Brevet FR2572540A1 — publié le 19860502

Détecteur et procédé pour la détection de neutrons thermiques. L'invention concerne de façon générale la détection de radiations, et plus particulièrement la détection de neutrons thermiques par une diode à semiconducteur. Il est connu d'une façon générale dans la technique concernée d'utiliser des jonctions semiconductrices de type PN pour détecter des radiations. On emploie largement les photodiodes dans les applications o une réponse est requise à une radiation électromagnétique incidente. De même, les dispositifs au silicium sont si sensibles aux radiations ionisantes que, dans des applications typiques, on s'efforce de réduire la sensibilité aux radiations. Les diodes PIN peuvent utiliser des radiations ionisantes dans des applications à la détection de rayons X et de rayons gamma, qui font partie du spectre électromagnétique. Enfin, on sait que les particules alpha (les noyaux He) peuvent être détectées par des dispositifs à semicon- ducteurs, et en particulier par des mémoires à accès aléatoire dynamiques. Cependant, la détection des neutrons thermiqixe:s reste un problème. Pour les neutrons plus énergétiques, la diffusion inélastique (ou dégât par rayonnement) peut être utilisée comme phénomène technique de détection. Mais pour les neutrons thermiques, l'absence de charge et l'absence d'une énergie cinétique suffisante rend ce rayonnement beaucoup plus difficile à détecter. Le but de l'invention est donc de fournir un détecteur de rayonnement et un procédé de détection de rayonnement capable de détecter les neutrons thermiques. Ce but est atteint selon l'invention par un détecteur de neutrons thermiques à semiconducteur, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une couche comportant une concen- tration élevée d'atomes dopantsdu type P pour réagir avec des neutrons thermiques et produire des fragments nucléai- res, et des moyens de détection de fragments nucléaires associés à ladite couche. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, on prévoit une diode au silicium P+,N ou N+,P, dopée au bore et à polarisation inverse,les neutrons thermiques frappant les noyaux de l'isotope de bore ayant une grande section transversale de réaction, d'o il résulte la désintégration du noyau en fragments. Les produits ionisés de désintégration provoquent ou engendrent un courant net quand ils traversent la zone d'appauvrissement de la diode, et un courant peut par conséquent être détecté. Les détecteurs de neutrons thermiques peuvent être disposés en déploiement autour d'un flux de neutrons thermiques ou pour localiser le flux de neutrons. De même, quand la première couche de polysilicium d'éléments de mémoire à accès aléatoires dynamiques à canal N est semblablement dopée par des noyaux appropriés, les produits de fission de la désintégration nucléaire résultante permettent un processus de détection spatial et temporel par les cir- cuits de commande de la mémoire à accès aléatoire L'invention concerne en outre un procédé de détection de neutrons thermiques utilisant un déploiement de dispositifs à semiconducteur, chaque dispositif de ce déploiement comprenant des moyens pour capturer les neutrons thermi- queset pour produire un courant résultant de la capture des neutrons thermiques, et des moyens de détection pour détecter le courant produit par chaque dispositif dudit déploiementrésultant de la pénétration de neutrons thermi- ques dans chacun des dispositifs du déploiement. D'autres buts et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée ci-après de modes de réalisation préférés de l'invention, et des dessins annexés, dans lesquels - les figures la, b et c illustrent schématiquement un mode de réalisation préféré de l'invention; - la figure 2 est une représentation schématique de l'utilisation d'un détecteur de particules alpha pour la détection de neutrons thermiques; et - la figure 3 est une représentation schématique de l'utilisation d'un déploiement de détecteurs selon l'in- vention pour détecter un flux de neutrons thermiques issu d'une source de neutrons thermiques. La figure la illustre schématiquement la jonction semicon- ductrice PN de l'invention. La jonction PN est constituée par une région P+ 10 et une région N 20. La région P+ 10 est fortement dopée par des atomes de bore. Un flux de neutrons thermiques 30 frappe le dispositif, et principale- ment la région P+ 10 dopée au bore. A la diode P+,N est couplée une source 7 de tension de polarisation inverse, et un détecteur de courant 8 est inséré dans le circuit. La figure lb illustre l'interaction de neutrons thermiques du flux incident avec certains des atomes de bore, des réactions nucléaires se produisant aux endroits illustrés par les lignes de flux interrompues dans la figure. La majeure partie du flux de neutrons thermiques traverse la structure de la diode sans interaction appréciable. La figure lc montre que les fragments de désintégration provenant de la réaction nucléaire ont typiquement une énergie suffisante pour traverser la matière. Ce mouvement provoque une ionisation par arrachement des électrons relativement faiblement liés des noyaux en mouvement. Une partie de ces fragments ionisés 12 est arrêtée dans la région N de la diode, par exemple par des collisions inélastiques. Les dispositifs semiconducteurs au silicium sont de façon générale sensibles au rayonnement ionisant, ce qui est habituellement considéré comme une faiblesse dans certaines applications, mais non dans les applications proposées ici. Des publications techniques faisant état de la sensibilité à l'ionisation de certains dispositifs au silicium sont dues à R. Nowotny and W.L. Reiter, Nuclear Instrumentation Methods 147, 477 (1977); 153, 597, (1978). Les inventeurs de la présente Demande ont publié un article dans Nuclear Instrumentation Methods 169, 125 (1980) concernant la sensibilité de mémoiresà accès aléatoire (RAM) dynamiquescomme détecteurs de particules alpha. Un détecteur de neutrons thermiques généralisé conforme à l'invention est illustré à la figure 2. Un détecteur de particules alpha 40 y est représenté. Sur la surface du détecteur de particules alpha est-déposée une couche mince de matériau 50 contenant des noyaux tels que bore ayant une section transversale de capture relative- ment grande pour les neutrons thermiques. L'interaction entre le flux de neutrons thermiques 30 provenant d'une source de neutrons thermiques (non représentée) et les noyaux de 10bore conduit à la formation de particules alpha (et de lithium) en vertu de la formule d'interaction indiquée cidessous. Les particules alpha ainsi formées frappent le détecteur de particules alpha 40 qui fournit une indication de la présence des neutrons thermiques. La figure 3 montre l'utilisation des différents détecteurs de neutrons thermiques de l'invention décrits ci-dessus pour surveiller un flux de neutrons provenant d'une source effective ou potentielle de neutrons thermiques 80 (telle qu'un réacteur nucléaire). Une partie d'un déploie- ment de détecteurs de neutrons thermiques 5 de l'un au moins des types décrits ci-dessus est représentée montée sur un support ou paroi 81 dont une partie est arrachée. Les détecteurs de neutrons thermiques 5 sont disposes de préférence en un déploiement entourant la source de neutrons thermiques 80 (dont une paroi seulement est montrée aux fins d'illustration) pour fournir une indication de la présence de neutrons thermiques en dehors de la source de neutrons thermiques 80. Les détecteurs de neutrons thermiques 5 peuvent comprendre l'appareil ou dispositif des figures l(a,b,c) ou de la figure 2 ou un ou plusieurs des autres dispositifs décrits ici, et comprennent en outre un conducteur de signal de courant 83 pour transmettre le courant produit par chacun des détecteurs 5. Une barre conductrice 82 transfère l'infor- mation d'état de courant de chacun des détecteurs de neutrons thermiques 5 à un analyseur de flux de neutrons 85. Dans l'analyseur 85, l'information d'état est traitée et communiquée de façon appropriée. La jonction de diode PN (formée par la région P+ 10 et la région N 20) des figures la, b, c peut être préparée en utilisant les techniques d'oxydation locale du silicium. Il s'agit en principe d'un dispositif à diode du type plan ayant une région P+ située dans une région N pour un dispositif à diode P+,N ou une région N+ située dans une région P pour un dispositif à diode N+,P. Ces disposi- tifs peuvent être formés en utilisant des techniques d'implantation ou de diffusion. Dans le cas d'un disposi- tif à diode N+,P utilisable comme composant d'un détecteur de neutrons thermiques conforme à l'invention, il est préférable de doper la région de champs P par des atomes ou noyaux 10 de 1bore et d'implanter des atomes ou noyaux de 1bore dans une partie de la couche d'oxyde située au-dessus de la région active du dispositif à diode N+,P. Ces diodes ont un courant inverse très faible. Un support technique pour les caractéristiques de courant inverse faible des diodes classiques P+,N, ou N+,P obtenues par oxydation locale de silicium est à trouver dans la publication technique de L. Baldi, G.F. Cerofolini et G. Ferla dans le Journal of the Electrochemical Society 127, 164 (1980). Une valeur typique de courant pour une diode d'un centimè- tre carré à polarisation inverse de 15 volts est de l'ordre de 100 pA. Même des diodes de grandes surfaces, d'une surface de 10 centimètres carrés, ont un bruit négli- geable. De telles diodes sont de bons détecteurs de particules alpha qui sont en fait des noyaux d'hélium. Le détecteur de courant 8 représenté aux figures la, b et c est utilisé pour détecter le courant à travers la diode. On se réfère une nouvelle fois aux figures la, lb et lc (illustrant la diode P+,N). Quand-un neutron thermique traverse la région P+ de la diode, il réagit avec un noyau de bore capteur (A=10) 10B. Le noyau 10B (représen- tant approximativement 19% du bore naturel) présente une section transversale de capture relativement élevée (approximativement 4000 barns) pour la capture des neu- trons thermiques. La réaction est la suivante: B + n = 7Li + 4He dans laquelle B est le bore, n est un neutron (thermique); Li est le lithium et He est l'hélium. Cette équation s'interprète comme suit: le noyau de bore (A=10) plus un neutron (thermique) (A=l) produit un lithium (A=7) et une particule alpha (A=4Y, -(A) étant le nombre de nucléons. On peut détecter soit les particules alpha soit les noyaux de lithium ionisés ou chargés s'ils traversent la région apauvrie et neutre de la diode. Le rendement de détection typique peut être estimé par la probabilité qu'un neutron thermique réagisse avec un noyau 1 B. Une approximation de ce calcul peut être donnée par la quanti- té d'atomes 10B par unité de surface (concentration moyenne multipliée par profondeur de jonction, soit approximativement 1015 cm-2) qui, multipliée par la sec- tion transversale de capture pour la réaction nucléaire donne une quantité de l'ordre de 4 x 10-6. Les fragments nucléaires de la réaction sont généralement ionisés ou chargés par passage à travers la matière. Des diodes à semiconducteurs ayant approximativement le même rendement, mais du type N+,P, peuvent être produites 1 - 2 en implantant B (approximativement 101 noyaux par cm2) dans une partie de la couche d'oxyde au-dessus de la zone active et en implantant des noyaux l1B dans la région de champs (P) de la diode pour empêcher l'inversion de champ de la diode. En ce qui concerne le détecteur de particules alpha généralisé utilisable dans la détection de neutrons thermiques, on peut avantageusement utiliser des mémoires à accès aléatoire dynamiques (DRAM) dans cette application comme détecteurs de particules alpha (et comme indicateurs de la présence de neutrons thermiques), car elles peuvent fournir une indication de la présence localisée du rayon- nement alpha dans l'espace et dans le temps. La Demande- resse propose de tirer parti de la faible erreur manifestée par les DRAM soumises à des rayonnements alpha, montrée dans la publication technique de T. May et M.H. Woods IEEE Transaction E.D. Vol. ED26 1, 2-9 (Janvier 1977), pour fournir des détecteurs sensibles à la position. Pourl'utilisation de ces DRAM comme détecteurs de rayons alpha dans un système, un appareil, un dispositif ou un procédé pour détecter des neutrons thermiques,'la diffusion ou l'implantation de noyaux 10B ou d'autres noyaux à section de capture élevée pour les neutrons thermiques dans la première couche de polysili- cium de mémoires DRAM à canal N permet la création de particules alpha dans la première couche de polysilicium conductrice de l'électricité et la détection consécutive en raison du courant accru créé dans la-première couche de polysilicium par l'interaction neutrons thermiques-bore et la présence des particules alpha chargées électriquement. De plus, la localisation dans l'espace et dans le temps sera généralement retenue pour l'utilisation de ces DRAM particularisées décrites ci-dessus (avec des couches de polysilicium dopées au bore) comme détecteurs de neutrons thermiques ne produisant pas de signaux indésirables qui peuvent se produire quand une DRAM classique est utilisée simplement comme détecteur alpha et que des particules alpha traversent les lignes de bis d'un déploiement de DRAM. De plus, les DRAM ont un produit d'incertitude espace-temps très petit par rapport aux compteurs à scin- tillation, aux détecteurs sensibles à la position, aux chambres à fils et aux chambres à bulles. Les DRAM peuvent donc être reliées directement à des microprocesseurs ou à des ordinateurs pour le traitement de l'information. On comprendra que, comme représenté à la figure 2, l'uti- lisation d'une couche mince de matériau dopé par des noyaux appropriés ayant une section transversale de capture relativement élevée pour les neutrons thermiques, tels que le bore, permet à un détecteur de particules alpha de détecter la présence de neutrons thermiques. Pour de nombreuses sources de neutrons thermiques telles que les réacteurs, il est nécessaire de surveiller le flux de neutrons comme montré à la figure 3. La surveil- lance peut prendre la forme d'une indication du flux total ou prendre la forme de l'identification d'un flux de neutrons localisé excessivement fort (qui peut signifier un mauvais fonctionnement d'un appareil). Les dispositifs ou appareils de l'invention conviennent pour être placés en un déploiement au voisinage de la source de flux de neutrons pour surveiller l'intensité ou pour identifier des types choisis de mauvais fonctionnement. Les détecteurs de neutrons thermiques de l'invention sont relativement peu coûteux et légers et peuvent être utilisés en un déploiement entourant complètement la source de neutrons ou en un déploiement portable pouvant être transféré en différents endroits. La description ci-desus est destinée à illustrer le fonctionnement du mode de réalisation préféré et n'entend pas limiter le champ de l'invention. De nombreuses varia- tions apparaîtront à l'homme du métier, tout en ne sortant pas de l'esprit et du cadre de l'invention. Revendications. 1. Détecteur de neutrornsthermiques semiconducteur, carac- térisé en ce qu'il comprend au moins une couche (10, 50) comportant une concentration élevée d'atomes dopantdu type P pour réagir avec des neutrons thermiques (30) et produire des fragments nucléaires (12), et des moyens de détection de fragments nuclaires (7, 8, 20; 40) associés à ladite couche. 2. Détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les atomes dopants du type P sont de atomes de bore. 3. Détecteur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ladite couche est une région (10) de type P d'une diode PN, et que les moyens de détection de fragments nucléaires comprennent une région de type N (20) couplée à la région de type P pour former une jonction de diode PN, des moyens de source de tension (7) pour appliquer une polarisation inverse à la jonction de diode et des moyens de détection de courant (8) couplés aux moyens de source de tension (7) et à la région de type N (20) pour détecter le transfert de fragments ionisés (12) de réaction nucléaire à travers la jonction de diode PN. 4. Détecteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que la diode comprend du silicium. 5. Détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite couche comprend une couche d'oxyde comportant des impuretés à noyau 10B et disposée au-dessus d'une région active d'une diode NP, la région P de cette diode comportant des noyaux 1B. 6. Détecteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite couche comprend une couche 257254-0 de polysilicium comportant des atomes lOB d'une mémoire à accès aléatoire dynamique à canal N. 7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de détection de fragments nucléaires comprennent des moyens (40) pour détecter des particules alpha et que ladite couche (50) comprend des moyens pour.produire des particules alpha par interaction des neutrons thermiques avec des noyaux ayant une section transversale de capture de neutrons thermiques élevée positionnée à proximité des moyens de détection. 8. Détecteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un déploiement de dispo- sitifs semiconducteurs (5), chaque dispositif de ce déploiement comprenant des moyens pour capturer les neutrons thermiques et pour produire un courant résultant de la capture des neutrons thermiques, et des moyens de détection (82, 83, 85) pour détecter le courant produit par chaque dispositif (5) dudit déploiement résultant de la pénétration de neutrons thermiques dans chacun des dispositifs du déploiement. 9. Procédé de détection de neutrons thermiques, caractérisé en ce qu'on détecte des produits ionisés de désintégration d'une réaction nucléaire entre lesdits neutrons thermiques et des noyaux ayant une grande section transversale de réaction. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que lesdits produits de désintégration résultent de la réaction nucléaire B + n = 7Li + a dans laquelle B est le bpre, n est un neutron thermique, Li est le lithium et a est une particule alpha chargée électriquement. 11. Procédé selon l'une des revendications 9 et 10, caractérisé en ce qu'on dope une région P d'une diode par une forte concentration d'atomes de bore; on polarise la diode en inverse; et on détecte des produits de désin- tégration résultant de la capture et de l'interaction des atomes de bore avec les neutrons thermiques en détectant un courant à travers la jonction de la diode. 12. Procédé selon l'une des revendications 9 à 11, carac- térisé en ce qu'on positionne un déploiement de dispositifs semiconducteurs ayant la capacité de capter des neutrons thermiques et de produire un courant résultant indicatif de la capture de neutrons thermiques près d'une source de neutrons thermiques, et qu'oncouple électriquement ledit déploiement à un dispositif détecteur pour déterminer la pénétration de neutrons thermiques dans l'un au moins des dispositifs dudit déploiement. 13. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que, lors du positionnement, on prévoit comme déploiement de dispositifs semiconducteurs un déploiement de cellules de mémoire à accès aléatoire dynamiques,chaque cellule de mémoire dudit déploiement ayant des atomes de bore situés dans au moins une partie de ladite cellule de mémoire. 14. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que, lors du positionnement, on prévoit un déploiement de diodes à semiconducteurs, chaque dispositif ayant des atomes de bore dans une portion au moins dudit dispositif.