Способ измерения флюенса быстрых нейтронов с помощью полупроводникового детектора

Изобретение относится к области радиационных технологий, а также к исследованиям, созданию и эксплуатации ядерных установок и ускорителей. Технический результат - повышение динамического диапазона измерений флюенса быстрых нейтронов (10⁸-10¹⁶ см^-2), отсутствие калибровка детектора, возможность измерения эквивалентного флюенса быстрых нейтронов с энергией 1 МэВ при неизвестном спектре. Способ включает измерение вольтамперной характеристики (ВАХ) полупроводникового детектора до и после облучения, в качестве которого используется планарный кремниевый детектор из высокоомного монокристаллического кремния n- или p-типа проводимости с p-n переходом и исходным удельным сопротивлением ρ>1 кОм×см, облучение неизвестным флюенсом быстрых нейтронов, определение флюенса быстрых нейтронов по приращению объемного термогенерационного (темнового) обратного тока детектора за счет образования в нем электрически активных радиационных дефектов от быстрых нейтронов, причем флюенс быстрых нейтронов определяют по формуле: $$Ф=\frac{\Delta I}{{\alpha }_I\times V}$$ , где: Ф (см^-2) - эквивалентный флюенс быстрых нейтронов с энергией 1 МэВ, ΔI=(I₁-I₀) (A) - измеренное приращение темнового обратного тока детектора после облучения, I₀ - ток детектора до облучения при напряжении полного обеднения, приведенный к температуре +20°C, I₁ - ток детектора после облучения при напряжении полного обеднения, приведенный к температуре +20°C, α_I=(5±0.5)×10^-17 (А/см) - токовая константа радиационных повреждений кремния для быстрых нейтронов с энергией 1 МэВ при температуре +20°C без учета самоотжига, V=d×S (см³) - объем детектора при напряжении полного обеднения, d - толщина (см) детектора (измеряется), S - активная площадь (см²) детектора (площадь p-n перехода, известна с высокой точностью из топологии детектора).

 

Изобретение относится к области радиационных технологий, а также к исследованиям, созданию и эксплуатации ядерных установок и ускорителей.

Принцип действия полупроводниковых (п/п) детекторов ионизирующих излучений основан на ионизации п/п материала детектора при попадании в детектор заряженных частиц или квантов электромагнитного излучения. При этом образуются заряды первичной ионизации, электроны и дырки, которые, дрейфуя в электрическом поле детектора, индуцируют электрический сигнал, пропорциональный потерям энергии частицы на ионизацию в детекторе. Кроме потерь энергии частиц (квантов) на ионизацию п/п материала детектора часть энергии теряется на создание структурных дефектов в п/п кристаллической решетке. Этот вид потерь энергии частиц (квантов) называется неионизирующие потери энергии (NIEL - Non Ionising Energy Losses). Структурные дефекты, создаваемые быстрыми нейтронами в кремнии, образуют электрически активные энергетические уровни (глубокие центры - ГЦ) внутри запрещенной зоны. Возникновение ГЦ в п/п материалах под действием быстрых нейтронов приводит к изменению основных параметров материала (кремния) детектора, таких как концентрация и время жизни носителей заряда. Изменение этих двух основных параметров п/п материала при воздействии быстрых нейтронов приводит к изменению удельного сопротивления в объеме детектора и к линейному росту термогенерационнного (темнового) тока детектора от флюенса быстрых нейтронов. При облучении быстрыми нейтронами высокоомного кремния n-типа сначала происходит увеличение удельного сопротивления за счет компенсации исходной донорной примеси (фосфор) радиационными дефектами, затем наступает точка инверсии типа проводимости из n-типа в p-тип и затем уменьшение удельного сопротивления p-типа. Величина флюенса быстрых нейтронов, при котором происходит инверсия типа проводимости, зависит от исходной величины удельного сопротивления кремния и составляет обычно Ф_н~10¹²÷10¹³ н/см² для детекторного кремния с удельным сопротивлением (8÷3) кОм×см. Для исходного кремния p-типа при облучении быстрыми нейтронами происходит всегда уменьшение удельного сопротивления за счет роста концентрации ГЦ (комплексов) акцепторного типа. Величина времени жизни носителей заряда п/п материала при облучении быстрыми нейтронами (заряженными частицами и фотонами) всегда уменьшается, и это приводит к росту термогенерационного тока в объеме детектора. Перечисленные выше эффекты в п/п материалах могут использоваться в приборах для измерения флюенса быстрых нейтронов и заряженных частиц. Известны способы измерения флюенса быстрых нейтронов на основе изменения электрофизических параметров полупроводниковых приборов. К таким способам измерения флюенса можно отнести следующие:

- Изменение падения напряжения на прямой ветви вольт-амперной характеристики кремниевого диода при облучении быстрыми нейтронами (Крамер-Агеев А.Е. и др. Нейтронные аварийные дозиметры на основе кремниевых промышленных полупроводниковых диодов. «Вопросы дозиметрии и защиты от излучений», Москва, №19, 1980, с.61-66).

- Изменение электрического сопротивления между первой и второй базами в однопереходном транзисторе КТ117, или двухбазовый диод (А.С. №934402, опубликован 07.06.82, БИ №21).

Наиболее близким к заявляемому способу является способ измерения флюенса быстрых нейтронов полупроводниковым детектором без (p-n)-перехода, включающий калибровку детектора, измерение электрофизических параметров детектора до и после облучения, облучение неизвестным флюенсом быстрых нейтронов (А.С. RU 2339975 C1). В качестве меняющегося под действием облучения быстрыми нейтронами электрофизического параметра детектора авторы используют удельное электрическое сопротивление монокристаллического кремния, а флюенс быстрых нейтронов определяют по формуле:

где K - коэффициент пропорциональности, определяемый при калибровке для измеряемого спектра нейтронов и не зависит от исходного удельного электрического сопротивления;

ρ₀ - исходное удельное электрическое сопротивление до облучения;

ρ - удельное сопротивление после облучения детектора флюенсом F быстрых нейтронов.

Основной недостаток первых двух способов с использованием промышленных приборов состоит в том, что из-за разброса исходных параметров таких приборов требуется индивидуальная калибровка каждого прибора, после которой практически невозможно восстановить исходные параметры (с помощью температурного отжига).

К недостаткам способа измерения флюенса быстрых нейтронов по изменению удельного электрического сопротивления монокристаллического кремния можно отнести следующие моменты:

- В описании способа не указан тип проводимости кремния, скорее всего, авторы использовали кремний p-типа проводимости, иначе для высокоомного кремния n-типа приведенная формула будет несправедливой при флюенсах до инверсии типа проводимости.

- Из приведенных таблиц с экспериментальными данными видно, что для каждого диапазона значений флюенсов быстрых нейтронов необходимо подбирать детектор с оптимальным значением начального удельного электрического сопротивления.

Техническим результатом изобретения является:

1) Возможность измерения эквивалентного флюенса быстрых нейтронов с энергией 1 МэВ при неизвестном спектре и без калибровки детектора.

2) Использование недорогих кремниевых планарных детекторов малой площади 5÷100 мм² с (p-n)-переходом на высокоомном монокристаллическом кремнии с надежными металлизированными контактами для измерений тока.

3) Большой диапазон измеряемого флюенса быстрых нейтронов 10⁸÷10¹⁶ см^-2 _.

4) Возможность проведения измерений с облученными детекторами сразу после снятия детектора из зоны облучения, т.к. наведенная активность будет ничтожно мала из-за малой массы детектора (детектор площадью 1 см² и толщиной 1 мм весит 0.23 г).

Технический результат изобретения достигается тем, что в данном способе измерения флюенса быстрых нейтронов полупроводниковым детектором, включающем измерение электрофизических параметров детектора до и после облучения, облучение неизвестным флюенсом быстрых нейтронов, согласно изобретению до и после облучения измеряют обратный темновой ток детектора при напряжении полного обеднения, а флюенс быстрых нейтронов определяют по приращению темнового обратного тока детектора при напряжении полного обеднения за счет образования в чувствительном объеме детектора радиационных дефектов от быстрых нейтронов, при этом флюенс быстрых нейтронов вычисляют по формуле:

где Ф (см^-2) - эквивалентный флюенс быстрых нейтронов с энергией 1 МэВ;

ΔI=(I₁-I₀) (А) - измеренное приращение темнового обратного тока детектора после облучения, I₀ - ток детектора до облучения при напряжении полного обеднения, приведенный к температуре +20°C, I₁ - ток детектора после облучения при напряжении полного обеднения, приведенный к температуре +20°C;

α_I=(5±0.5)×10^-17 (А/см) - токовая константа повреждений кремния для быстрых нейтронов с энергией 1 МэВ при температуре +20°C без учета самоотжига;

V=d×S (см³) - чувствительный объем детектора при напряжении полного обеднения, d - толщина (см) детектора (измеряется), S - активная площадь (см²) детектора (площадь p-n-перехода, известна с высокой точностью из топологии детектора).

Суть изобретения заключается в том, что в предлагаемом способе измеряется темновой обратный ток детектора при напряжении (не ниже) полного обеднения детектора до и после облучения. Между приращением темнового обратного тока детектора и эквивалентным флюенсом Ф быстрых нейтронов с энергией 1 МэВ существует линейная связь, при этом коэффициент α_I - токовая константа повреждений кремния для быстрых нейтронов с энергией 1 МэВ при температуре +20°C без учета самооотжига, не зависит от типа проводимости и величины удельного электрического сопротивления. Это позволяет, во-первых, измерять эквивалентный флюенс быстрых нейтронов с энергией 1 МэВ для неизвестного спектра нейтронов, во-вторых, измерять флюенс быстрых нейтронов без калибровки детекторов, что упрощает процесс измерений, в-третьих, измерять широкий диапазон быстрых нейтронов от 10⁸ до 10¹⁶ см^-2 с помощью детекторов разной площади и толщины.

Подтверждение практического применения данного способа измерений флюенса быстрых нейтронов продемонстрировано в экспериментах на исследовательской установке КВИНТА (ОИЯИ, Дубна) и на импульсном реакторе быстрых нейтронов ИБР-2 (ОИЯИ, Дубна).

При исследовании радиационной стойкости п/п детекторов на канале №3 реактора ИБР-2 в упаковку исследуемых детекторов помещались известные детекторы-спутники. После окончания облучения исследуемых детекторов мы быстро получали информацию о флюенсе быстрых нейтронов по детекторам-спутникам, эти цифры хорошо согласуются с измерениями нейтронно-активационного анализа (НАА).

Исследовательская установка КВИНТА состоит из сборки урана (²³⁸U) и облучается на одном из каналов сверхпроводящего ускорителя ионов НУКЛОТРОН пучком релятивистских дейтронов с разной энергией от 1 до 4 ГэВ/н. Одной из физических задач является измерение потоков быстрых нейтронов в разных точках установки (как внутри мишени, так и снаружи защиты). В качестве примера в таблице 1 приведены для одной из экспозиций результаты измерений флюенса быстрых нейтронов на установке КВИНТА в 12-ти точках, расположенных снаружи свинцовой защиты. В таблице 1 приведены реальные значения параметров детекторов до и после облучения быстрыми нейтронами. Значения измеряемых токов детекторов, приведенных к температуре +20°, лежат в пределах 1 нА (значения токов в диапазоне 1 нА легко измерять) до облучения при полном обеднении детектора (U_d=100 В) и возрастают до сотен нА при облучении быстрыми нейтронами до флюенса Ф=10¹² см^-2. Величина приращения темнового обратного тока детектора пропорциональна объему детектора, поэтому для измерений очень низких значений флюенса целесообразно применять детекторы с большим объемом, увеличивая толщину или площадь детектора. Из таблицы 1 видно, что детектор №1 при площади 13 мм² и толщине 515 мкм позволил измерить флюенс 3×10⁹ см^-2, если взять детектор площадью 1 см² и толщиной 1 мм, то чувствительность вырастет в 15 раз и соответственно уже можно измерять флюенсы от 2×10⁸ см^-2.

Таблица 1
№ дет.	S, см2	d, см	V, см3	I0, A	I1, A	ΔI, А	Ф, см-2
1	0.13	0.0515	0.006695	6.77E-10	1.67E-9	9.93Е-10	2.97Е+9
2	0.13	0.0516	0.006708	8.99E-10	2.39E-9	1.49Е-9	4.45Е+9
3	0.13	0.03	0.0039	3.88E-9	1.410E-8	1.02Е-8	5.24Е+10
4	0.13	0.03	0.0039	3.87E-9	1.025E-8	6.38Е-9	3.28Е+10
5	0.13	0.0298	0.003874	2.16E-9	1.423E-8	1.21Е-8	6.24Е+10
6	0.13	0.0299	0.003887	4.48E-10	1.578E-8	1.53Е-8	7.89Е+10
7	0.13	0.03	0.0039	5.73E-11	8.552E-8	8.55Е-8	4.38Е+11
8	0.13	0.0301	0.003913	2.16E-10	6.224E-8	6.20Е-8	3.17Е+11
9	0.13	0.0511	0.006643	9.17E-10	3.081E-7	3.07Е-7	9.25Е+11
10	0.13	0.0511	0.006643	9.17E-10	3.116E-7	3.11Е-7	9.36Е+11
11	0.13	0.0515	0.006695	8.42E-10	4.517E-7	4.51Е-7	1.35Е+12
12	0.13	0.515	0.006695	6.98E-10	3.720E-7	3.71Е-7	1.11Е+12
S - активная площадь детектора, см2;
d - толщина детектора, см;
V - объем детектора, см3;
I0 - ток детектора при +20°C до облучения. А;
I1 - ток детектора при +20°C после облучения, А;
ΔI=(I1-I0) - приращение тока, А;
Ф - эквивалентный флюенс быстрых нейтронов с энергией 1 МэВ, см-2.

Положительным результатом предлагаемого способа является то, что при неизвестном спектре быстрых нейтронов с хорошей точностью (±10%) можно применять планарные кремниевые детекторы с (p-n) переходом в качестве детектора для измерений флюенса быстрых нейтронов с эквивалентной энергией 1 МэВ. Калибровка детекторов не требуется, так как зависимость (линейная) приращения обратного тока детектора от эквивалентного флюенса быстрых нейтронов с энергией 1 МэВ не зависит от начальных параметров детектора и определяется известным значением токовой константы повреждений α_I=(5±0.5)×10^-17 (А/см). Уровень современной технологии кремниевых планарных детекторов позволяет изготавливать детекторы с очень низкими темновыми обратными токами менее 1 нА/см²/100 В/+20°, это делает простой и удобной технику измерений флюенса быстрых нейтронов по приращению обратного тока в диапазоне от десятых долей наноампера.

Способ измерения флюенса быстрых нейтронов с помощью полупроводникового детектора, включающий облучение детектора неизвестным флюенсом быстрых нейтронов, при котором происходит образование в чувствительном объеме детектора радиационных дефектов, и измерение электрофизических параметров детектора до и после облучения, отличающийся тем, что до и после облучения измеряют обратный темновой ток детектора с p-n переходом при напряжении полного обеднения, а флюенс быстрых нейтронов определяют по величине приращения темнового обратного тока детектора и вычисляют по формуле:
$$Ф=\frac{\Delta I}{{\alpha }_I\times V}$$ ,
где:
- Ф (см^-2) - эквивалентный флюенс быстрых нейтронов с энергией 1 МэВ;
- ΔI=(I₁-I₀) (A) - измеренное приращение темнового обратного тока детектора после облучения, I₀ - ток детектора до облучения при напряжении полного обеднения, приведенный к температуре +20°C, I₁ - ток детектора после облучения при напряжении полного обеднения, приведенный к температуре +20°C;
- α_I=(5±0.5)×10^-17 (А/см) - токовая константа повреждений кремния для быстрых нейтронов с энергией 1 МэВ при температуре +20°C;
- V=d×S (см³) - чувствительный объем детектора при напряжении полного обеднения, d - толщина (см) детектора, S - активная площадь (см²) детектора.