Способ измерения флюенса быстрых нейтронов

 

Союз Соввтеинк

Соцнапиетнчесини

Республик

О П И С А Н И Е (ii)934402

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТИЛЬСТЗУ

{61) Дополнительное к авт. санд-ву(22)Заявлено 10.11.80 (21) 3003140/18-25 с присоединением заявки М(23) Приоритет(5l }M. Кд.

0 01 Т 3/08

Ввуаврвтвеиы6 каивтат

СССР ю авлзн ямбретеяяВ и юткрытий

Опубликовано 07.06.82 Бюллетень Ла 21 (53} УДК 621. 387..462(088.8) Дата опубликования описания 07.06,82 (72) Автор изобретения

В.И.Кульгавчук (7I) Заявитель (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ фЛЮЕНСА БЫСТРЫХ

НЕЙТРОНОВ

Изобретение относится к технике измерения излучений.

Полупроводниковые дозиметры быстрых нейтронов измеряют эффективный флюенс быстрых нейтронов с энергией нейтронов выше порога Е>, при котором в полупроводнике создаются устойчивые дефекты структуры кристаллической решетки, иэ-за которых изме-. няются электрофизические свойства то полупроводника, для кремний Е> примерно равен 0,1 ИэВ.

Работа полупроводниковых дозиметров быстрых нейтронов основана на нескольких принципах: на изменении коэффициента усиления кремниевого биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером при облучении транзистора (1) и на изменении прямого падения напряжения или обратного тока или барьерной емкости в кремниевом диоде при его облучении (2g.

Недостаток таких способов - значительный разброс чувствительности при использовании однотипных транзисторов или диодов.. Это объясняется двумя независимыми причинами: неодинаковостью материала (легированного кремния) в однотипных транзисторах или диодах и неодинаковостью р-и-переходов вследствие несовершенства технологии их иэготовления, Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ измерения флюенса быстрых нейтронов, заключающийся в измерении сопротивления и-. êðåìíèÿ, изменяющегося под действием облучения (31.

Для уменьшения разброса и упрощения измерений в качестве дозиметров быстрых нейтронов испольэуэтся полупроводниковые материалы, например легированный кремний, без р-и-переходов, в которых облучение быстрыми нейтронами приводит к увеличению электрического сопротивления вследствие образования устойчивых дефектов кристаллической структуры. Способ

934402

Зо

55 измерения заключается в том, что фпюенс быстрых нейтронов определяют по увеличению электрического сопротивления кремниевого образца, а также известной зависимости сопротивления от флюенса быстрых нейтронов и чувствительности, полученных при тарировке, т.е. при предварительном облучении образца известным флюенсом быстрых нейтронов. Погрешность изме" рения флюенса складывается (по правилам теории ошибок) из аппаратурной и температурной погрешностей измере г ния сопротивления кремния и погрешности тарировки.

Недостатком этого способа является значительная температурная погрешность (ТП ) флюенса, возникающая из-за ТП в определении сопротивления кремниевого образца, вызванной неточностью (неопределенностью) измерения разности температуры кремния до и после облучения, когда температурные измерения разделены во времени,так как они менее точны, нежели измерения сопротивления, в частности., иэза разной тепловой инерции кремниевого образца и датчика температуры.

Ввиду того, что ТП измерения сопротивления равна произведению температурного коэффициента сопротивления (ТКС), на неточность измерения разности температур, то большой ТП флюенса способствует большой ТКС кремния и относительно малое изменение его сопротивления при облучении быстрыми нейтронами. Так как TG из" .мерения флюенса в большинстве случаев превышает остальные погрешности, .то очевидно, она ограничивает нижний предел измеряемых флюенсов.

Цель изобретения - уменьшение температурной погрешности флюенса и его нижнего предела.

Поставленная цель достигается. тем, что согласно способу измерения флюенса быстрых нейтронов, заключающемуся в измерении сопротивления п-кремния, изменяющегося под действием облучения, и-кремний предварительно подвергают облучению быстрыми нейтронами флюенсом (6-10)" 10 о н/см .

Способ измерения флюенса быстрых нейтронов реализуют следующим образом.

Сначала производится первое облучение образца из и-кремния флюенсом быстрых нейтронов (6-10)- 1О" н/см, 4 что позволяет его ТКС уменьшить в 51О раз. Затем для определения чувствительности образец облучают второй раз татировочным флюенсом, Причем, 5 .тарировочный флюенс в несколько раз меньше флюекса, предназначенного для уменьшения ТКС. Увеличить тарировочный флюенс с тем, чтобы заменить им первое облучение нельзя, так как максимальная величина тарировочно го флюенса определяется точкой на оси флюенсов, выше которой нарушается экспоненциальный закон роста сопротивления и-кремния от флюенса. После этого и-кремний облучают неизвестным флюенсом быстрых нейтронов и, пользуясь известной зависимостью сопротивления данного типа материала из и-кремния от флюенса и известной чувствительностью, определяют неизвестный флюенс.

Ввиду сложной технологии легирования и сложного оборудования лабораторное изготовление, кремниевых резисторов не получило распространения.

Более удобным и дешевым для дозиметрии оказалось применение готовых кремниевых резисторов. Например, в качестве такового можно использовать участок легированного кремния между базами первой Б1 и второй Б2 (эмиттер остается не подключенным) в однопереходном транзисторе (ОПТ), иначе называемым двухбаэовым диодом. В

ОПТ КТ117 в качестве материала используется кремний и"типа (n-кремний) с удельным сопротивлением около 100 Ом си.

Температурный коэффициент межбазового сопротивления (ТКС) с(. довольно велик

40 (он примерно равен 7 ° 10 1/К). Проведенные с ОПТ КТ117 исследования на предмет использования его в качестве дозиметра быстрых нейтронов показали следующее.

При облучении КТ117 флюенсом быстрых нейтронов реакторного спектра до (1"1,5)10" н/си межбазовое сопротив-. ление зависит от флюенса ф экспоненциально гф= г„е

Кф (1) где r» ry - межбазовое сопротивление

К1117 соответственно до и после облучения, К вЂ” константа, подлежащая определению при тарировке. При флюенсе

1"10" н/см межбазовое.сопротивление

2. возрастает на 5- 103; отсюда константа К находится в пределах (5—

34402 (2) 50

5 9

10) ° 1 0 и/см . Средне квадрати чная ошибка константы К, полученная при исследовании партии ОПТ К1117, состоящей из

8 штук, находится в пределах 5-103.

При облучении К1117 флюенсами боль шими 1,5 ° 10 10- н/си - и, вызванном этим облучением увеличении гф/r> не более 5-10, экспоненциальная зависимость r от Ф нарушается, но, что существенно, чувствителыюсть после облучения сохраняется. Это означает, что при повторном облучении флюенсом меньшим или равным 1,5 10 11.н/см можно использовать соотношение (1) для определения флюенса.

Таким образом, рабочий диапазон измеряемых и тарировочных флюенсов ограничен сверху величиной (1

-1, 5) 1Ф н/см .

Ввиду того, что при указанном верхнем пределе флюенса К соотношение (1) разлагаем в ряд и, ограничиваясь двумя членами разложения, получаем формулу (2) с линейной зависимостью г1. от Ф

rô=rо (1+Кф) эквивалентную Формуле (! ) °

Константу К определяем из соотношения (1 )

Гф

Ви

К=--- —

Ф. (3) либо из соотношения (2)

1"ф

К = -- — )

Ф (4 ) так как при Кф <1 разница между ре" зультатами, полученными по формулам (3 ) и (4), мала.

Обнаружено неизвестное свойство

ОПТ ЕТ117: уменьшение TKC d. с увеличением флюенса. Средняя величина убывания lКС на единицу флюенса составляет 8 10 см /н.К. При воздействии на КТ117 флюенсом (6- 1О) 10 " н/см

ТКС уменьшается до нуля.(a сопротивление увеличивается в 2-3 раза1. При облучении еще большим флюенсом ТКС становится отрицательным и возрастает по абсолютной величине с увеличением флюенса.

Из приведенных фактов и данных вытекает существенный вывод: если производить определение флюенса предварительно облученным ОПТ К1117 флюенсом,(6-10}10" н/см, то из-за уменьшения ТКС температурная погрешность измерения межбазового сопротивления

Зо

Эо

35 .40

КТ117 может быть снижена в 5-!О раз и, следовательно, уменьшатся погрешность измерения флюенса и измеряемый нижний предел его.

Рассмотрим одно из возможных применений дозйметра.

Ввиду относительно высокой чувствительности ОПТ КТ117 можно исполь" зовать в качестве дозиметра быстрых нейтронов при облучении биологических объектов, в том числе и для человека, например, в качестве аварийного дозиметра. Покажем это.

Известно, что для нейтронов с энергией 1 ИэВ биологическая доза

1рад=4,11" 10 В н/см . (Для упрощения расчета считаем, что все быстрые нейтроны имеют энергию 1 ИэВ). Поэтому флюенсу 1,5 10" н/см соответствует нейтронная доза в биологических объектах 3650 рад, т.е. до такой максимальной дозы возможно применение описываемого доз14метра.

Оценим нижний предел измерения флюенса и биологической дозы при погрешности их измерения 5 304, и в предположении, что разность температур измерения сопротивления дозиметра до и после облучения известна с погреш" ностью ЬТ=+0,5 К, пренебрегая остальными погрешностями.

Если использовать ОПТ КТ117 без предварительного облучения флюенсом (6-10)10" 2-н/см то при ТКС К1117 =7 10 1/К неопределенность в изменении относительного сопротивления

КТ117 составляет д =с 6Т=7 10 . 0,5=

=3,5 10 . По предположению это долж" но составить 303 от изменения сопро)"ф тивления --„ф- -1 за счет облучения.

Поэтому - - -1= - - l 2 10: Этой

rî ó 0> величине - -1 соответствует нижний

I"î предел флюенса (по формде (4) и при

К=1 10 н/см ) ° ф= -----м, = 1 2"

-Ь 2. Фъ 11.10- х10 н/см или биологической дозы

Ф

4----.- " 300 рад.

4, 11 "1Оз.Видно, что в этом случае диапазон измеряемых флюенсов от 1,2 10""до

1,5 ° 10 он/см или доз от 300 до 3650 рад относительно невелик. его (диапазон) можно увеличить в сторону меньших флюенсов в 5-10 раз, если измерение флюенсов (доз) производить предварительно облученным Olll КТ117 флюенсом (6-10) 10" н/см, так как в этом случае ТКС о - п-кремния снижается в 5- l0 раз и поэтому во столько

934402

Формула изобретения

Составитель Б.Рахманов

Редактор А.Мотыль Техред A. Бабинец Корректор А.Гриценко

««««

Заказ 3929/4l Тираж 717 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Иосква, 8-35, Раушская наб., д.4/5

»

«»

Филиал ППП "Патент", г.ужгород, ул.Проектная, 4

7 же раз уменьшится температурная погрешность флюенса (дозы), а также нижний предел флюенсов (доз) при заданной погрешности, если пренебречь остальными погрешностями.

Способ измерения флюенса быстрых нейтронов, заключающийся в измерении сопротивления п-кремния, изменяющего ся под действием облучения, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью уменьшения температурной погрешности флюенса и его нижнего предела, и-кремний предварительно подвергают аблучению быстрыми нейтронами флюен" сом (6-10)10 © н/см .

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Poblenz F.W., Tauber С.0., Walker R.á. Application of Silicon

Damage to Neutron Exposure Heasurment JEEE (Justitut of Electrical and Electronics Enginers). Trausactions

an nuclear Scfense, 1967, vol NS-14, it 6, р.147-152. (Репродуцированный журнал 91597. Вестний института радиоинженеров. Серия NS, Ядерная фиэи1в ка It Т-6) °

2. Вашкин В.И., Кондратенков 10.Б.

Полупроводниковые дозиметры быстрых нейтронов. Сборник. Атомная техника за рубежом. М., Атомиздат, 1977, М 6, с.35-43.

3. Патрикеев Л.H., Одлепецкий Б.И., Федчин В.М, Измерение интегральной плотности потока быстрых нейтронов кремниевым резистором. - "Приборы и

2о техника эксперимента", 1974r, с.62 (прототип).