АЛМАЗНЫЙ ДЕТЕКТОР ТЕПЛОВЫХ НЕЙТРОНОВ Российский патент 2015 года по МПК G01T3/00 

Описание патента на изобретение RU2565829C1

Изобретение относится к полупроводниковым детекторам для регистрации корпускулярных излучений, в частности к алмазным детекторам тепловых нейтронов, и может использоваться в устройствах регистрации тепловых нейтронов, работающих в условиях повышенных температур и в полях гамма-излучения большой интенсивности.

Основными отраслями применения алмазных детекторов тепловых нейтронов являются ядерная, космическая, а также медицинская.

В настоящее время алмаз является перспективным материалом для создания термостойких и радиационно-стойких детекторов ионизирующих излучений, способных работать при температурах до 250°C, 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).

Известно устройство [1], состоящее из алмазной пластины, на которую нанесены контактные электроды. Алмазная пластина с контактными площадками крепится к основанию, причем сверху контактной площадки установлен конвертор из чувствительного к тепловым нейтронам материала, например В10. Напряжение смещения на алмазную пластину подается через вывод, а съем сигнала осуществляется с другого вывода.

При попадании теплового нейтрона в радиатор, в радиаторе происходит реакция, в результате которой образуется высокоэнергетические частицы. В частности, изотоп бора В10 распадается на альфа-частицу и Li7. 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 основание и вывод поступают на вход измерительного блока.

Такой алмазный детектор чувствителен к гамма-излучению, которое практически всегда сопутствует нейтронному излучению, и вносит свой вклад в сигнал детектора. Наличие чувствительности к гамма-излучению приводит к значительным ошибкам измерения интенсивности нейтронного потока, а это является существенным недостатком детектора.

Прототипом предлагаемого изобретения является устройство алмазного детектора для регистрации тепловых нейтронов [2], который 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 алмазного слоя. На поверхность слоя наносится металлический контактный электрод, на которой устанавливается конвертор тепловых нейтронов, например из В10.

Регистрации тепловых нейтронов в данном устройстве осуществляется таким же образом, как и в устройстве [1].

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 слой алмаза в 10 мкм, будут оставлять в этом слое незначительную энергию, тем самым практически не создавая сигнала в алмазном детекторе.

Существенным недостатком прототипа является сложность и высокая стоимость изготовления алмазного детектора описанной конструкции, что связано с особенностями выращивания чувствительных эпитаксиальных слоев: легированного бором слоя и следующего нелегированного слоя CVD-алмаза. Для выращивания указанных слоев требуется использование двух различных плаз-мохимических реакторов, что существенно увеличивает стоимость производственного оборудования. Кроме того, изготовление таких алмазных детекторов невозможно с использованием монокристаллических пластин из природного алмаза, которые часто используются для изготовления алмазных полупроводниковых приборов.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является снижение его чувствительности к фоновому гамма-излучению, которое приводит к значительным ошибкам измерения интенсивности нейтронного потока, а также возможность использования как синтетических, так и природных алмазов.

Технический результат достигается тем, что один из контактных электродов детектора выполнен в виде набора проводящих графитовых столбиков, расположенных в объеме алмазной пластины, основания которых параллельно подсоединены к выводу для подачи напряжения смещения, а торцы располагаются на расстоянии 5-10 мкм до второго электрода детектора, над которым расположен конвертор тепловых нейтронов.

Технических решений, содержащих совокупность признаков, сходных сотличительными, не выявлено, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию новизна.

Конструкция алмазного детектора тепловых нейтронов представлена на рисунке 1, где 1 - алмазная пластина, 2 - графитовые столбики, 3 - верхний контактный электрод, 4 - нижний контактный электрод, 5 - конвертор тепловых нейтронов, выводы для подачи напряжения смещения и съема сигнала 6.

В алмазном детекторе графитовые столбики 2 изготавливаются путем локального нагрева участка алмазной пластины, сфокусированным лазерным излучением до температуры, при которой происходит графитизация алмаза, то есть фазовый переход алмаза в электропроводящий графит [3, 4]. Столбики формируются таким образом, чтобы зазор между их торцами и верхним контактным электродом 3 составлял величину 5-10 мкм. Столбики располагаются периодически на протяжении всей рабочей площади пластины, на малом расстоянии друг от друга и находятся в контакте с нижним электродом 4.

Для работы детектора к выводам 6 подводится напряжение смещения, которое создает электрическое поле между торцами графитовых столбиков и верхним контактным электродом 3. При этом в области ниже торцов графитовых столбиков электрическое поле отсутствует.

При регистрации нейтронного потока, нейтроны реагируют с ядрами конвертера, образуя альфа частицы и ядра дочернего продукта, например при использовании в качестве конвертора изотопа 10В, из конвертора вылетает альфа-частица и ядро изотопа 7Li, которые проходят через электрод 3 и полностью тормозятся в поверхностном слое алмазной пластины 1. При этом в поверхностном слое алмазной пластины, толщина которого составляет от 5 до 10 мкм, возникают электронно-дырочные пары. Электроны и дырки дрейфуют под действием электрического поля, собираясь на торцах графитовых столбиков и контактном электроде 3. При этом создается импульс тока, регистрируемый внешней электронной аппаратурой, подключенной к выводам 6.

При попадании в детектор гамма-квантов фонового гамма-излучения, которое практически всегда сопутствует нейтронному излучению, в зазоре между торцами столбиков и контактным электродом 3 рождается лишь незначительное количество электронно-дырочных пар. Это объясняется тем, что толщина слоя алмаза, в котором происходит взаимодействие гамма-излучения с материалом детектора, составляет 5-10 мкм, при этом сечение взаимодействия гамма-квантов с алмазом на четыре-пять порядков меньше, чем сечение взаимодействия с алмазом альфа-частиц и дочерних ядер, вылетающих из материала конвертора тепловых нейтронов. Таким образом, обеспечивается существенное на 4-5 порядков превышение сигнала от нейтронного потока над сигналом гамма-фона.

Предлагаемое изобретение имеет изобретательский уровень, так как сочетание новых признаков с уже известными не очевидно для специалиста.

Предлагаемое изобретение по сравнению с известными техническими решениями позволяет изготовить алмазный детектор тепловых нейтронов, нечувствительный к гамма-фону, основой которого может быть как природный, так и искусственный алмаз. Цена изготовления таких алмазных детекторов тепловых нейтронов будет на 30-50% ниже, чем у известных алмазных детекторов.

Литература

1. Патент US 3723726 от 27 марта 1973 г. Kozlov S.F. Device with diamond detector with neutron detection.

2. M. Marinelli et al., High performance 6LiF-diamond thermal neutron detectors, Applied Physics Letters 89 (2006) 143509.

3. A. Oh et al., A novel detector with graphitic electrodes in CVD diamond, Diamond Relat. Mater. 38 (2013) 9.

4. T.V. Kononenko, et al. Microstructuring of diamond bulk by IR femtosecond laser pulses. Applied Physics A, 90 (2008) 645.

Похожие патенты RU2565829C1

название год авторы номер документа
Алмазный детектор тепловых нейтронов 2022
  • Алтухов Андрей Александрович
RU2821300C2
АЛМАЗНЫЙ ДЕТЕКТОР ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ 2015
  • Афанасьев Сергей Анатольевич
  • Алтухов Андрей Александрович
  • Зяблюк Константин Николаевич
  • Колюбин Владимир Александрович
  • Конов Виталий Иванович
  • Ральченко Виктор Григорьевич
  • Кононенко Тарас Викторович
RU2607300C1
ДЕТЕКТОР НЕЙТРОНОВ 2009
  • Васенков Александр Анатольевич
  • Ильичев Эдуард Анатольевич
  • Кочержинский Игорь Константинович
  • Полторацкий Эдуард Алексеевич
  • Рычков Геннадий Сергеевич
  • Гнеденко Валерий Герасимович
  • Федоренко Станислав Николаевич
RU2386983C1
ДЕТЕКТОР ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ 2009
  • Васенков Александр Анатольевич
  • Ильичев Эдуард Анатольевич
  • Кацоев Валерий Витальевич
  • Кацоев Леонид Витальевич
  • Кочержинский Игорь Константинович
  • Полторацкий Эдуард Алексеевич
  • Рычков Геннадий Сергеевич
  • Гнеденко Валерий Герасимович
  • Федоренко Станислав Николаевич
RU2386982C1
СИСТЕМА РЕГИСТРАЦИИ ПОТОКОВ КОРПУСКУЛЯРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ АЛМАЗНОГО ДЕТЕКТОРА ДЛЯ ВРЕМЯПРОЛЕТНОЙ СПЕКТРОМЕТРИИ ЛАЗЕРНОГО ТЕРМОЯДЕРНОГО СИНТЕЗА 2022
  • Родионов Николай Борисович
  • Амосов Владимир Николаевич
  • Мещанинов Сергей Анатольевич
  • Родионова Валентина Петровна
  • Артемьев Кирилл Константинович
RU2797867C1
ДЕТЕКТОР БЫСТРЫХ НЕЙТРОНОВ 2013
  • Бритвич Геннадий Иванович
  • Кольцов Геннадий Иосифович
  • Диденко Сергей Иванович
  • Чубенко Александр Поликарпович
  • Черных Алексей Владимирович
  • Черных Сергей Владимирович
  • Барышников Федор Михайлович
  • Свешников Юрий Николаевич
  • Мурашев Виктор Николаевич
RU2532647C1
СКВАЖИННЫЙ ГЕНЕРАТОР НЕЙТРОНОВ 2012
  • Амурский Андрей Геннадьевич
  • Колюбин Владимир Александрович
  • Осипов Игорь Николаевич
  • Хусаинов Амир Мухитдинович
RU2504853C1
ИМПУЛЬСНАЯ НЕЙТРОННАЯ ТРУБКА 2000
  • Плешакова Р.П.
RU2198441C2
СЕНСОР ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ КРЕМНИЯ БЕСТИГЕЛЬНОЙ ЗОННОЙ ПЛАВКИ Р-ТИПА ПРОВОДИМОСТИ 2016
  • Елин Владимир Александрович
  • Меркин Михаил Моисеевич
RU2634324C1
ПОГРУЖНОЙ ДЕТЕКТОР АЛЬФА-ЧАСТИЦ НА ОСНОВЕ АЛМАЗНОГО ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА С ТРЕХМЕРНЫМ МАССИВОМ ЭЛЕКТРОДОВ 2016
  • Амосов Владимир Николаевич
  • Родионов Николай Борисович
  • Трапезников Александр Геннадьевич
  • Родионова Валентина Петровна
  • Большаков Андрей Петрович
  • Кононенко Тарас Викторович
  • Попович Алексей Федорович
  • Ральченко Виктор Григорьевич
RU2639587C1

Реферат патента 2015 года АЛМАЗНЫЙ ДЕТЕКТОР ТЕПЛОВЫХ НЕЙТРОНОВ

Изобретение относится к полупроводниковым детекторам для регистрации корпускулярных излучений, в частности к алмазным детекторам тепловых нейтронов. Алмазный детектор тепловых нейтронов состоит из алмазной пластины, двух контактных электродов, конвертора тепловых нейтронов и внешних выводов для подачи напряжения смещения и съема выходного сигнала, при этом один из контактных электродов выполнен в виде набора графитовых столбиков, расположенных в объеме алмазной пластины так, чтобы расстояние от торцов графитовых столбиков до второго контактного электрода не превышало 5-10 мкм, при этом основания графитовых столбиков параллельно подсоединены к выводу для подачи напряжения смещения, а конвертор тепловых нейтронов установлен над поверхностью другого контактного электрода. Технический результат - снижение чувствительности к фоновому гамма-излучению. 1 ил.

Формула изобретения RU 2 565 829 C1

Алмазный детектор тепловых нейтронов, состоящий из алмазной пластины, двух контактных электродов, конвертора тепловых нейтронов и внешних выводов для подачи напряжения смещения и съема выходного сигнала, отличающийся тем, что один из контактных электродов выполнен в виде набора графитовых столбиков, расположенных в объеме алмазной пластины так, чтобы расстояние от торцов графитовых столбиков до второго контактного электрода не превышало 5-10 мкм, при этом основания графитовых столбиков параллельно подсоединены к выводу для подачи напряжения смещения, а конвертор тепловых нейтронов установлен над поверхностью другого контактного электрода.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2015 года RU2565829C1

Marinelli et al., High performance 6LiF-diamond thermal neutron detectors, Applied Physics Letters 89, 143509 (2006)
ДЕТЕКТОР ИЗЛУЧЕНИЯ, ВЫПОЛНЕННЫЙ ИЗ АЛМАЗА 2001
  • Уайтхед Эндрю Джон
RU2237912C2
US 5216249 A, 01.06.1993
ДЕТЕКТОР НЕЙТРОНОВ 2009
  • Васенков Александр Анатольевич
  • Ильичев Эдуард Анатольевич
  • Кочержинский Игорь Константинович
  • Полторацкий Эдуард Алексеевич
  • Рычков Геннадий Сергеевич
  • Гнеденко Валерий Герасимович
  • Федоренко Станислав Николаевич
RU2386983C1

RU 2 565 829 C1

Авторы

Алтухов Андрей Александрович

Зяблюк Константин Николаевич

Колюбин Владимир Александрович

Конов Виталий Иванович

Ральченко Виктор Григорьевич

Кононенко Тарас Викторович

Даты

2015-10-20Публикация

2014-05-13Подача