Спосіб вимірювання флюєнсу швидких нейтронів

Реферат: UA 76436 U UA 76436 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Корисна модель належить до техніки вимірювання іонізуючого, зокрема нейтронного випромінювання, і може бути застосована в дослідженнях, що пов'язані з впливом на апаратуру, матеріали та довкілля високоенергетичного проникаючого випромінювання, в розробці датчиків і вимірювальних пристроїв, які б мали порівняно з існуючими більш високу чутливість, точність, малі габарити, були б простими і зручними в експлуатації та були б радіаційно стійкими. Відомий спосіб вимірювання флюєнсу швидких нейтронів за допомогою напівпровідникових резистивних дозиметрів [1], при застосуванні яких в напівпровіднику утворюються стійкі дефекти структури кристалічної ґратки, внаслідок чого змінюються електрофізичні властивості напівпровідника. Але недоліком відомого способу є суттєвий розбіг чутливості детекторів, який обумовлено неоднаковістю матеріалу детекторів (легованого силіцію) внаслідок недосконалості технології їх виготовлення. Найбільш близьким до корисної моделі, що заявляється, є спосіб вимірювання флюєнсу швидких нейтронів за допомогою вимірювання опору n - силіцію, який збільшується під дією нейтронного випромінювання [2]. Але недоліком відомого способу є низька чутливість, яка особливо позначається при малих рівнях опромінення, а також недостатня точність при високих флюєнсах, пов'язана з поступовою деградацією електричних характеристик напівпровідника по мірі збільшення дози опромінення. В основу корисної моделі поставлена задача підвищення чутливості і точності вимірів флюєнсів швидких нейтронів за допомогою напівпровідникових резистивних датчиків в широкому діапазоні змінення дози випромінювання, а також покращення радіаційної стійкості відповідних детекторів. Поставлена задача вирішується тим, що вимірювання флюєнсу швидких нейтронів здійснюється шляхом вимірювання електричних параметрів напівпровідникового резистивного датчика, згідно з корисною моделлю, в процесі опромінення вимірюють амплітуду 3-ї гармоніки змінної синусоїдальної напруги на напівпровідниковому датчику і за величиною її відносної зміни судять про величину флюєнсу. Суть корисної моделі пояснюють креслення (фіг. 1), де зображена блок-схема пристрою для вимірювання флюєнсу швидких нейтронів, згідно із корисною моделлю. Він складається з напівпровідникового резистивного датчика 1, генератора змінної напруги 2, постійного резистора 3, який виконує роль вхідного фільтра з певною частотою пропускання, та селективного вольтметра 4. При вимірюванні електричних характеристик напівпровідникового резистивного датчика 1 на нього від джерела 2 через постійний резистор 3 подається синусоїдальна напруга, а за корисний сигнал, що характеризує флюєнс швидких нейтронів, приймається рівень 3-ї гармоніки, яка виділяється на датчику 1 і реєструється вимірювачем 4. На фіг. 2 наведено результати вимірювань відносної зміни опору резистора 1 на 1-й (основній) гармоніці під час опромінення швидкими нейтронами з енергією 2 МеВ в широкому 14 -2 діапазоні флюєнсів: від 10 до 5·10 см [3]. При цьому значення опору після опромінення по відношенню до значення перед початком опромінювання змінювалося лише на 1,5-2 %. На фіг. 3 наведено результати вимірювань відносної зміни амплітуди напруги 3-ї гармоніки при тих же умовах опромінювання [3]. При цьому опромінювання потоком швидких нейтронів веде до збільшення амплітуди 3-ї гармоніки в процесі опромінювання в 3,5-6 разів (в залежності від величини амплітуди напруги 1-ї гармоніки) у відношенні до значення амплітуди перед початком опромінювання. Це свідчить про те, що відносна амплітуда напруги 3-ї гармоніки змінюється в широких межах в залежності від флюєнсу нейтронів при постійній амплітуді основної частоти. Як було доведено у роботі [4], амплітуда напруги 3-ї гармоніки E30 пов'язана з амплітудою напруги 1-ї гармоніки E10 наступним рівнянням: E 30  50 55 3 aE10 , 2l2  T S де а і l - ширина і довжина резисторної структури; η - коефіцієнт, який визначається частотою опірної синусоїдальної напруги; αT - температурний коефіцієнт опору резисторної структури; ρS - поверхневий опір транзистора. З цієї формули можна бачити, що зміни 3-ї гармоніки посилені кубічно відносно змін 1-ї гармоніки. При бомбардуванні швидкими нейтронами напівпровідникового резистора утворюється значна кількість дефектів, при цьому збільшується не лінійність його електричного опору, що викликає збільшення рівня 3-ї гармоніки. Поведінка силіцію, який був опромінений потоком швидких нейтронів, пояснюється на основі моделі [5], яка враховує спотворення областей, що утворюються внаслідок формування "термічних піків". Розмір спотворених областей може бути різним. Припускається, що значна частина їх буде більша за 100-200 Å. 1 UA 76436 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Утворення пошкоджених областей призводить до зміни постійної ґратки як в самих зонах, так і в оточуючій їх матриці і відповідно до локальних змін теплових властивостей напівпровідника. Зменшення теплопровідності аморфізованих областей при процесах, що швидко протікають, може призводити до різниці температур матриці і пошкоджених областей, а, отже, до зміни (зменшення) температурного коефіцієнта опору αT в локальних областях. Це проявляється у збільшенні амплітуди (рівня) 3-ї гармоніки. Зменшення значення температурного коефіцієнта опору αT в процесі опромінення і приводить до збільшення рівня 3-ї гармоніки. Приклад конкретного виконання Спосіб вимірювання флюєнсу швидких нейтронів здійснюється наступним чином. Силіцієві інтегральні резистивні датчики розміром 30×280 мкм виготовлялися стандартними методами пленарної технології: дифузією бору в n-силіцій на глибину близько 0,7 мкм до досягнення опору 10-16 кОм. Задання режиму вимірювання здійснювалося від стандартного генератора ГЗ-56/1 на основній частоті 6,5 кГц, амплітуда напруги становила 0,7 В; вимірювання корисного сигналу проводили за допомогою фільтра з вхідним опором 300 Ом і частотою пропускання 19,5 кГц. Амплітуда 3-ї гармоніки вимірювалася за допомогою селективного вольтметра на частоті 19,5 кГц. Після первинного вимірювання амплітуди 3-ї гармоніки резистори (1) поміщалися в потік 7 швидких нейтронів з енергією Е=1,8 МеВ від джерела Pu-Ве з потужністю потоку Р=5-10 н/с і 12 14 -2 витримувалися при значеннях і флюєнсів від 10 до 10 см . В процесі опромінення вимірювали рівень 3-ї гармоніки. Для типового конструкторськотехнологічного варіанта зразка резистивного датчика відносна зміна амплітуди 3-ї гармоніки E (Ф) в залежності від флюєнсу нейтронів Ф в межах похибки вимірювань була практично y  30 E30 (0) лінійною, що можна бачити з фігури 4, на якій наведено експериментальні дані та межі довірчого інтервалу з вірогідністю Р>0,95. 14 Слід зазначити, що в процесі опромінення до значних показників флюєнсу нейтронів (до 10 -2 см ) деградація електричних властивостей резистивних датчиків відносно рівня амплітуди 3-ї гармоніки змінної синусоїдальної напруги не спостерігалась. Таким чином, запропонований спосіб вимірювання флюєнсу швидких нейтронів дозволяє: 1. Вірогідно визначати флюєнс швидких нейтронів за величиною відносної зміни амплітуди 3-ї гармоніки, яка виділяється на напівпровідниковому резистивному датчику в процесі опромінення. 2. Здійснювати вимірювання великих значень флюєнсів нейтронів при відсутності деградації основних електричних параметрів детектора. Джерела інформації: 1. Koblenz F.W., Taulbee C.D., Walker R.L. Application of Silicon Damage to Neutron Exposure Measurements // IEEE Transactions at Nuclear Science, 1967. - vol. NS-14, № 6. - P. 147-152. 2. Шашкин В.И., Кондратенко Ю.Б. Полупроводниковые дозиметры быстрых нейтронов // Сборник: Атомная техника за рубежом, М.: Атомиздат, 1977. - № 6. - С. 35-43. 3. Пелихатый Н.М. Нелинейности электронно-дырочных структур, облученных нейтронами и гамма-квантами // Вісник Харківського національного університету ім. В.Н. Каразіна. - Серія Фізична: Ядра, частинки, поля. - Харків, 2000. - Вип. 4, № 476. - С. 191-196. 4. Сердюк Г.Б., Ковалева А.Г., Пономарь Е.Л., Середа Н.И. Проблемы диагностики непроволочных резисторов // К.: Знання, 1972.-18 с. 5. Gossick B.R. Ingomogenuties in Semiconductors Exposed to Fast Neutrons // J. Phys. Soc. Japan. - vol. 18, Suppl. III. - 1963. - P. 226-229. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 50 Спосіб вимірювання флюєнсу швидких нейтронів шляхом вимірювання електричних параметрів напівпровідникового резистивного датчика, який відрізняється тим, що в процесі опромінення вимірюють амплітуду 3-ї гармоніки змінної синусоїдальної напруги на напівпровідниковому датчику і за величиною її відносної зміни судять про величину флюєнсу. 2 UA 76436 U 3 UA 76436 U Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4