Алмазный детектор тепловых нейтронов


 


Владельцы патента RU 2565829:

ООО "Производственно-технологический центр "УралАлмазИнвест" (RU)

Изобретение относится к полупроводниковым детекторам для регистрации корпускулярных излучений, в частности к алмазным детекторам тепловых нейтронов. Алмазный детектор тепловых нейтронов состоит из алмазной пластины, двух контактных электродов, конвертора тепловых нейтронов и внешних выводов для подачи напряжения смещения и съема выходного сигнала, при этом один из контактных электродов выполнен в виде набора графитовых столбиков, расположенных в объеме алмазной пластины так, чтобы расстояние от торцов графитовых столбиков до второго контактного электрода не превышало 5-10 мкм, при этом основания графитовых столбиков параллельно подсоединены к выводу для подачи напряжения смещения, а конвертор тепловых нейтронов установлен над поверхностью другого контактного электрода. Технический результат - снижение чувствительности к фоновому гамма-излучению. 1 ил.

 

Изобретение относится к полупроводниковым детекторам для регистрации корпускулярных излучений, в частности к алмазным детекторам тепловых нейтронов, и может использоваться в устройствах регистрации тепловых нейтронов, работающих в условиях повышенных температур и в полях гамма-излучения большой интенсивности.

Основными отраслями применения алмазных детекторов тепловых нейтронов являются ядерная, космическая, а также медицинская.

В настоящее время алмаз является перспективным материалом для создания термостойких и радиационно-стойких детекторов ионизирующих излучений, способных работать при температурах до 250°C, в потоках ионизирующих излучений нейтральных и заряженных частиц с большой плотностью. Такие возможности алмазных детекторов объясняются большим значением ширины запрещенной зоны (5.47 эВ) и большой энергией, необходимой для смещения атома углерода из решетки (>45 эВ).

Известно устройство [1], состоящее из алмазной пластины, на которую нанесены контактные электроды. Алмазная пластина с контактными площадками крепится к основанию, причем сверху контактной площадки установлен конвертор из чувствительного к тепловым нейтронам материала, например В10. Напряжение смещения на алмазную пластину подается через вывод, а съем сигнала осуществляется с другого вывода.

При попадании теплового нейтрона в радиатор, в радиаторе происходит реакция, в результате которой образуется высокоэнергетические частицы. В частности, изотоп бора В10 распадается на альфа-частицу и Li7. Эти частицы, попадая в алмазную пластинку, генерируют в ней заряд в виде электрон - дырочных пар. Под действием электрического поля смещения, заряды, образовавшиеся в алмазной пластине, собираются на контактный электрод и через основание и вывод поступают на вход измерительного блока.

Такой алмазный детектор чувствителен к гамма-излучению, которое практически всегда сопутствует нейтронному излучению, и вносит свой вклад в сигнал детектора. Наличие чувствительности к гамма-излучению приводит к значительным ошибкам измерения интенсивности нейтронного потока, а это является существенным недостатком детектора.

Прототипом предлагаемого изобретения является устройство алмазного детектора для регистрации тепловых нейтронов [2], который состоит из алмазной подложки, чувствительного алмазного слоя, проводящего алмазного слоя, легированного бором, играющего роль контактного электрода, к которому подсоединен сигнальный вывод, конвертора тепловых нейтронов и выводов для подачи напряжения смещения.

Для изготовления данного устройства, на алмазной подложке методом эпитаксии из газовой фазы (CVD, chemical vapor deposition) производится выращивание проводящего алмазного слоя, легированного бором, на котором методом газофазной эпитаксии производится выращивание низкопримесного алмазного слоя. На поверхность слоя наносится металлический контактный электрод, на которой устанавливается конвертор тепловых нейтронов, например из В10.

Регистрации тепловых нейтронов в данном устройстве осуществляется таким же образом, как и в устройстве [1].

Преимущество данного устройства заключается в том, что чувствительный алмазный слой может быть выращен достаточно тонким 5-10 мкм. Такая толщина алмазного слоя достаточна для регистрации вылетающих из конвертора под действием тепловых нейтронов альфа-частиц. При этом сопутствующие нейтронному излучению гамма-кванты, проходя через слой алмаза в 10 мкм, будут оставлять в этом слое незначительную энергию, тем самым практически не создавая сигнала в алмазном детекторе.

Существенным недостатком прототипа является сложность и высокая стоимость изготовления алмазного детектора описанной конструкции, что связано с особенностями выращивания чувствительных эпитаксиальных слоев: легированного бором слоя и следующего нелегированного слоя CVD-алмаза. Для выращивания указанных слоев требуется использование двух различных плаз-мохимических реакторов, что существенно увеличивает стоимость производственного оборудования. Кроме того, изготовление таких алмазных детекторов невозможно с использованием монокристаллических пластин из природного алмаза, которые часто используются для изготовления алмазных полупроводниковых приборов.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является снижение его чувствительности к фоновому гамма-излучению, которое приводит к значительным ошибкам измерения интенсивности нейтронного потока, а также возможность использования как синтетических, так и природных алмазов.

Технический результат достигается тем, что один из контактных электродов детектора выполнен в виде набора проводящих графитовых столбиков, расположенных в объеме алмазной пластины, основания которых параллельно подсоединены к выводу для подачи напряжения смещения, а торцы располагаются на расстоянии 5-10 мкм до второго электрода детектора, над которым расположен конвертор тепловых нейтронов.

Технических решений, содержащих совокупность признаков, сходных сотличительными, не выявлено, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию новизна.

Конструкция алмазного детектора тепловых нейтронов представлена на рисунке 1, где 1 - алмазная пластина, 2 - графитовые столбики, 3 - верхний контактный электрод, 4 - нижний контактный электрод, 5 - конвертор тепловых нейтронов, выводы для подачи напряжения смещения и съема сигнала 6.

В алмазном детекторе графитовые столбики 2 изготавливаются путем локального нагрева участка алмазной пластины, сфокусированным лазерным излучением до температуры, при которой происходит графитизация алмаза, то есть фазовый переход алмаза в электропроводящий графит [3, 4]. Столбики формируются таким образом, чтобы зазор между их торцами и верхним контактным электродом 3 составлял величину 5-10 мкм. Столбики располагаются периодически на протяжении всей рабочей площади пластины, на малом расстоянии друг от друга и находятся в контакте с нижним электродом 4.

Для работы детектора к выводам 6 подводится напряжение смещения, которое создает электрическое поле между торцами графитовых столбиков и верхним контактным электродом 3. При этом в области ниже торцов графитовых столбиков электрическое поле отсутствует.

При регистрации нейтронного потока, нейтроны реагируют с ядрами конвертера, образуя альфа частицы и ядра дочернего продукта, например при использовании в качестве конвертора изотопа 10В, из конвертора вылетает альфа-частица и ядро изотопа 7Li, которые проходят через электрод 3 и полностью тормозятся в поверхностном слое алмазной пластины 1. При этом в поверхностном слое алмазной пластины, толщина которого составляет от 5 до 10 мкм, возникают электронно-дырочные пары. Электроны и дырки дрейфуют под действием электрического поля, собираясь на торцах графитовых столбиков и контактном электроде 3. При этом создается импульс тока, регистрируемый внешней электронной аппаратурой, подключенной к выводам 6.

При попадании в детектор гамма-квантов фонового гамма-излучения, которое практически всегда сопутствует нейтронному излучению, в зазоре между торцами столбиков и контактным электродом 3 рождается лишь незначительное количество электронно-дырочных пар. Это объясняется тем, что толщина слоя алмаза, в котором происходит взаимодействие гамма-излучения с материалом детектора, составляет 5-10 мкм, при этом сечение взаимодействия гамма-квантов с алмазом на четыре-пять порядков меньше, чем сечение взаимодействия с алмазом альфа-частиц и дочерних ядер, вылетающих из материала конвертора тепловых нейтронов. Таким образом, обеспечивается существенное на 4-5 порядков превышение сигнала от нейтронного потока над сигналом гамма-фона.

Предлагаемое изобретение имеет изобретательский уровень, так как сочетание новых признаков с уже известными не очевидно для специалиста.

Предлагаемое изобретение по сравнению с известными техническими решениями позволяет изготовить алмазный детектор тепловых нейтронов, нечувствительный к гамма-фону, основой которого может быть как природный, так и искусственный алмаз. Цена изготовления таких алмазных детекторов тепловых нейтронов будет на 30-50% ниже, чем у известных алмазных детекторов.

Литература

1. Патент US 3723726 от 27 марта 1973 г. Kozlov S.F. Device with diamond detector with neutron detection.

2. M. Marinelli et al., High performance 6LiF-diamond thermal neutron detectors, Applied Physics Letters 89 (2006) 143509.

3. A. Oh et al., A novel detector with graphitic electrodes in CVD diamond, Diamond Relat. Mater. 38 (2013) 9.

4. T.V. Kononenko, et al. Microstructuring of diamond bulk by IR femtosecond laser pulses. Applied Physics A, 90 (2008) 645.

Алмазный детектор тепловых нейтронов, состоящий из алмазной пластины, двух контактных электродов, конвертора тепловых нейтронов и внешних выводов для подачи напряжения смещения и съема выходного сигнала, отличающийся тем, что один из контактных электродов выполнен в виде набора графитовых столбиков, расположенных в объеме алмазной пластины так, чтобы расстояние от торцов графитовых столбиков до второго контактного электрода не превышало 5-10 мкм, при этом основания графитовых столбиков параллельно подсоединены к выводу для подачи напряжения смещения, а конвертор тепловых нейтронов установлен над поверхностью другого контактного электрода.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области измерении плотности потока нейтронов с помощью различных типов детекторов, в частности пропорциональных и коронных счетчиков медленных нейтронов, импульсных камер деления.

Устройство может быть использовано для изготовления цилиндрических трубок из пластика или металлопластика для газонаполненных дрейфовых детекторов ионизирующего излучения.

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к метрологии нейтронного излучения, и может быть использовано при калибровке каналов измерения расхода теплоносителя в первом контуре корпусных ядерных реакторов.

Изобретение относится к области ядерной физики. Способ измерения асимметрии распада поляризованных пучков включает в себя пропускание поляризованного пучка частиц через контролируемую зону, регистрацию заряженных частиц, испускаемых асимметрично относительно спина распадающихся частиц, контрольные измерения при изменении направления поляризации пучка на 180°, при этом исходный поляризованный пучок частиц пропускают через зону контроля с близким к нулю магнитным полем, поток частиц исходного поляризованного пучка ступенчато варьируют с помощью прецизионной управляемой диафрагмы, на каждой ступени потока проводят многократные измерения скорости счета и энергетического спектра испускаемых в зоне контроля заряженных частиц с помощью охватывающего пучок секционированного по углу детектора; по совокупности скоростей счета и их погрешностей строят функционал ошибок для оценок чисел частиц в зоне видимости детектора путем приближений этих чисел шкалой (последовательностью) с шагом 1/μ, значение μ подбирают до наилучшего совмещения минимумов функционалов ошибки для времен жизни τ+ и τ- двух спиновых мод распада и их среднего арифметического значения, причем обработка проводится независимо для двух наборов данных, отличающихся значениями потока, а решение по μ и τ определяется пересечением функционалов этих наборов вблизи минимумов, близких к 1, причем коэффициент спиновой корреляции (асимметрия распада) определяется по формуле где - есть средняя спиральность частиц, испускаемых при распаде, определяемая из измеренного спектра частиц или из табличных данных.

Изобретение относится к полупроводниковым детекторам излучений. Детектор быстрых нейтронов содержит конвертор быстрых нейтронов и поверхностно-барьерный GaAs сенсор, регистрирующий протоны отдачи, при этом сенсор выполнен на подложке арсенида галлия n-типа проводимости, на рабочей поверхности которого выращен эпитаксиальный слой GaAs высокой чистоты толщиной от 10 до 80 мкм, причем и где d - толщина эпитаксиального слоя GaAs высокой чистоты, εп - относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника, ε0 - электрическая постоянная, φк - контактная разность потенциалов, q - заряд электрона, ND - уровень легирования полупроводника, µе - подвижность электронов, τе - время жизни электронов, со сформированным на нем платиновым барьером Шоттки толщиной 500 Å, на обратной стороне подложки сформирован омический контакт.

Изобретение касается способа определения изотопного отношения делящегося вещества. Способ определения изотопного отношения делящегося вещества, содержащегося в камере деления, причем делящееся вещество имеет основной изотоп X и по меньшей мере один изотоп-примесь Y, при этом изотопы X и Y характеризуются радиоактивным распадом согласно двум следующим уравнениям: X->X′, характеризуется λX, FX, и Y->Y′, характеризуется λY, FY, где X′ и Y′ соответственно являются «дочерними» изотопами изотопов X и Y, при этом распад изотопа X, соответственно Y, характеризуется испусканием гамма-кванта дочерним изотопом X′, соответственно Y′, с энергией E1, соответственно E2, с вероятностью испускания Iγ(E1), соответственно Iγ(Е2), причем величины λX и λY соответственно являются постоянной радиоактивного распада основного изотопа X и постоянной радиоактивного распада изотопа-примеси Y, a FX и FY соответственно являются коэффициентом разветвления распада изотопа, используемым для измерения радиоактивности основного изотопа, и коэффициентом разветвления распада изотопа, используемым для измерения радиоактивности изотопа-примеси, отличающийся тем, что содержит следующие этапы: при помощи спектрометрической установки, установленной в заданной конфигурации измерения, измеряют чистую площадь S(E1) первого пика гамма-излучения делящегося вещества с первой энергией E1 и чистую площадь S(E2) второго пика гамма-излучения делящегося вещества с второй энергией E2, при помощи контрольных точечных источников в заданной конфигурации измерения определяют контрольный коэффициент полного поглощения R O P ( E 1 ) с первой энергией E1 и контрольный коэффициент полного поглощения R 0 P ( E 2 ) со второй энергией E2, при помощи вычислительного устройства для заданной конфигурации измерения вычисляют интегральный переход T(E1) коэффициента для делящегося вещества с первой энергией E1 и интегральный переход T(Е2) коэффициента для делящегося вещества со второй энергией Е2, и при помощи вычислительного устройства вычисляют изотопное отношение R делящегося вещества при помощи уравнения: R = λ X λ Y × S ( E 2 ) S ( E 1 ) × I γ ( E 1 ) I γ ( E 2 ) × R 0 P ( E 1 ) R 0 P ( E 2 ) × T ( E 1 ) T ( E 2 ) × F X F Y . Технический результат - повышение эффективности определения изотопного отношения делящегося вещества.

Изобретение относится к способам определения направленности радиоактивного излучения. Способ определения направленности радиоактивного излучения включает создание объема метастабильной протянутой текучей среды; размещение объема метастабильной протянутой текучей среды в непосредственной близости от источника радиоактивного излучения; определение положения кавитаций, вызванных радиоактивным излучением, в метастабильной протянутой текучей среде; и определение направления источника радиоактивного излучения на основании кавитаций, вызванных радиоактивным излучением, в метастабильной протянутой текучей среде.

Изобретение относится к способам детектирования нейтронного потока в зоне облучения. Способ регистрации нейтронного потока ядерной установки в широком диапазоне измерений, заключающийся в том, что детектируют нейтронный поток ядерной установки посредством регистрации токового режима камеры деления с последующим измерением и обработкой тока камеры деления вне зоны облучения, при этом одновременно с токовым режимом используют режим счета единичных нейтронов, при этом в диапазоне линейной зависимости скорости счета от нейтронного потока осуществляют прямые измерения актов регистрации нейтронов, причем сигнал, обусловленный единичными нейтронами без предварительного усиления, передают по кабельной линии для регистрации и обработки вне зоны облучения, после чего зависимости плотности потока нейтронов от времени, измеренные камерой деления в счетном и токовом режимах, объединяются.

Изобретение касается способа определения спектрального и пространственного распределения потока фотонов тормозного излучения, по меньшей мере, в одном пространственном направлении (х, у, z).

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к метрологии нейтронного излучения в присутствии фоновых излучений и электромагнитных наводок, и может быть использовано в системах управления и защиты ядерных реакторов, подкритических сборок, импульсных и других источников нейтронов, в научных исследованиях.
Изобретение относится к области ядерной техники. Эмиссионный нейтронный детектор содержит коллектор и эмиттер, отделенные друг от друга изоляционным материалом, при этом эмиттер выполнен из порошка двуокиси гафния, заключенного в металлическую оболочку, при этом оболочка эмиттера выполнена толщиной от 0,14 мм до 0,20 мм, а масса двуокиси гафния на 1 м чувствительной части детектора выбрана в диапазоне от 6,4 г до 7,1 г. Технический результат - повышение точности контроля плотности потока нейтронов в ядерном реакторе.

Изобретение относится к области технической физики. Устройство для спектрометрии нейтронов состоит из водородсодержащих замедлителей быстрых нейтронов цилиндрической формы, регистраторов тепловых и медленных нейтронов, расположенных вдоль центральной оси устройства, борного фильтра и цилиндрических углублений на торцевой поверхности замедлителя, обращенной к источнику излучений, при этом в качестве регистраторов нейтронов используют активационные детекторы в кадмиевом чехле и без чехла, которые размещены в контейнере попарно на расстояниях не более длины диффузии тепловых нейтронов в замедлителе, а цилиндрические углубления заполнены вставками, при этом контейнер и вставки выполнены из материала замедлителя. Технический результат - измерение энергетического спектра направленного потока нейтронов в широком диапазоне энергий при высоких уровнях сопутствующего гамма-излучения. 5 ил.

Изобретение относится к области измерения излучений. Устройство для измерения потока нейтронов содержит первичный преобразователь в виде ионизационной двухсекционной трехэлектродной камеры, к общесекционному электроду которой подключен однополярный источник питания, а к разнополярным электродам, к положительному, входящему в состав нейтронной секции, и к отрицательному, входящему в состав компенсационной секции, - блоки измерения тока, которые связаны с блоком обработки выходных сигналов, при этом блоки измерения тока состоят из преобразователя ток-напряжение, выполненного на основе линейного усилителя с переключающимися пределами измерения или на основе логарифмического усилителя, выход которого подключен к входу аналого-цифрового преобразователя, управляемого микроконтроллером, выход которого через интерфейс связи подключен к интерфейсу связи блока обработки выходных сигналов, который имеет возможность подключения к вычислительному устройству более высокого уровня и включает в себя свой микроконтроллер, позволяющий автоматически корректировать с учетом сигнала, полученного от блока измерения тока по гамма-излучению, сигнал, полученный от блока измерения тока по нейтронной составляющей, и производить вычисление потока нейтронов, а однополярный источник питания включает в себя высоковольтный преобразователь напряжения, подключенный к своему микроконтроллеру, позволяющему осуществлять автоматический контроль и коррекцию выходного напряжения и подключенному через интерфейс связи к интерфейсу связи блока обработки выходных сигналов. Технический результат - повышение достоверности и точности результатов измерения и расширение функциональных возможностей устройства. 1 ил.
Наверх