Детектор тепловых нейтронов

Изобретение относится к области приборостроения и может найти применение для измерения основных параметров нейтронных потоков. Технический результат - расширение функциональных возможностей. Для достижения данного результата нейтроны регистрируются не непосредственно, а с помощью ядерных реакций. В результате ядерных реакций возникает гамма-излучение или заряженные частицы. Измерение нейтронного потока осуществляется на основе ионизации полупроводника гамма-излучением. При этом детектор содержит в качестве чувствительного элемента полупроводник TlInSe₂, в который введен изотоп ⁶Li. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к области измерения ионизирующих излучений, а точнее - к детекторам тепловых нейтронов.

Известно, что из-за слабой ионизирующей способности нейтронов последние регистрируются не непосредственно, а с помощью ядерных реакций, в результате которых возникает гамма-излучение или электрически заряженные частицы [1].

Известны детекторы тепловых нейтронов типа камер деления [2, 3], представляющие собой ионизационную камеру, внутренняя поверхность которой покрыта тонким слоем делящегося вещества (²³⁵U, ²³⁸U, ²³⁹Pu, ²³²Th). В камерах деления используется реакция деления (n, f). Под действием нейтронного излучения происходит деление атомов вещества на электрически заряженные частицы - осколки деления, которые производят ионизацию воздуха в камере; генерируемый при этом ионизационный ток и является мерой измерения интенсивности нейтронного излучения. Детекторы данного типа имеют низкую чувствительность, что вынуждает разработчиков увеличивать рабочие объемы камер. Это, в свою очередь, приводит к существенному возмущению контролируемого нейтронного потока.

Известны также нейтронные детекторы типа сцинтилляционных счетчиков тепловых нейтронов на основе кристалла ⁶Li [4]. В данном детекторе нейтрон захватывается ядром изотопа лития (⁶Li) и происходит ядерная реакция (n, α) с образованием двух зараженных частиц: альфа-частицы и тритона. Сильно ионизирующая альфа-частица возбуждает вспышку сцинтиллятора ⁶LiI, по которой и регистрируется нейтрон. Данный тип детекторов работает в так называемом счетном режиме, что не позволяет контролировать динамические и мощностные характеристики нейтронных источников.

Прототипом данного предлагаемого изобретения является полупроводниковый детектор жесткой радиации [5]. Данный детектор содержит кристалл TlInSe₂ с электрическими контактами, заключенный в металлический корпус. Чувствительность к тепловым нейтронам данного детектора обусловлена присутствием в составе данного соединения элемента индий (¹¹⁵In), имеющего значительное сечение захвата тепловых нейтронов. При захвате теплового нейтрона ядром атома индия из последнего испускается так называемое захватное гамма-излучение, которое, поглощаясь в объеме кристалла, создает дополнительный электрический ток детектора. Величина этого тока и служит мерой потока тепловых нейтронов. Данный детектор отличается высокой чувствительностью при малых размерах. Недостатком данного детектора является то, что его селективная чувствительность по тепловым нейтронам близка по величине к чувствительности по гамма-излучению. Вследствие этого в смешанных гамма-нейтронных полях выделение нейтронной компоненты сигнала детектора затруднено. Это приводит к снижению точности измерения потока тепловых нейтронов.

С целью устранения данного недостатка предлагаем значительное увеличение чувствительности детектора к тепловым нейтронам без изменения его чувствительности к гамма-излучению. Данное увеличение достигается введением в соединение TlInSe₂ изотопа лития ⁶Li. Ядро данного изотопа имеет большую вероятность захвата тепловых нейтронов (сечение захвата σ=945 барн), вследствие чего происходит интенсивная ядерная реакция ⁶Li (n, α) ³H. В результате реакции возникает две заряженные частицы - альфа-частица и тритон. Данные заряженные частицы, разлетаясь внутри кристаллического образца, генерируют электрон-дырочные пары гораздо интенсивнее, чем захватное гамма-излучение в детекторе по [5] (т.к. ионизирующая способность гамма-излучения много слабее, чем заряженных частиц). Это обуславливает резкое увеличение отклика детектора на нейтронную компоненту гамма-нейтронного поля. При этом отклик на гамма-компоненту поля не изменяется. Таким образом достигаем значительное повышение селективной чувствительности детектора именно к нейтронному излучению.

Для оценки. Оценка увеличения чувствительности детектора по тепловым нейтронам в результате введения в полупроводник изотопа лития вытекает из расчета такого параметра, как темп генерации G электрон-дырочных пар в расчете на единичный нейтронный поток. Для случая без лития расчет проводится на основании выражения:

где σ и n - сечение захвата теплового нейтрона ядром изотопа ¹¹⁵In и концентрация последнего в кристалле, соответственно, ε - энергия образования электрон-дырочной пары в кристалле, d - толщина кристалла, I_i и hν_i - интенсивность и энергия i-й линии в спектре захватного излучения ¹¹⁵In, и µ_i - линейный коэффициент поглощения в кристалле для i-линии. Суммирование производится по всем линиям линейчатого спектра захватного излучения изотопа ¹¹⁵In.

Для случая с литием расчет проводится на основании выражения:

где σ - сечение реакции (n, α) на ядре изотопа ⁶Li, n - концентрация лития в кристалле, d - толщина кристалла, ε - энергия образования электрон-дырочной пары в кристалле, Q - суммарная кинетическая энергия заряженных частиц в реакции ⁶Li (n, α) ³H.

Расчеты данного параметра показали, что при количестве введенного лития в 25 атомных %, т.е. 0.9·10²² см^-3, темп генерации G увеличится с 0.817·10⁵ см^-3c^-1 до 7.65·10⁶ см^-3 с^-1, т.е. чувствительность детектора по тепловым нейтронам возрастет в ~ 94 раза.

Как показали данные оценки, для достижения указанной цели необходимо введение упомянутого изотопа лития в TlInSe₂ в значительном количестве (единицы и десятки атомных процентов). Это невозможно при обычном металлургическом легировании, которое ограничено сотыми долями процента. Кроме того, примесь, как известно, даже в сотые доли процента значительно изменяет свойства легируемого полупроводника, и такие изменения могут быть нежелательны, например уменьшение времени жизни носителей тока и, как следствие, уменьшение чувствительности.

Однако для соединений с анизотропным строением кристаллической решетки, к которым относится соединение TlInSe₂ [6], возможно введение большого количества примеси методом так называемой интеркаляции [7-9]. Последняя заключается в введении в межслоевое, или межцепочечное так называемое вандерваальсово пространство анизотропной кристаллической решетки посторонних атомов. Это возможно ввиду слабой связи между слоями или цепочками таких анизотропных кристаллических решеток. При этом примесь образует как бы прослойки в решетке и не изменяет основные полупроводниковые свойства интеркалируемого кристалла.

В предложенном детекторе интеркаляция проводилась путем выдержки кристаллов TlInSe₂ в откачанной ампуле с парами лития при температуре, находящейся в диапазоне (500÷700)°С в течение (150÷250) часов. При этом количество введенного лития оказалось n≈6,2·10²⁰ см^-3 (т.е. 1.7 атомных %), а чувствительность детектора по тепловым нейтронам увеличилась примерно на порядок.

На фиг.1 представлена электрическая схема предложенного детектора ядерного излучения вместе с измерительными средствами. Они включают в себя: (1) - чувствительный элемент (ЧЭ) на основе кристалла TlInSe₂ с двумя электрическими контактами, заключенный в светонепроницаемый металлический корпус (2), (3) - источник питания с напряжением 10 В и (4) - нагрузочное сопротивление, включенное последовательно с ЧЭ. Сигнал с нагрузочного сопротивления подается без предварительного усиления на вход осциллографа (5).

Чувствительный элемент (1) детектора изготавливается следующим образом. Монокристаллический слиток полупроводника TlInSe₂, полученный модифицированным методом горизонтальной зонной перекристаллизации [6], раскалывается по плоскостям спайности с образованием образцов в виде параллепипеда с примерными размерами 1·1·7 мм³ (фиг.2). На две противоположные большие грани образца наносятся два контакта из металлического сплава. Одним контактом образец припаивается к металлической стойке корпуса детектора, а ко второму припаивается центральный провод экранированного токовывода. Общий вид детектора в сборе приведен на фиг.3.

Предложенный детектор работает следующим образом. При облучении детектора импульсами гамма-нейтронного излучения ток ЧЭ увеличивается за счет: а) ионизации полупроводника падающим гамма-излучением; б) ионизации полупроводника электрически заряженными α-частицей и тритоном из реакции (n, α), протекающей на изотопе ⁶Li под действием нейтронной составляющей гамма-нейтронного излучения. Дополнительный ток создает на нагрузочном сопротивлении (4) приращение напряжения, которое регистрируется осциллографом (5). При этом приращение напряжения, обусловленное ионизацией "б", т.е. нейтронная компонента сигнала, будет значительнее, чем гамма-компонента сигнала.

Описанный детектор, благодаря высокой чувствительности и малым размерам, а также большому ресурсу работоспособности, может с успехом применяться, наряду с камерами деления, для контроля мощностных, временных, а также пространственных распределений гамма-нейтронного излучения импульсных исследовательских реакторов.

Испытания детектора показали целесообразность использования его в качестве монитора на импульсных реакторах. В отличие от детекторов, работающих в счетном режиме, рассмотренный детектор является интегрирующим. Это позволяет наблюдать каждый из следующих друг за другом импульсов нейтронного источника. Следовательно, появляется возможность контролировать, например, стабильность импульсов по амплитуде гамма- и нейтронной компонент. Высокая чувствительность детектора работы и малые размеры позволяют проводить практически точечные измерения потока нейтронов с целью, например, исследования равномерности распределения поля по поперечному сечению коллимированных пучков, или для выбора оптимального месторасположения мишени в пучке. К тому же прибор, благодаря малым размерам, практически не возмущает нейтронное поле в экспериментальном пучке, что позволяет не выводить его из пучка во время эксперимента. Рассчитанный [10] допустимый флюенс по тепловым и быстрым нейтронам составляет ~10¹⁶ нейтронов/см^-2 и является достаточным, чтобы гарантировать по меньшей мере 1.5-годовую непрерывную эксплуатацию приборов без их замены.

Источники информации

1. Н.А.Власов Нейтроны. Изд. "НАУКА", М., 1971.

2. С.В.Чукляев, Ю.Н.Пепелышев. Временное разрешение вакуумной камеры деления. Приборы и техника эксперимента. №6. С.23-28. (2003).

3. Muphy J.F., University of California. Lawrence Radiation Laboratory Report UCRL-6505 (1961).

4. Б.В.Шульгин, В.Л.Петров и др. Сцинтилляционные детекторы нейтронов на базе ⁶Li-силиконового стекла, активируемого церием. ФТТ. Т.47, вып.8 (2005).

5. Алексеев И.В. Применение кристаллов TlInSe₂ для детектирования жесткой радиации. Изв. АН СССР. Неорганические материалы, т.28, №12, с.2404 (1992).

6. И.А Алексеев. Ориентированное выращивание кристаллов TlInSe₂. Изв. АН СССР. Неорганические материалы, т.26, №7, с.1401 (1990).

7. К.Д.Товстюк. Полупроводниковое материаловедение. К.: "Наукова думка", 1984 г., с.213.

8. S.N.Mustafaeva, V.A.Ramazanzade, M.M. Asadov. Influence of Interalation on electrical and fotoelektrical properties of ternary chain and layer Semiconductors. Materials Chemistry and Physics, 40, p.142-145, (1995).

9. З.Д. Ковалюк, В.Б.Савитский, К.Д.Товстюк. Электрические свойства монокристаллов при интеркалации теллуром. Изв. АН СССР. Неорганические материалы. Т.18, №2, с.209 (1982).

10. И.А Алексеев. Изв. АН АзССР. сер. физ.-техн. и мат. наук. №1. C.61, 1985.

1. Детектор ядерного излучения, преимущественно тепловых нейтронов, содержащий чувствительный элемент в виде полупроводникового кристалла TlInSe₂ с электрическими контактами, отличающийся тем, что в состав кристалла введен способом интеркаляции дополнительный химический элемент - изотоп лития ⁶Li, при этом количество введенных атомов изотопа ⁶Li составляет не менее 1% атомов-компонентов кристалла TlInSe₂.

2. Детектор ядерного излучения по п.1, отличающийся тем, что интеркаляция выполнена путем выдержки кристаллов TlInSe₂ в откачанной ампуле с парами лития при температуре, находящейся в диапазоне 500-700°С, в течение 150-250 ч.