл. 07.06.82, БИ №21). При этом в качестве электрофизического параметра используют электрическое сопротивление между первой и второй базами в однопереходном транзисторе, иначе называемым двухбазовым диодом, КТ117. Формула, связывающая флюенс быстрых нейтронов с изменением межбазового сопротивления, имеет вид
где К - коэффициент пропорциональности, который определяют при калибровке каждого конкретного детектора, R0, R - межбазовое сопротивление КТ117 соответственно до и после облучения, F - флюенс быстрых нейтронов.
Основной недостаток всех указанных способов связан со значительным разбросом исходных параметров даже у однотипных приборов серийного выпуска. Поэтому каждый такой прибор требует индивидуальной калибровки, после которой восстановление исходных параметров при высокотемпературном отжиге часто невозможно из-за разрушения внутренней структуры приборов. Например, межбазовое сопротивление КТ117 зависит не только от удельного электрического сопротивления кремния на этом участке, но и от геометрии этого участка и электрических контактов баз. Все это меняется от прибора к прибору.
Техническим результатом изобретения является: 1) использование в качестве детектора простейшего полупроводника без p-n переходов - монокристаллического кремния, 2) широкий диапазон измеряемого флюенса быстрых нейтронов (1010-1018 см-2), 3) одна исходная для данного спектра нейтронов калибровка детектора с любым исходным удельным электрическим сопротивлением, при этом калибровка не меняется при использовании детекторов с любым другим удельным электрическим сопротивлением.
Это достигается тем, что в известном способе измерения флюенса быстрых нейтронов полупроводниковым детектором, включающем калибровку детектора, измерение электрофизических параметров детектора до и после облучения, облучение неизвестным флюенсом быстрых нейтронов, согласно изобретению до и после облучения измеряют удельное электрическое сопротивление монокристаллического кремния, а флюенс быстрых нейтронов определяют по изменению удельной электрической проводимости в монокристаллическом кремнии за счет образования в нем радиационных дефектов от быстрых нейтронов, причем флюенс быстрых нейтронов вычисляют по формуле:
где К - коэффициент пропорциональности, который постоянен для измеряемого спектра нейтронов и не зависит от исходного удельного электрического сопротивления, коэффициент К определяют при калибровке детекторов, ρ0 - исходное удельное электрическое сопротивление, которое измеряют перед облучением детектора, ρ - конечное удельное электрическое сопротивление, которое измеряют после облучения детектора флюенсом F быстрых нейтронов.
Суть изобретения заключается в том, что в предлагаемом способе измеряют удельное электрическое сопротивление в монокристаллическом кремнии до и после его облучения, при этом между изменением проводимости (1/ρ0-1/ρ) и флюенсом нейтронов F существует линейная связь, причем коэффициент пропорциональности К один и тот же для любого исходного сопротивления ρ0. Это, во-первых, снижает трудоемкость калибровки детекторов для каждого конкретного спектра нейтронов, во-вторых, уменьшает погрешность измерений, в-третьих, позволяет измерять широкий диапазон флюенса быстрых нейтронов, от 1010 до 1018 см-2, соответствующим выбором исходного сопротивления монокристаллического кремния.
Возможность осуществления способа подтверждается следующими экспериментами, проведенными на исследовательском ядерном реакторе типа ИРТ-Т мощностью 6 МВт в г.Томске. Эксперименты проводились с помощью существующей с 1984 года технологии нейтронно-трансмутационного легирования кремния, базирующейся на горизонтальном экспериментальном канале ГЭК-4. Имеется печь отжига радиационных дефектов типа СУЗН1.6, установки для измерения удельного электрического сопротивления 4-зондовым методом, времени жизни неосновных носителей заряда, типа проводимости, станки для резки и шлифовки слитков, химический участок подготовки кремния к облучению и его дезактивации. С помощью этой технологии были заготовлены шайбы монокристаллического кремния с удельным электрическим сопротивлением от 1,5 Ом·см до 20 кОм·см. Измерения удельного электрического сопротивления проводились 4-зондовым методом по 15 точкам. Погрешность измерения среднего по торцу шайбы удельного сопротивления не превышала 2%. Измерения сопротивлений проводились до и после облучения. При необходимости, облученные шайбы возвращались к исходному сопротивлению путем отжига радиационных дефектов при температуре 800°С в течение 2 часов. Контроль за флюенсом быстрых нейтронов осуществляли с помощью порогового серного активационного детектора, показывающего интегральную плотность потока нейтронов с энергией выше 3 МэВ. Облучение шайб проводили в двух горизонтальных экспериментальных каналах, ГЭК-4 и ГЭК-10. В Гэк-4 шайбы облучали в самом экспериментальном канале, а в ГЭК-10 - за пределами канала, на выведенном пучке нейтронов. Предварительно в этих каналах по методике, рекомендованной Всероссийским научно-исследовательским институтом физико-технических и радиационных измерений, измеряли спектр нейтронов, представленный в таблице 1. Дефектообразование в кремнии становится заметным уже при энергии 10 кэВ. Поэтому интегральные потоки нейтронов свыше 3 МэВ (показания серных активационных детекторов) пересчитывались в интегральные потоки нейтронов с энергией свыше 10 кэВ в соответствии со спектрами нейтронов в каналах ГЭК-4 и ГЭК-10. Так, в ГЭК-4 доля нейтронов с энергией больше 10 кэВ составляет 0,506, а с энергией свыше 3 МэВ - 0,0329, поэтому коэффициент пересчета равен 0,506/0,0329=15,38. Для ГЭК-10 аналогичный коэффициент пересчета равен 0,551/0,0557=9,89. В таблице 2 приведены результаты эксперимента в ГЭК-4, а в таблице 3 - в ГЭК-10. Для канала ГЭК-4 коэффициент пропорциональности равен 1,403·1016 Ом·см-1, а для канала ГЭК-10 - 9,828·1015 Ом·см-1.
| Таблица 1 | |||||||
| Интегральные спектры нейронов (F) в ГЭК-4 и ГЭК-10. | |||||||
| Е, МэВ | F, ГЭК-4 | F, ГЭК-10 | Погрешность, % | Е, МэВ | F, ГЭК-4 | F, ГЭК-10 | Погрешность, % |
| 1 | 2 | 3 | 4 | 1 | 2 | 3 | 4 |
| 1.0*10-6 | 1.00*100 | 1.00*100 | 15 | 1.7 | 8.64*10-2 | 1.25*10-1 | 15 |
| 2.0*10-6 | 9.49*10-1 | 9.73*10-1 | 15 | 2.0 | 6.59*10-2 | 1.03*10-1 | 15 |
| 3.0*10-6 | 8.75*10-1 | 8.82*10-1 | 15 | 2.3 | 5.12*10-2 | 8.49*10-2 | 15 |
| 1.0*10-5 | 8.76*10-1 | 8.82*10-1 | 15 | 2.6 | 4.07*10-2 | 7.06*10-2 | 15 |
| 3.0*10-5 | 8.02*10-1 | 8.38*10-1 | 15 | 3.0 | 3.29*10-2 | 5.57*10-2 | 15 |
| 1.0*10-4 | 7.40*10-1 | 7.82*10-1 | 15 | 3.5 | 2.56*10-2 | 4.15*10-2 | 15 |
| 2.0*10-4 | 6.78*10-1 | 7.50*10-1 | 15 | 4.0 | 1.90*10-2 | 3.08*10-2 | 15 |
| 5.0*10-4 | 6.44*10-1 | 7.06*10-1 | 15 | 4.5 | 1.41*10-2 | 2.28*10-2 | 15 |
| 1.0*10-3 | 6.00*10-1 | 6.71*10-1 | 15 | 5.0 | 1.04*10-2 | 1.68*10-2 | 15 |
| 2.0*10-3 | 5.70*10-1 | 6.36*10-1 | 15 | 5.5 | 7.69*10-3 | 1.22*10-2 | 17 |
| 5.0*10-3 | 5.42*10-1 | 5.88*10-1 | 18 | 6.0 | 5.64*10-3 | 8.91*10-3 | 18 |
| 1.0*10-2 | 5.06*10-1 | 5.51*10-1 | 20 | 6.5 | 4.10*10-3 | 6.44*10-3 | 20 |
| 2.0*10-2 | 4.80*10-1 | 5.13*10-1 | 20 | 7.0 | 2.95*10-3 | 4.64*10-3 | 21 |
| 4.0*10-2 | 4.50*10-1 | 4.74*10-1 | -20 | 7.5 | 2.11*10-3 | 3.55*10-3 | 23 |
| 6.0*10-2 | 4.16*10-1 | 4.50*10-1 | 20 | 8.0 | 1.51*10-3 | 2.41*10-3 | 24 |
| 1.0*10-1 | 3.93*10-1 | 4.18*10-1 | 20 | 8.5 | 1.08*10-3 | 1.75*10-3 | 26 |
| 2.0*10-1 | 3.59*10-1 | 3.68*10-1 | 20 | 9.0 | 7.65*10-4 | 1.27*10-3 | 27 |
| 3.0*10-1 | 3.04*10-1 | 3.34*10-1 | 20 | 1.0*101 | 5.41*10-4 | 6.79*10-4 | 30 |
| 4.0*10-1 | 2.68*10-1 | 3.07*10-1 | 20 | 1.1*101 | 2.65*10-4 | 3.67*10-4 | 30 |
| 5.0*10-1 | 2.39*10-1 | 2.85*10-1 | 20 | 1.2*101 | 1.26*10-4 | 2.00*10-4 | 30 |
| 6.0*10-1 | 2.14*10-1 | 2.65*10-1 | 20 | 1.3*101 | 5.84*10-5 | 1.10*10-4 | 30 |
| 8.0*10-1 | 1.93*10-1 | 2.30*10-1 | 18 | 1.45*101 | 2.60*10-5 | 4.50*10-5 | 30 |
| 1.0 | 1.55*10-1 | 2.00*10-1 | 15 | 1.60*101 | 7.32*10-6 | 1.75*10-5 | 30 |
| 1.2 | 1.27*10-1 | 1.75*10-1 | 15 | 1.75*101 | 1.86*10-6 | 5.50*10-6 | 30 |
| 1.4 | 1.04*10-1 | 1.52*10-1 | 15 | 1.90*101 | 0.00 | 0.00 | |
| 1.4 | 1.04*10-1 | 1.52*10-1 | 15 |
В таблицах 2 и 3 представлены также погрешности определения флюенса быстрых нейтронов в соответствии с формулой:
где Fs - флюенс быстрых нейтронов, полученный в эксперименте по показаниям серного активационного детектора и пересчитанный на диапазон энергий 10 кэВ - 19 МэВ в соответствии со спектром нейтронов в канале реактора, где облучался детектор; Fдет - флюенс быстрых нейтронов, полученный в соответствии с формулой (2) по изменению удельного сопротивления и по средним значениям коэффициентов К.
| Таблица 2 | |||||
| Результаты экспериментов в канале ГЭК-4 | |||||
| ρ0, Ом·см | 1/ρ0-1/ρ | Fs | К | Fдет | δ, % |
| 1,5 | 1,667Е-01 | 2,303Е+15 | 1,382Е+16 | 2,338Е+15 | -1,5 |
| 1,5 | 3,333Е-01 | 4,607Е+15 | 1,382Е+16 | 4,675Е+15 | -1,5 |
| 1,5 | 5,447Е-01 | 7,678Е+15 | 1,410Е+16 | 7,640Е+15 | 0,5 |
| 1,5 | 6,282Е-01 | 8,830Е+15 | 1,406Е+16 | 8,811Е+15 | 0,2 |
| 20,5 | 1,545Е-02 | 2,303Е+14 | 1,491Е+16 | 2,167Е+14 | 5,9 |
| 20,5 | 3,211E-02 | 4,607Е+14 | 1,435Е+16 | 4,504Е+14 | 2,2 |
| 20,5 | 4,592Е-02 | 6,373Е+14 | 1,388Е+16 | 6,441Е+14 | -1,1 |
| 30 | 8,333Е-03 | 1,152Е+14 | 1,382Е+16 | 1,169Е+14 | -1,5 |
| 30 | 1,667Е-02 | 2,303Е+14 | 1,382Е+16 | 2,338Е+14 | -1,5 |
| 30 | 2,222Е-02 | 3,071Е+14 | 1,382Е+16 | 3,117Е+14 | -1,5 |
| 30 | 2,833Е-02 | 3,954Е+14 | 1,396Е+16 | 3,974Е+14 | -0,5 |
| 50 | 5,714Е-03 | 7,678Е+13 | 1,344Е+16 | 8,015Е+13 | -4,4 |
| 50 | 7,879Е-03 | 1,152Е+14 | 1,462Е+16 | 1,105Е+14 | 4,0 |
| 50 | 1,500Е-02 | 2,111Е+14 | 1,408Е+16 | 2,104Е+14 | 0,4 |
| 50 | 1,889Е-02 | 2,649Е+14 | 1,402Е+16 | 2,649Е+14 | 0,0 |
| 250 | 2,750Е-03 | 3,839Е+13 | 1,396Е+16 | 3,857Е+13 | -0,5 |
| 250 | 3,844Е-03 | 5,375Е+13 | 1,398Е+16 | 5,391Е+13 | -0,3 |
| Сумма = 2,384Е+17 | |||||
| Средний коэффициент К=1,403Е+16 |
| Таблица 3 | |||||
| Результаты экспериментов в канале ГЭК-10 | |||||
| ρ0, Ом·см | 1/ρ0-1/ρ | Fs | К | Fдет | δ, % |
| 270 | 1,072Е-03 | 1,070Е+13 | 9,979Е+15 | 1,054E+13 | 1,5 |
| 270 | 2,704Е-03 | 2,675Е+13 | 9,893Е+15 | 2,657Е+13 | 0,7 |
| 270 | 3,495Е-03 | 3,386Е+13 | 9,688Е+15 | 3,435Е+13 | -1,4 |
| 710 | 4,085Е-04 | 4,012Е+12 | 9,823Е+15 | 4,014Е+12 | -0,1 |
| 710 | 9,085Е-04 | 8,880Е+12 | 9,775Е+15 | 8,928Е+12 | -0,5 |
| 710 | 1,075Е-03 | 1,043Е+13 | 9,703Е+15 | 1,057Е+13 | -1,3 |
| 710 | 1,308Е-03 | 1,284Е+13 | 9,812Е+15 | 1,286Е+13 | -0,2 |
| 1140 | 3,772Е-04 | 3,691Е+12 | 9,786Е+15 | 3,707Е+12 | -0,4 |
| 1140 | 5,439Е-04 | 5,350Е+12 | 9,836Е+15 | 5,345Е+12 | 0,1 |
| 1140 | 8,272Е-04 | 8,131Е+12 | 9,830Е+15 | 8,130Е+12 | 0,0 |
| 2000 | 1,667Е-04 | 1,605Е+12 | 9,629Е+15 | 1,638Е+12 | -2,1 |
| 2000 | 2,674Е-04 | 2,675Е+12 | 1,000Е+16 | 2,628Е+12 | 1,7 |
| 2000 | 3,750Е-04 | 3,745Е+12 | 9,986Е+15 | 3,686Е+12 | 1,6 |
| 2000 | 4,697Е-04 | 4,601Е+12 | 9,795Е+15 | 4,616Е+12 | -0,3 |
| 14000 | 2,143Е-05 | 2,140Е+11 | 9,986Е+15 | 2,106Е+11 | 1,6 |
| 14000 | 5,476Е-05 | 5,350Е+11 | 9,769Е+15 | 5,382Е+11 | -0,6 |
| 14000 | 6,721Е-05 | 6,580Е+11 | 9,790Е+15 | 6,605Е+11 | -0,4 |
| Сумма = 1,671Е+17 | |||||
| Средний коэффициент К=9,828Е+15 |
Положительный результат заключается в том, что при известном спектре нейтронов монокристаллический кремний без p-n-переходов можно с хорошей точностью использовать в качестве детектора быстрых нейтронов. Калибровку детектора можно осуществить даже в одном единственном облучении шайбы кремния с любым исходным удельным сопротивлением. При этом калибровка остается той же самой и для кремния с любым другим исходным удельным сопротивлением. Если же спектр нейтронов не известен, то флюенс нейтронов получают не в абсолютных значениях, а в относительных. Кроме того, каждый монокристалл можно использовать многократно, либо отжигая радиационные дефекты для перевода удельного сопротивления в исходное значение, либо облучая ранее облученную шайбу, принимая за исходное сопротивление то, которое имел облученный монокристалл перед следующим облучением.
Способ измерения флюенса быстрых нейтронов полупроводниковым детектором, включающий калибровку детектора, измерение электрофизических параметров детектора до и после облучения, облучение неизвестным флюенсом быстрых нейтронов, отличающийся тем, что до и после облучения измеряют удельное электрическое сопротивление монокристаллического кремния, а флюенс быстрых нейтронов определяют по изменению удельной электрической проводимости в монокристаллическом кремнии за счет образования в нем радиационных дефектов от быстрых нейтронов, причем флюенс быстрых нейтронов вычисляют по формуле
,
где К - коэффициент пропорциональности, который постоянен для измеряемого спектра нейтронов и не зависит от исходного удельного электрического сопротивления, коэффициент К определяют при калибровке детекторов, ρ0 - исходное удельное электрическое сопротивление, которое измеряют перед облучением детектора, ρ - конечное удельное электрическое сопротивление, которое измеряют после облучения детектора флюенсом F быстрых нейтронов.
