СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ФЛЮЕНСА БЫСТРЫХ НЕЙТРОНОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИМ ДЕТЕКТОРОМ
METHOD OF MEASURING FAST NEUTRON FLUENCE WITH SEMICONDUCTOR MONOCRYSTALLINE DETECTOR

Изобретение относится к области радиационных технологий, а также к эксплуатации ядерных установок и ускорителей.
Принцип действия полупроводниковых детекторов основан на изменении электрофизических параметров полупроводников под действием излучения. При облучении быстрыми нейтронами в монокристаллах полупроводников наряду с другими типами дефектов образуются и сложные дефекты как донорного, так и акцепторного характеров, являющиеся следствием взаимодействия вакансий и междуузельных атомов между собой и с атомами исходных химических примесей. При этом введение сложных компенсирующих центров приводит к компенсации основной легирующей примеси. Это свойство полупроводников используют для измерения флюенса быстрых нейтронов.
Известен способ детектирования быстрых нейтронов, основанный на изменении падения напряжения на прямой ветви вольтамперной характеристики диода под действием быстрых нейтронов [Крамер-Агеев Е.А., Миронов Ю.А., Синицын А.Д., Трошин В.С. Нейтронные аварийные дозиметры на основе кремниевых промышленных полупроводниковых диодов. «Вопросы дозиметрии и защиты от излучений», Москва, №19, 1980, с. 61-66].
Известен также способ детектирования флюенса быстрых нейтронов полупроводниковым детектором, включающий в себя калибровку детектора, измерение электрического сопротивления детектора до облучения, облучение неизвестным флюенсом быстрых нейтронов, измерение электрического сопротивления детектора после его облучения [SU а.с. №934402, опубликовано 07.06.82, БИ №21]. При этом в качестве детектора используют кремний n-типа, например, участок легированного кремния между первой и второй базами в однопереходном транзисторе, иначе называемом двухбазовым диодом, КТ117. Формула, связывающая флюенс быстрых нейтронов с изменением межбазового сопротивления, имеет вид
0
R=R·exp(K·F), (1)
0
где К - коэффициент пропорциональности, который определяют при калибровке каждого конкретного детектора, R, R - межбазовое сопротивление КТ117 соответственно до и после облучения, F - флюенс быстрых нейтронов.
Основной недостаток этих 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.
Наиболее близким к заявляемому является способ измерения флюенса быстрых нейтронов полупроводниковым детектором, включающий калибровку детектора, измерение электрофизических параметров детектора до и после облучения, облучение детектора быстрыми нейтронами [RU №2339975, опубликовано 27.11.2008. Бюл. №33]. Формула, связывающая флюенс быстрых нейтронов F с изменением удельного электрического сопротивления, имеет вид
<mrow><mi>F</mi><mo>=</mo><mi>K</mi><mo stretchy="false">(</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mi>ρ</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac><mo>−</mo><mfrac><mn>1</mn><mi>ρ</mi></mfrac><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
, (2)
0
где К - коэффициент пропорциональности, который постоянен для измеряемого спектра нейтронов и не зависит от исходного удельного электрического сопротивления; коэффициент К определяют при калибровке детектора; ρ, ρ - исходное и конечное удельные электрические сопротивления полупроводника до и после облучения соответственно.
Этот способ имеет ряд преимуществ: использование в качестве детектора простого полупроводника без p-n переходов; широкий диапазон измеряемого флюенса быстрых нейтронов; одна исходная для данного спектра нейтронов калибровка детектора с любым исходным удельным сопротивлением.
Основным недостатком прототипа является необходимость в наличие достаточно сложной и дорогостоящей установки для измерения удельного электрического сопротивления полупроводниковых монокристаллов. Чаще всего для этих целей используют установки с четырехзондовым методом измерений. Для обслуживания установки и проведения корректных измерений удельного электрического сопротивления необходимы соответствующее помещение, наличие эталонов для калибровки этой установки и соответствующая квалификация обслуживающего персонала.
Техническим результатом изобретения является упрощение способа детектирования флюенса быстрых нейтронов. При этом сохраняются все достоинства прототипа, но существенно расширяется доступность способа для его применения на реакторах и ускорителях.
Это достигается тем, что способ измерения флюенса быстрых нейтронов полупроводниковым монокристаллическим детектором также как в прототипе включает калибровку детектора, измерение электрофизических параметров детектора до и после облучения, облучение детектора быстрыми нейтронами.
Согласно изобретению используют детектор 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 (обратная величина электрического сопротивления) между контактами до и после облучения пластины
<mrow><mi>F</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>K</mi><mi>d</mi></mrow><mi>S</mi></mfrac><mo stretchy="false">(</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mi>R</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac><mo>−</mo><mfrac><mn>1</mn><mi>R</mi></mfrac><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
, (3)
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,
0
R, R - исходное и конечное электрические сопротивления между омическими контактами до и после облучения соответственно.
Суть изобретения заключается в том, что в предлагаемом способе детектор изготавливают в форме пластины монокристаллического полупроводника с омическими контактами по всей поверхности каждого основания пластины, а поверхности оснований плоскопараллельны. Это позволяет устанавливать однозначную связь электрического сопротивления между основаниями пластины и удельным электрическим сопротивлением в объеме полупроводникового монокристалла. Тем самым получать ровно такую же информацию о флюенсе быстрых нейтронов, как и по прототипу, но с применением простой регистрирующей аппаратуры. При этом сохраняются все достоинства прототипа. В самом деле, под действием быстрых нейтронов в полупроводниковых монокристаллах образуются радиационные дефекты, в том числе электрически активные, т.е. ионизованные при обычной температуре. Концентрация этих дефектов пропорциональна флюенсу быстрых нейтронов и зависит от энергии нейтронов. Эти дефекты компенсируют основную примесь монокристалла, тем самым увеличивают его удельное электрическое сопротивление. Если плоскости оснований пластины плоскопараллельны, а боковая поверхность пластины перпендикулярна плоскостям оснований, то в соответствии с законом Ома удельное электрическое сопротивление легко может быть определено через электрическое сопротивление между основаниями пластины:
<mrow><mi>ρ</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>S</mi><mi>R</mi></mrow><mi>d</mi></mfrac></mrow>
, (4)
где ρ - удельное электрическое сопротивление,
R - электрическое сопротивление между основаниями пластины,
S - площадь основания пластины,
d - толщина пластины.
Подставив (4) в выражение (2) получим выражение (3). Отметим, что основания пластины могут иметь любую конфигурацию: круг, кольцо, треугольник, многоугольник и т.п. Для реализации этого способа определения флюенса быстрых нейтронов необходимо правильно определять электрическое сопротивление R между торцами шайбы. На границе контакта металл-полупроводник возникает потенциальный барьер и связанный с ним запорный слой. Следовательно, эти контакты будут выпрямляющими. В некоторых случаях этот потенциальный барьер пренебрежимо мал и вольтамперная характеристика такого контакта представляет собой прямую линию. Связь между током через такой контакт и напряжением на нем выражается, таким образом, линейным законом - законом Ома - вне зависимости от полярности приложенного к этому контакту напряжения. Такой контакт и является омическим (не выпрямляющим). Для включения монокристаллических пластин в электрическую цепь на всю плоскость каждого основания пластины наносят омические контакты. Наиболее просто это сделать с помощью алюмогаллиевого карандаша или индийгаллиевой пасты [например, страница 233 учебного пособия: Нашельский А.Я. Производство полупроводниковых материалов. - М.: Металлургия, 1989 - 272 с.]. В качестве полупроводникового монокристалла могут быть использованы любые простые полупроводники: кремний Si, углерод С, германий Ge, серое олово ά-Sn, мышьяк As,, бор B, фосфор P, селен Se (красный), сера ά-S, сурьма β-Sb, теллур Te, йод J.
S
Возможность осуществления способа подтверждается экспериментами, проведенными на исследовательском ядерном реакторе типа ИРТ-Т мощностью 6 МВт в г. Томске. В качестве монокристалла был использован кремний. Эксперименты проводились на выведенном пучке нейтронов горизонтального экспериментального канала ГЭК-10 (на выходе из канала). Контроль за флюенсом быстрых нейтронов осуществляли с помощью пороговых серных активационных детекторов, показывающих интегральную плотность потока нейтронов с энергией выше 3 МэВ. Предварительно проводили калибровку детекторов, т.е. по показаниям серных детекторов F и изменениям проводимости (обратная величина электрического сопротивления) монокристаллических шайб определили коэффициент пропорциональности K в выражении (3):
<mrow><mi>K</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>S</mi><msub><mi>F</mi><mi>S</mi></msub></mrow><mi>d</mi></mfrac><msup><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mi>R</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac><mo>−</mo><mfrac><mn>1</mn><mi>R</mi></mfrac><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msup></mrow>
. (5)
14
n
Для канала ГЭК-10 K=9,94·10 Ом/см. Сделаем несколько замечаний по поводу калибровки детектора. Порог дефектообразования (энергия, которую необходимо сообщить атому, чтобы выбить его из узла кристаллической решетки) в монокристаллах кремния - около 25 эВ. Максимальная энергия E, которую передает нейтрон с энергией E атому при лобовом столкновении, равна
<mrow><mi>E</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>4</mn><mo>⋅</mo><mi>M</mi><mo>⋅</mo><msub><mi>M</mi><mi>n</mi></msub></mrow><mrow><msup><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>M</mi><mo>+</mo><msub><mi>M</mi><mi>n</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><msub><mi>E</mi><mi>n</mi></msub></mrow>
, (6)
n
где M, M - массы атома и нейтрона соответственно.
n
Энергии E=25 эВ соответствует энергия нейтрона E=194 эВ. При этом атом может рекомбинировать с образовавшейся вакансией. Поэтому ему необходимо сообщить большую кинетическую энергию. Приближенно можно считать, что дефектообразование в кремнии наступает при E>400 эВ. Серные же детекторы дают информацию о флюенсе нейтронов с энергией свыше 3 мэВ. Поэтому, несмотря на то, что дефекты в кремнии образуются при энергии нейтронов свыше 400 эВ, калибровка кремниевых детекторов в соответствии с выражением (5) позволяет судить лишь о флюенсе нейтронов с энергией свыше 3 мэВ. Поэтому для каждого канала реактора со своим спектром нейтронов (известным или не известным) необходима индивидуальная калибровка детекторов. Очевидно, при известном спектре в канале реактора можно определить флюенс нейтронов каждой энергетической группы спектра по показаниям как серных активационных детекторов, так и (после калибровки), по показаниям кремниевых детекторов. В то же время, кремниевыми детекторами без калибровки можно определять в относительных единицах флюенс всех нейтронов с энергией свыше 400 эВ, т.е. именно тех нейтронов, которые участвуют в дефектообразовании.
0
S
Si
Si
S
S
Si
14
При определении плотности потока нейтронов с энергией свыше 3 мэВ было облучено 9 шайб монокристаллического кремния n-типа. Шайбы кремния были выполнены в форме правильного цилиндра диаметром 1,33 см и высотой 0,5 см. Одновременно облучали по 3 шайбы кремния вместе с серным детектором. Перед измерениями электрического сопротивления на торцы шайб наносили тонкие слои индийгаллиевой пасты и прикладывали пластины из титана. Результаты измерений приведены в таблице. В таблице R, R - электрические сопротивления между основаниями шайб перед и после облучения соответственно; F, F - флюенсы быстрых нейтронов с энергией выше 3 мэВ по показания серных и кремниевых детекторов соответственно; δ=100·(F-F)/F%. F вычисляли в соответствии с выр.(3) при K=9,94·10 Ом/см. По приведенным данным можно оценить погрешность детектирования - ≈10%.
Полезный результат заключается в том, что для получения информации о флюенсе быстрых нейтронов достаточно иметь простую регистрирующую аппаратуру - омметр. Это делает метод доступным для использования на любом соответствующем предприятии. Калибровку детектора можно, как и по прототипу, осуществить даже в одном единственном облучении монокристаллической шайбы с любым исходным электрическим сопротивлением. При этом калибровка остается той же самой и для монокристалла с любым другим исходным сопротивлением. Кроме того, каждый монокристалл можно использовать многократно, либо отжигая радиационные дефекты для перевода сопротивления в исходное значение, либо облучая ранее облученную шайбу, принимая за исходное сопротивление то, которое имел облученный монокристалл перед следующим облучением.
Таблица. Результаты облучения.
R<sub>0</sub>
R
F<sub>S</sub>
F<sub>Si</sub>
δ
Ом
Ом
см<sup>-2</sup>
см<sup>-2</sup>
%
420
440
3,70·10<sup>10</sup>
4,04·10<sup>10</sup>
9,3
412
429
3,70·10<sup>10</sup>
3,59·10<sup>10</sup>
2,9
417
434
3,70·10<sup>10</sup>
3,51·10<sup>10</sup>
5,1
277
352
2,82·10<sup>11</sup>
2,87·10<sup>11</sup>
1,9
282
356
2,82·10<sup>11</sup>
2,75·10<sup>11</sup>
2,3
279
360
2,82·10<sup>11</sup>
3,01·10<sup>11</sup>
6,9
152
448
1,56·10<sup>12</sup>
1,62·10<sup>12</sup>
4,1
149
431
1,56·10<sup>12</sup>
1,64·10<sup>12</sup>
5,2
155
411
1,53·10<sup>12</sup>
1,50·10<sup>12</sup>
1,9