Способ регистрации нейтронного излучения с регулируемым диапазоном чувствительности на основе эффекта одиночных сбоев Российский патент 2024 года по МПК G01T1/24 

Область техники

Изобретение относится к области измерения интенсивности нейтронного излучения с помощью полупроводниковых детекторов. Одним из эффектов, связанных с воздействием нейтронного излучения на радиоэлектронную аппаратуру (РЭА), является эффект одиночных сбоев в триггерах, регистрах и ячейках памяти. Данный эффект можно использовать для регистрации воздействия нейтронного излучения путем подсчета числа сбоев, произошедших в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ). Изобретение может быть использовано в ядерной энергетике, ракетной и авиационной и гражданской промышленности.

Предшествующий уровень техники

Известен способ, на который получен патент RU 2339975 «Способ измерения флюенса быстрых нейтронов полупроводниковым детектором»; МПК: G01T 3/08; заявка №2007125306/28, приоритет 04.07.2007; опубликовано: 27.11.2008, Патентообладатель: Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Томский политехнический университет».

Способ включает калибровку детектора, в качестве которого используют простейший полупроводник без р-n переходов - монокристаллический кремний, измерение удельного электрического сопротивления монокристаллического кремния до и после облучения, облучение неизвестным флюенсом быстрых нейтронов, определение флюенса быстрых нейтронов по изменению удельной электрической проводимости в моно кристаллическом кремнии за счет образования в нем радиационных дефектов от быстрых нейтронов, причем флюенс быстрых нейтронов вычисляют по формуле:

где К - коэффициент пропорциональности, который постоянен для измеряемого спектра нейтронов и не зависит от исходного удельного электрического сопротивления, коэффициент К определяют при калибровке детекторов, ρ₀ - исходное удельное электрическое сопротивление, которое измеряют перед облучением детектора, ρ - конечное удельное электрическое сопротивление, которое измеряют после облучения детектора флюенсом F быстрых нейтронов.

Существенные признаки аналога, общие с признаками заявляемого технического решения: - облучение неизвестным флюенсом быстрых нейтронов, определение флюенса быстрых нейтронов по изменению удельной электрической проводимости в монокристаллическом кремнии за счет образования в нем радиационных дефектов от быстрых нейтронов, вычисляют флюенс быстрых нейтронов.

К недостаткам аналога относится: отсутствие чувствительности к эффекту одиночных сбоев и, как следствие, отсутствие возможности регистрации того уровня воздействия нейтронного излучения, при котором наблюдаются одиночные сбои в электронно-компонентной базе.

В качестве прототипа к предлагаемому способу был выбран патент US №2004/0227094 А1; МПК: G01T 1/24, заявка №10/774,839, приоритет 09.02.2004; опубликовано 18.11.2004; под названием «Микроэлектронный радиационный датчик (Дозиметр)», патентообладатель: GLEN Е. BOOKS, ESQ. LOWENSTEIN SANDLER PC 65 LIVINGSTON AVENUE ROSELAND, NJ 07068 (США).

Метод обнаружения радиации для использования в структуре, включающей процессор и множество слоев массивов ячеек памяти, включает распределение заранее заданного шаблона 1 и 0 в указанных массивах ячеек памяти; обнаружение удара частицы путем сканирования указанного массива ячеек памяти для инвертирования разрядов, периодически сканируют указанный массив ячеек памяти для одного или более инвертирования разрядов, восстанавливают указанный заранее заданный шаблон после обнаружения удара частицы, определяют угол падения удара указанной частицы из шаблона инвертирования разрядов в указанном множестве слоев, появившихся в результате удара указанной частицы, анализируют инвертирование разрядов на каждом слое ячеек памяти.

Существенные признаки прототипа, общие с признаками заявляемого изобретения: - обнаружение радиации для использования в структуре, распределение заранее заданного шаблона 1 и 0 в указанных массивах ячеек памяти, периодически сканируют указанный массив ячеек памяти для одного или более инвертирования разрядов.

Недостатком является отсутствие возможности регулировки диапазона измеряемого флюенса нейтронного излучения.

Раскрытие изобретения

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является регулирование диапазона измеряемого флюенса нейтронного излучения.

Технический результат, достигаемый при решении этой задачи, заключается в том, что при изменении подаваемого напряжения питания происходит изменение сечения одиночных сбоев в ОЗУ, что приводит к изменению диапазона измеряемого флюенса нейтронного излучения.

Технический результат достигается тем, что в способе регистрации нейтронного излучения с регулируемым диапазоном чувствительности на основе эффекта одиночных сбоев, включающем в себя подачу напряжения питания, запись заранее заданного шаблона 1 и 0 в ОЗУ, периодическое считывание информации из ОЗУ для подсчета количества ячеек ОЗУ, инвертированных в результате воздействия нейтронного излучения и вычисление значения флюенса нейтронов по количеству инвертированных ячеек на основании известной чувствительности ОЗУ, согласно изобретению, диапазон чувствительности способа, зависящий от сечения одиночных сбоев в ОЗУ, регулируют путем изменения напряжения питания ОЗУ, используя соотношение:

где σ_ОЗУ - сечение одиночных сбоев в ОЗУ,

U_ПИТ - напряжение питания,

α, k_U - экспериментально определяемые константы.

Совокупность перечисленных существенных признаков обеспечивает получение технического результата при изменении подаваемого напряжения питания происходит изменение сечения одиночных сбоев в ОЗУ, что приводит к изменению диапазона измеряемого флюенса нейтронного излучения.

Это позволяет решить задачу - регулирование диапазона измеряемого флюенса нейтронного излучения.

Достигаемый результат обеспечивается не только наличием отличительных признаков, но и зависит от взаимодействия их с другими существенными признаками заявляемого способа. Это позволяет создать объект, характеристики которого удовлетворяют заданным требованиям.

Краткое описание фигур чертежа

На фиг. 1 представлена схема реализации предложенного способа. На фиг. 2 показаны графики зависимости среднего числа сбоев в ОЗУ от флюенса нейтронов (F_н) при U_ПИТ=0.5 В, полученной по формуле (сплошная линия) и по приближенной формуле (пунктирная линия)

На фиг. 3 представлены графики зависимости среднего числа сбоев в ОЗУ от флюенса нейтронов (F_н) при U_ПИТ=1,1 В, полученной по формуле (сплошная линия) и по приближенной формуле (пунктирная линия).

На фиг. 4 представлены зависимости (сплошная линия) и (пунктирная линия) для U_ПИТ=0,5 В.

На фиг. 5 представлены зависимости (сплошная линия) и (пунктирная линия) для U_ПИТ=1,1 В.

Осуществление изобретения

Осуществление способа регистрации нейтронного излучения с регулируемым диапазоном чувствительности показан с помощью сборки, представленной на фиг. 1. Сборка состоит из оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) 1, в которое записывают шаблонный массив данных, источника питания 2, при помощи которого обеспечивается подача напряжения питания на ОЗУ 1 и микроконтроллера 3, который считывает содержимое ОЗУ 1 и сравнивает полученную информацию с записанным шаблоном. В результате воздействии нейтронного излучения источника нейтронов 4 массив данных, хранящихся в ОЗУ 1, может изменяться. При сравнении микроконтроллером 3 данных массива из ОЗУ 1 с шаблоном определяется количество ячеек ОЗУ 1, изменивших свое состояние.

Способ регистрации нейтронного излучения с регулируемым диапазоном чувствительности на основе эффекта одиночных сбоев реализован с помощью специально подобранного ОЗУ 1, чувствительного к данному эффекту, а также стойкого к воздействию нейтронного излучения микроконтроллера 3, осуществляющего подсчет числа сбоев в ОЗУ 1, по результатам которого определяют величину флюенса нейтронов. Изменение диапазона измеряемого флюенса нейтронного излучения осуществляют при помощи изменения подаваемого на ОЗУ 1 напряжения питания.

Способ реализуют следующим образом.

Как показано на фиг. 1, при помощи источника питания 2 подают напряжение питания на ОЗУ 1. В ОЗУ 1 записывают заранее заданный шаблон 1 и 0. На ОЗУ 1 подают нейтронное излучение от источника нейтронов 4. В результате воздействия нейтронного излучения ячейки ОЗУ 1 инвертируют записанные заранее 1 в 0, а 0 в 1. Периодически считывают информацию из ОЗУ 1 для подсчета количества инвертированных ячеек ОЗУ 1.

Вычисляют значения флюенса нейтронов по количеству инвертированных ячеек на основании известной чувствительности ОЗУ 1.

В качестве примера рассмотрим микросхему статического ОЗУ 1 емкостью 64 Кбит, выполненную по технологии «кремний на изоляторе» с проектной нормой 0,25 мкм. Общее число битов в данном ОЗУ N_бит=65536.

Согласно имеющимся результатам исследований, сечение одиночных сбоев для данного ОЗУ при воздействии нейтронов с энергией 14 МэВ составляет:

а) σ_{бит_1}=2,5⋅10^-14 см² при U_ПИТ=0,5 В;

б) σ_{бит_2}=6,2⋅10^-16 см² при U_ПИТ=1,1 В.

где σ_бит - сечение одиночных сбоев для одного бита (см²);

U_ПИТ - напряжение питания на ОЗУ1 (В).

На фиг. 2 и 3 приведены зависимости среднего числа сбоев в ОЗУ 1 с числом битов от флюенса нейтронов при различных напряжениях питания (U_ПИТ), полученные через сечение одиночных сбоев для одного бита по формуле и по приближенной формуле ,

где N_{OC_cp} - среднее число сбоев в ОЗУ 1;

N_бит - число битов от флюенса нейтронов при различных напряжениях питания,

F_н - флюенс нейтронов (нейтрон/см²),

σ_бит - сечение одиночных сбоев для одного бита (см²);

σ_ОЗУ - сечение одиночных сбоев для ОЗУ в целом (см²).

За диапазон значений флюенса нейтронов F_н, допускающего использование ОЗУ 1 в качестве детектора, можно принять диапазон в котором относительное среднеквадрэтического отклонение δ_стат и относительное отклонение от линейной зависимости δ_лия не превышают некоторой величины, например 10%. Пример определения диапазона значений флюенса нейтронов F_н, допускающего использование ОЗУ в качестве измерителя, для различных напряжений питания представлены на фиг. 4 и 5.

Как показано на фиг. 4 и 5, допустимый диапазон значений флюенса нейтронов F_н по критериям δ_стат<10% и δ_лин<10% составляет:

а) 6,1⋅10¹⁰…4,4⋅10¹² нейтрон/см² при U_ПИТ=0,5 В,

б) 2,5⋅10¹²…1,8⋅10¹⁴ нейтрон/см² при U_ПИТ=1,1 В.

Таким образом, за счет изменения напряжения питания ОЗУ 1 в интервале 0,5…1,1 В диапазон измеряемого флюенса нейтронов составил три порядка. Расширить диапазон можно за счет вариации напряжения питания ОЗУ 1 от номинального значения до некоторого минимально допустимого значения.

Диапазон чувствительности способа, зависящий от сечения одиночных сбоев в ОЗУ 1, регулируют путем изменения напряжения питания ОЗУ 1, используя соотношение:

где σ_ОЗУ - сечение одиночных сбоев для ОЗУ в целом (см²),

U_ПИТ - напряжение питания на ОЗУ (В);

α, k_U - экспериментально определяемые константы.

Совокупность конструкционных и технологических признаков позволяет решить задачу - регулирование диапазона измеряемого флюенса нейтронного излучения.

По сравнению с прототипом, использование в предлагаемом решении зависимости сечения одиночных сбоев от напряжения питания позволяет обеспечить изменение диапазона измеряемого флюенса нейтронного излучения. Это позволяет решить задачу регулирования диапазона измеряемого флюенса нейтронного излучения.

Предлагаемый способ регистрации нейтронного излучения с регулируемым диапазоном чувствительности на основе эффекта одиночных сбоев обеспечивает изменение чувствительности к измеряемому флюенсу нейтронного излучения. Таким образом, происходит регулирование диапазона измеряемого флюенса нейтронного излучения. В этом заключается расширенная функция, обеспечиваемая известными и отличительными признаками, неочевидность технического решения.

Промышленная применимость

Наиболее эффективно выглядит использование способа регистрации нейтронного излучения с регулируемым диапазоном чувствительности при проведении испытаний на исследовательских ядерных реакторах, а также в системах автоматики, работающих в условиях воздействия нейтронного излучения.

Реализованный на практике предлагаемый способ регистрации нейтронного излучения с регулируемым диапазоном чувствительности подтвердил технический результат, заключающийся в том, что при изменении подаваемого напряжения питания происходит изменение сечения одиночных сбоев в ОЗУ, что приводит к изменению диапазона измеряемого флюенса нейтронного излучения.

Рассмотренный вариант выполнения изобретения был реализован на существующем в настоящее время оборудовании с использованием имеющихся материалов. Это подтверждает получение технического результата, работоспособность способа и его промышленную применимость.

Изобретение может быть использовано в ядерной энергетике, ракетной и авиационной промышленности. Сущность изобретения заключается в том, что в способе регистрации нейтронного излучения с регулируемым диапазоном чувствительности на основе эффекта одиночных сбоев диапазон чувствительности способа, зависящий от сечения одиночных сбоев в ОЗУ, регулируют путем изменения напряжения питания ОЗУ, используя соотношение:

где _ОЗУ – сечение одиночных сбоев для ОЗУ в целом; U_ПИТ - напряжение питания ОЗУ; , k_U – экспериментально определяемые константы. Технический результат – регулирование диапазона измеряемого флюенса нейтронного излучения. 5 ил.

Способ регистрации нейтронного излучения с регулируемым диапазоном чувствительности на основе эффекта одиночных сбоев, включающий в себя подачу напряжения питания, запись заранее заданного шаблона 1 и 0 в ОЗУ, периодическое считывание информации из ОЗУ для подсчёта количества ячеек ОЗУ, инвертированных в результате воздействия нейтронного излучения, и вычисление значения флюенса нейтронов по количеству инвертированных ячеек на основании известной чувствительности ОЗУ, отличающийся тем, что диапазон чувствительности способа, зависящий от сечения одиночных сбоев в ОЗУ, регулируют путем изменения напряжения питания ОЗУ, используя соотношение:

где _ОЗУ – сечение одиночных сбоев для ОЗУ в целом;

U_ПИТ - напряжение питания ОЗУ;

, k_U – экспериментально определяемые константы.