Способ измерения флюенса быстрых нейтронов с помощью полупроводникового детектора



Способ измерения флюенса быстрых нейтронов с помощью полупроводникового детектора
Способ измерения флюенса быстрых нейтронов с помощью полупроводникового детектора

 


Владельцы патента RU 2553840:

Объединенный Институт Ядерных Исследований (RU)

Изобретение относится к области радиационных технологий, а также к исследованиям, созданию и эксплуатации ядерных установок и ускорителей. Технический результат - повышение динамического диапазона измерений флюенса быстрых нейтронов (108-1016 см-2), отсутствие калибровка детектора, возможность измерения эквивалентного флюенса быстрых нейтронов с энергией 1 МэВ при неизвестном спектре. Способ включает измерение вольтамперной характеристики (ВАХ) полупроводникового детектора до и после облучения, в качестве которого используется планарный кремниевый детектор из высокоомного монокристаллического кремния n- или p-типа проводимости с p-n переходом и исходным удельным сопротивлением ρ>1 кОм×см, облучение неизвестным флюенсом быстрых нейтронов, определение флюенса быстрых нейтронов по приращению объемного термогенерационного (темнового) обратного тока детектора за счет образования в нем электрически активных радиационных дефектов от быстрых нейтронов, причем флюенс быстрых нейтронов определяют по формуле: Ф = Δ I α I × V , где: Ф (см-2) - эквивалентный флюенс быстрых нейтронов с энергией 1 МэВ, ΔI=(I1-I0) (A) - измеренное приращение темнового обратного тока детектора после облучения, I0 - ток детектора до облучения при напряжении полного обеднения, приведенный к температуре +20°C, I1 - ток детектора после облучения при напряжении полного обеднения, приведенный к температуре +20°C, αI=(5±0.5)×10-17 (А/см) - токовая константа радиационных повреждений кремния для быстрых нейтронов с энергией 1 МэВ при температуре +20°C без учета самоотжига, V=d×S (см3) - объем детектора при напряжении полного обеднения, d - толщина (см) детектора (измеряется), S - активная площадь (см2) детектора (площадь p-n перехода, известна с высокой точностью из топологии детектора).

 

Изобретение относится к области радиационных технологий, а также к исследованиям, созданию и эксплуатации ядерных установок и ускорителей.

Принцип действия полупроводниковых (п/п) детекторов ионизирующих излучений основан на ионизации п/п материала детектора при попадании в детектор заряженных частиц или квантов электромагнитного излучения. При этом образуются заряды первичной ионизации, электроны и дырки, которые, дрейфуя в электрическом поле детектора, индуцируют электрический сигнал, пропорциональный потерям энергии частицы на ионизацию в детекторе. Кроме потерь энергии частиц (квантов) на ионизацию п/п материала детектора часть энергии теряется на создание структурных дефектов в п/п кристаллической решетке. Этот вид потерь энергии частиц (квантов) называется неионизирующие потери энергии (NIEL - Non Ionising Energy Losses). Структурные дефекты, создаваемые быстрыми нейтронами в кремнии, образуют электрически активные энергетические уровни (глубокие центры - ГЦ) внутри запрещенной зоны. Возникновение ГЦ в п/п материалах под действием быстрых нейтронов приводит к изменению основных параметров материала (кремния) детектора, таких как концентрация и время жизни носителей заряда. Изменение этих двух основных параметров п/п материала при воздействии быстрых нейтронов приводит к изменению удельного сопротивления в объеме детектора и к линейному росту термогенерационнного (темнового) тока детектора от флюенса быстрых нейтронов. При облучении быстрыми нейтронами высокоомного кремния n-типа сначала происходит увеличение удельного сопротивления за счет компенсации исходной донорной примеси (фосфор) радиационными дефектами, затем наступает точка инверсии типа проводимости из n-типа в p-тип и затем уменьшение удельного сопротивления p-типа. Величина флюенса быстрых нейтронов, при котором происходит инверсия типа проводимости, зависит от исходной величины удельного сопротивления кремния и составляет обычно Фн~1012÷1013 н/см2 для детекторного кремния с удельным сопротивлением (8÷3) кОм×см. Для исходного кремния p-типа при облучении быстрыми нейтронами происходит всегда уменьшение удельного сопротивления за счет роста концентрации ГЦ (комплексов) акцепторного типа. Величина времени жизни носителей заряда п/п материала при облучении быстрыми нейтронами (заряженными частицами и фотонами) всегда уменьшается, и это приводит к росту термогенерационного тока в объеме детектора. Перечисленные выше эффекты в п/п материалах могут использоваться в приборах для измерения флюенса быстрых нейтронов и заряженных частиц. Известны способы измерения флюенса быстрых нейтронов на основе изменения электрофизических параметров полупроводниковых приборов. К таким способам измерения флюенса можно отнести следующие:

- Изменение падения напряжения на прямой ветви вольт-амперной характеристики кремниевого диода при облучении быстрыми нейтронами (Крамер-Агеев А.Е. и др. Нейтронные аварийные дозиметры на основе кремниевых промышленных полупроводниковых диодов. «Вопросы дозиметрии и защиты от излучений», Москва, №19, 1980, с.61-66).

- Изменение электрического сопротивления между первой и второй базами в однопереходном транзисторе КТ117, или двухбазовый диод (А.С. №934402, опубликован 07.06.82, БИ №21).

Наиболее близким к заявляемому способу является способ измерения флюенса быстрых нейтронов полупроводниковым детектором без (p-n)-перехода, включающий калибровку детектора, измерение электрофизических параметров детектора до и после облучения, облучение неизвестным флюенсом быстрых нейтронов (А.С. RU 2339975 C1). В качестве меняющегося под действием облучения быстрыми нейтронами электрофизического параметра детектора авторы используют удельное электрическое сопротивление монокристаллического кремния, а флюенс быстрых нейтронов определяют по формуле:

где K - коэффициент пропорциональности, определяемый при калибровке для измеряемого спектра нейтронов и не зависит от исходного удельного электрического сопротивления;

ρ0 - исходное удельное электрическое сопротивление до облучения;

ρ - удельное сопротивление после облучения детектора флюенсом F быстрых нейтронов.

Основной недостаток первых двух способов с использованием промышленных приборов состоит в том, что из-за разброса исходных параметров таких приборов требуется индивидуальная калибровка каждого прибора, после которой практически невозможно восстановить исходные параметры (с помощью температурного отжига).

К недостаткам способа измерения флюенса быстрых нейтронов по изменению удельного электрического сопротивления монокристаллического кремния можно отнести следующие моменты:

- В описании способа не указан тип проводимости кремния, скорее всего, авторы использовали кремний p-типа проводимости, иначе для высокоомного кремния n-типа приведенная формула будет несправедливой при флюенсах до инверсии типа проводимости.

- Из приведенных таблиц с экспериментальными данными видно, что для каждого диапазона значений флюенсов быстрых нейтронов необходимо подбирать детектор с оптимальным значением начального удельного электрического сопротивления.

Техническим результатом изобретения является:

1) Возможность измерения эквивалентного флюенса быстрых нейтронов с энергией 1 МэВ при неизвестном спектре и без калибровки детектора.

2) Использование недорогих кремниевых планарных детекторов малой площади 5÷100 мм2 с (p-n)-переходом на высокоомном монокристаллическом кремнии с надежными металлизированными контактами для измерений тока.

3) Большой диапазон измеряемого флюенса быстрых нейтронов 108÷1016 см-2.

4) Возможность проведения измерений с облученными детекторами сразу после снятия детектора из зоны облучения, т.к. наведенная активность будет ничтожно мала из-за малой массы детектора (детектор площадью 1 см2 и толщиной 1 мм весит 0.23 г).

Технический результат изобретения достигается тем, что в данном способе измерения флюенса быстрых нейтронов полупроводниковым детектором, включающем измерение электрофизических параметров детектора до и после облучения, облучение неизвестным флюенсом быстрых нейтронов, согласно изобретению до и после облучения измеряют обратный темновой ток детектора при напряжении полного обеднения, а флюенс быстрых нейтронов определяют по приращению темнового обратного тока детектора при напряжении полного обеднения за счет образования в чувствительном объеме детектора радиационных дефектов от быстрых нейтронов, при этом флюенс быстрых нейтронов вычисляют по формуле:

где Ф (см-2) - эквивалентный флюенс быстрых нейтронов с энергией 1 МэВ;

ΔI=(I1-I0) (А) - измеренное приращение темнового обратного тока детектора после облучения, I0 - ток детектора до облучения при напряжении полного обеднения, приведенный к температуре +20°C, I1 - ток детектора после облучения при напряжении полного обеднения, приведенный к температуре +20°C;

αI=(5±0.5)×10-17 (А/см) - токовая константа повреждений кремния для быстрых нейтронов с энергией 1 МэВ при температуре +20°C без учета самоотжига;

V=d×S (см3) - чувствительный объем детектора при напряжении полного обеднения, d - толщина (см) детектора (измеряется), S - активная площадь (см2) детектора (площадь p-n-перехода, известна с высокой точностью из топологии детектора).

Суть изобретения заключается в том, что в предлагаемом способе измеряется темновой обратный ток детектора при напряжении (не ниже) полного обеднения детектора до и после облучения. Между приращением темнового обратного тока детектора и эквивалентным флюенсом Ф быстрых нейтронов с энергией 1 МэВ существует линейная связь, при этом коэффициент αI - токовая константа повреждений кремния для быстрых нейтронов с энергией 1 МэВ при температуре +20°C без учета самооотжига, не зависит от типа проводимости и величины удельного электрического сопротивления. Это позволяет, во-первых, измерять эквивалентный флюенс быстрых нейтронов с энергией 1 МэВ для неизвестного спектра нейтронов, во-вторых, измерять флюенс быстрых нейтронов без калибровки детекторов, что упрощает процесс измерений, в-третьих, измерять широкий диапазон быстрых нейтронов от 108 до 1016 см-2 с помощью детекторов разной площади и толщины.

Подтверждение практического применения данного способа измерений флюенса быстрых нейтронов продемонстрировано в экспериментах на исследовательской установке КВИНТА (ОИЯИ, Дубна) и на импульсном реакторе быстрых нейтронов ИБР-2 (ОИЯИ, Дубна).

При исследовании радиационной стойкости п/п детекторов на канале №3 реактора ИБР-2 в упаковку исследуемых детекторов помещались известные детекторы-спутники. После окончания облучения исследуемых детекторов мы быстро получали информацию о флюенсе быстрых нейтронов по детекторам-спутникам, эти цифры хорошо согласуются с измерениями нейтронно-активационного анализа (НАА).

Исследовательская установка КВИНТА состоит из сборки урана (238U) и облучается на одном из каналов сверхпроводящего ускорителя ионов НУКЛОТРОН пучком релятивистских дейтронов с разной энергией от 1 до 4 ГэВ/н. Одной из физических задач является измерение потоков быстрых нейтронов в разных точках установки (как внутри мишени, так и снаружи защиты). В качестве примера в таблице 1 приведены для одной из экспозиций результаты измерений флюенса быстрых нейтронов на установке КВИНТА в 12-ти точках, расположенных снаружи свинцовой защиты. В таблице 1 приведены реальные значения параметров детекторов до и после облучения быстрыми нейтронами. Значения измеряемых токов детекторов, приведенных к температуре +20°, лежат в пределах 1 нА (значения токов в диапазоне 1 нА легко измерять) до облучения при полном обеднении детектора (Ud=100 В) и возрастают до сотен нА при облучении быстрыми нейтронами до флюенса Ф=1012 см-2. Величина приращения темнового обратного тока детектора пропорциональна объему детектора, поэтому для измерений очень низких значений флюенса целесообразно применять детекторы с большим объемом, увеличивая толщину или площадь детектора. Из таблицы 1 видно, что детектор №1 при площади 13 мм2 и толщине 515 мкм позволил измерить флюенс 3×109 см-2, если взять детектор площадью 1 см2 и толщиной 1 мм, то чувствительность вырастет в 15 раз и соответственно уже можно измерять флюенсы от 2×108 см-2.

Таблица 1
№ дет. S, см2 d, см V, см3 I0, A I1, A ΔI, А Ф, см-2
1 0.13 0.0515 0.006695 6.77E-10 1.67E-9 9.93Е-10 2.97Е+9
2 0.13 0.0516 0.006708 8.99E-10 2.39E-9 1.49Е-9 4.45Е+9
3 0.13 0.03 0.0039 3.88E-9 1.410E-8 1.02Е-8 5.24Е+10
4 0.13 0.03 0.0039 3.87E-9 1.025E-8 6.38Е-9 3.28Е+10
5 0.13 0.0298 0.003874 2.16E-9 1.423E-8 1.21Е-8 6.24Е+10
6 0.13 0.0299 0.003887 4.48E-10 1.578E-8 1.53Е-8 7.89Е+10
7 0.13 0.03 0.0039 5.73E-11 8.552E-8 8.55Е-8 4.38Е+11
8 0.13 0.0301 0.003913 2.16E-10 6.224E-8 6.20Е-8 3.17Е+11
9 0.13 0.0511 0.006643 9.17E-10 3.081E-7 3.07Е-7 9.25Е+11
10 0.13 0.0511 0.006643 9.17E-10 3.116E-7 3.11Е-7 9.36Е+11
11 0.13 0.0515 0.006695 8.42E-10 4.517E-7 4.51Е-7 1.35Е+12
12 0.13 0.515 0.006695 6.98E-10 3.720E-7 3.71Е-7 1.11Е+12
S - активная площадь детектора, см2;
d - толщина детектора, см;
V - объем детектора, см3;
I0 - ток детектора при +20°C до облучения. А;
I1 - ток детектора при +20°C после облучения, А;
ΔI=(I1-I0) - приращение тока, А;
Ф - эквивалентный флюенс быстрых нейтронов с энергией 1 МэВ, см-2.

Положительным результатом предлагаемого способа является то, что при неизвестном спектре быстрых нейтронов с хорошей точностью (±10%) можно применять планарные кремниевые детекторы с (p-n) переходом в качестве детектора для измерений флюенса быстрых нейтронов с эквивалентной энергией 1 МэВ. Калибровка детекторов не требуется, так как зависимость (линейная) приращения обратного тока детектора от эквивалентного флюенса быстрых нейтронов с энергией 1 МэВ не зависит от начальных параметров детектора и определяется известным значением токовой константы повреждений αI=(5±0.5)×10-17 (А/см). Уровень современной технологии кремниевых планарных детекторов позволяет изготавливать детекторы с очень низкими темновыми обратными токами менее 1 нА/см2/100 В/+20°, это делает простой и удобной технику измерений флюенса быстрых нейтронов по приращению обратного тока в диапазоне от десятых долей наноампера.

Способ измерения флюенса быстрых нейтронов с помощью полупроводникового детектора, включающий облучение детектора неизвестным флюенсом быстрых нейтронов, при котором происходит образование в чувствительном объеме детектора радиационных дефектов, и измерение электрофизических параметров детектора до и после облучения, отличающийся тем, что до и после облучения измеряют обратный темновой ток детектора с p-n переходом при напряжении полного обеднения, а флюенс быстрых нейтронов определяют по величине приращения темнового обратного тока детектора и вычисляют по формуле:
Ф = Δ I α I × V ,
где:
- Ф (см-2) - эквивалентный флюенс быстрых нейтронов с энергией 1 МэВ;
- ΔI=(I1-I0) (A) - измеренное приращение темнового обратного тока детектора после облучения, I0 - ток детектора до облучения при напряжении полного обеднения, приведенный к температуре +20°C, I1 - ток детектора после облучения при напряжении полного обеднения, приведенный к температуре +20°C;
- αI=(5±0.5)×10-17 (А/см) - токовая константа повреждений кремния для быстрых нейтронов с энергией 1 МэВ при температуре +20°C;
- V=d×S (см3) - чувствительный объем детектора при напряжении полного обеднения, d - толщина (см) детектора, S - активная площадь (см2) детектора.



 

Похожие патенты:

РЕФЕРАТ (57) Изобретение относится к области радиационных технологий, а также к эксплуатации ядерных установок и ускорителей. Способ включает калибровку детектора, измерение электрофизических параметров детектора до и после облучения, облучение детектора быстрыми нейтронами, при этом детектор изготавливают в форме пластины с плоскопараллельными поверхностями оснований, до и после облучения измеряют электрическое сопротивление между основаниями пластины, для чего перед измерениями на всю поверхность каждого основания пластины наносят омические контакты, а флюенс быстрых нейтронов F определяют по изменению электрической проводимости между контактами до и после облучения пластины , где К - коэффициент пропорциональности, который постоянен для измеряемого спектра нейтронов и не зависит от исходного электрического сопротивления, коэффициент К определяют при калибровке детектора; d - толщина пластины; S - площадь каждого основания пластины; R0, R - исходное и конечное электрические сопротивления между омическими контактами до и после облучения соответственно. Технический результат заключается в создании простого, более доступного способа детектирования флюенса быстрых нейтронов.

Изобретение относится к области радиационных технологий, а также к эксплуатации ядерных установок и ускорителей. .

Изобретение относится к области радиационных технологий, а также к эксплуатации ядерных установок и ускорителей. .

Изобретение относится к области радиационных технологий, а также к эксплуатации ядерных установок и ускорителей. .

Изобретение относится к области детектирования источников нейтронного и мягкого гамма-излучения, особо источников нейтронов на фоне гамма-излучения, и предназначено для дозиметрической и таможенной практики, для решения задач Госатомнадзора и служб ядерной безопасности, для комплексов и систем специального радиационного технического контроля, для систем радиационного мониторинга территорий и акваторий, для обнаружения и идентификации делящихся материалов (ДМ-урана, плутония, кюрия, калифорния и изделий из них), для обнаружения и идентификации ряда радиоактивных веществ (РВ), обладающих мягким гамма-спектром.

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