ДЕТЕКТОР НЕЙТРОНОВ НА ОСНОВЕ СИНТЕТИЧЕСКОГО АЛМАЗА

Полезная модель относится к полупроводниковым детекторам ионизирующих излучений, в частности к детекторам вторичных нейтронов космического излучения, и может использоваться в дозиметрических приборах нейтронного излучения на пилотируемых космических станциях и дозиметрических приборах нейтронных потоков в ядерной энергетике.
Основными отраслями применения детектора ионизирующих излучений на основе алмаза являются космическая и ядерная.
В настоящее время алмаз является перспективным материалом для создания радиационно-стойких детекторов ионизирующих излучений, способных работать 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).
10
Из уровня техники [патент US 3723726 А, опубл. 27.03.1973] известно устройство, состоящее из алмазной пластины, на которую нанесены контактные электроды. Алмазная пластина с контактными электродами крепится к основанию, причем сверху контактного электрода установлен конвертор из чувствительного к нейтронам материала, например В. Напряжение смещения на алмазную пластину подается через один контактный электрод, а съем сигнала осуществляется с другого контактного электрода.
10
7
При попадании теплового нейтрона в конвертор в нем происходит реакция, в результате которой образуется высокоэнергетические частицы. В частности, изотоп бора В распадается на альфа-частицу и Li. 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 соединительный вывод поступают на вход измерительного блока.
Такой алмазный детектор чувствителен к гамма-излучению, которое практически всегда сопутствует нейтронному излучению, и к потокам ионизирующих частиц космического излучения, при этом сигнал от гамма-излучения и ионизирующих частиц космического излучения вносит существенный вклад в результирующий сигнал детектора нейтронов. Наличие чувствительности к космическому и гамма-излучению приводит к значительным ошибкам измерения интенсивности нейтронного потока, что является существенным недостатком детектора.
6
6
6
Из уровня техники [James D. Kinnison et al. High-Energy Neutron Spectroscopy with Thick Silicon Detectors / Radiation Research, 2003, Vol. 159, pp. 154-160] также известно устройство детектора вторичных нейтронов космического излучения, в котором регистрация нейтронов осуществляется кремний-литиевыми p-i-n диодом. В данном детекторе конвертором нейтронов выступает Li, имплантированный в i-область кремниевого диода. Вторичные альфа-частицы, образующиеся за счет распада изотопа Li, регистрируются кремниевым диодом. Для устранения влияния ионизирующих частиц космического излучения кремниевый детектор помещен в цилиндр из пластмассового сцинтиллятора (экран антисовпадений), на торцах которого установлены кремниевые фотоумножители (SPM). Выходной сигнал с кремниевых фотоумножителей подается на управляющий вход схемы ключа. На информационный вход схемы ключа подается выходной сигнал кремниевого детектора. Выход схемы ключа соединяется с входом узла регистрации потока нейтронов. При попадании нейтрона в данный детектор нейтрон не взаимодействует с экраном антисовпадения и, попадая в конвертор Li, вызывает в конверторе реакцию n, α, в результате чего образуется альфа-частица и ядро трития, которые регистрируются p-i-n диодом и фиксируются узлом регистрации. При попадании ионизирующей частицы космического излучения в блок детектирования в сцинтилляторе, окружающем кремниевый детектор, возникает вспышка, которая регистрируется кремниевыми фотоумножителями. При этом выходной сигнал фотоумножителей блокирует схему ключа и тем самым блокирует поступление выходного сигнала кремниевого p-i-n диода на схему узла регистрации потока нейтронов. Таким образом, исключается регистрация сигналов от ионизирующих частиц космического излучения, попадающих в детектор нейтронов.
К недостаткам данного устройства следует отнести наличие объемного и, следовательно, обладающего большой массой экрана антисовпадения. Кроме того, сцинтилляционный экран является не радиационностойким и существенно ограничивает рабочий ресурс блока детектирования.
6
10
Ближайшим аналогом (прототипом) полезной модели является устройство алмазного детектора для регистрации нейтронов [М. Marinelli et al. High performance LiF-diamond thermal neutron detectors / Applied Physics Letters, 2006, Vol. 89, pp. 143509(1-3)], которое 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 чувствительного алмазного слоя. На поверхность низкопримесного слоя наносится металлический контактный электрод, на котором устанавливается конвертор тепловых нейтронов, например из В. Регистрации нейтронов в данном устройстве осуществляется таким же образом, как и в устройстве [патент US 3723726 А, опубл. 27.03.1973].
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 тонкий (5-10 мкм) чувствительный слой алмаза, будут оставлять в этом слое незначительную энергию, тем самым практически не создавая сигнала в алмазном детекторе. Преимуществом данного устройства также является радиационная стойкость алмазного детектора.
2
Существенным недостатком прототипа при его использовании для регистрации вторичных нейтронов в потоках космического излучения является то, что не смотря на малую толщину активного алмазного слоя, тяжелые ионы галактических и солнечных космических лучей, которые обладают высоким значением линейной передачи энергии (ЛПЭ), лежащим в диапазоне от 10 до 100 МэВ/(мг/см), будут порождать выходной сигнал тонкого алмазного детектора, сопоставимый с сигналом, возникающим при регистрации нейтрона, что приводит к невозможности использовать такой детектор для регистрации вторичных нейтронов космического излучения.
Технический результат полезной модели заключается в снижении чувствительности детектора к фоновому потоку заряженных частиц и гамма-излучению, обеспечении высокой радиационной стойкости детектора и минимизации его масса-габаритных характеристик.
Технический результат достигается тем, что в алмазном детекторе нейтронов, состоящем из алмазной подложки, графитизированного слоя инжекторного электрода тонкого чувствительного алмазного слоя с металлизированным слоем коллекторного электрода и конвертора нейтронов, на тыльную сторону алмазной подложки нанесен металлизированный слой вспомогательного коллекторного электрода и дополнительно установлена вторая алмазная подложка с металлизированным слоем вспомогательного коллекторного электрода, графитизированным слоем инжекторного электрода, тонким чувствительным алмазным слоем, поверх которого нанесен металлизированный слой коллекторного электрода, причем вторая алмазная подложка установлена вплотную к первой и обращена коллекторным электродом к конвертору нейтронов первой алмазной подложки.
Устройство алмазного детектора нейтронов представлено на фиг. 1, где: 1, 10 - алмазные подложки; 2, 11 - металлические обкладки вспомогательных коллекторных электродов; 4, 8 - тонкие эпитаксиальные алмазные слои; 3, 9 - графитизированные слои инжекторных электродов; 5, 7 - металлические обкладки основных коллекторных электродов; 6 - конвертор нейтронов.
6
Алмазный детектор нейтронов изготавливается на основе двух алмазных подложек с малым количеством примесей (пластины электронного качества), выращенных CVD способом. На одной из граней подложек на глубину около 0,3 мкм проводится ионная имплантация атомов гелия [Alexander Oh et al. A novel detector with graphitic electrodes in CVD diamond/ Diamond & Related Materials, 2013, Vol. 38, pp. 9-13] с энергией до 350 кэВ. В результате чего в подложках формируются проводящие графитизированные слои, которые выполняют роль инжекторных электродов алмазного детектора. После имплантации атомов гелия проводится отжиг подложек для устранения дефектов структуры поверхности, через которую осуществлялась имплантация. Затем на восстановленной поверхности подложек CVD способом производится наращивание алмазной пленки электронного качества толщиной 15-20 мкм. На поверхность алмазной пленки и на тыльную сторону алмазных подложек методом вакуумного напыления наносятся металлические контакты толщиной 0,1-0,3 мкм, которые выполняют роль основных и вспомогательных коллекторных электродов. На одну из подложек, поверх металлического контакта, расположенного на поверхности алмазной пленки, наносится слой конвертора нейтронов, например Li. Алмазные подложки с сформированными слоями располагаются вплотную друг к другу, так чтобы тонкие алмазные слои оказались внутри структуры детектора.
Схема включения алмазного детектора нейтронов и треки заряженной частицы и нейтрона при их регистрации детектором показаны на фиг. 2.
см
На инжекторные электроды алмазного детектора подается положительное напряжение смещения детектора (U). Основные коллекторные электроды детектора подсоединяются к входу основного усилителя (У1), выход которого подается на вход схемы ключа (К). Вспомогательные коллекторные электроды подсоединяются к входу управляющего усилителя (У2), выход которого соединен с управляющим входом схемы ключа (К). Выход схемы ключа (К) подсоединен к входу счетчика (СЧ), фиксирующего количество нейтронов, зарегистрированное детектором.
6
При попадании в детектор теплового нейтрона (n) нейтрон проходит алмазные слои детектора без взаимодействия и попадает в слой конвертора нейтронов. В результате взаимодействия нейтрона с веществом конвертора (Li) в конверторе образуются α-частица и ядро трития (t) с суммарной кинетической энергией 4,78 МэВ. Ядро трития и α-частица разлетаясь попадают в тонкие алмазные слои детектора, порождая в них электрические заряды. Заряды под действием напряжения смещения собираются на основных коллекторных электродах и подаются на вход основного усилителя (У1), где преобразуются в импульс напряжения, который через схему ключа проходит на вход счетчика (СЧ) регистрации нейтронов.
см
При попадании в детектор ионизирующей частицы или гамма-кванта (р) в слоях алмазных подложек и в тонких алмазных слоях детектора образуются заряды, которые под действием напряжения смещения (U) собираются на основных и дополнительных коллекторных электродах детектора. Заряды с дополнительных коллекторных электродов подаются на вход управляющего усилителя (У2), с выхода которого сигнал поступает на управляющий вход схемы ключа (К) и блокирует передачу выходного сигнала основного усилителя (У1) на вход схемы счетчика (СЧ). Таким образом, в детекторе исключается регистрация ионизирующих частиц и гамма-квантов.
Полезная модель по сравнению с известными техническими решениями позволяет изготовить алмазный детектор нейтронов, нечувствительный как к гамма-фону, так и к потокам ионизирующих частиц, обладает высокой радиационной стойкостью алмазного детектора и минимальными масса-габаритными характеристиками.