Способ измерения флюенса быстрых нейтронов Советский патент 1982 года по МПК G01T3/08 

() СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ФЛЮЕНСА БЫСТРЫХ НЕЙТРОНОВ

Изобретение относится к технике измерения излучений. Полупроводниковые дозиметры быстрых нейтронов измеряют эффективный флюенс быстрых нейтронов с энергией нейтронов выше порога Ei, при котором в полупроводнике создаются устойчивые дефекты структуры кристал лической решетки, ия-за которых изме няются электрофизические свойства полупроводника, для кремний Ej приме но равен 0,1 МэВ. Работа полупроводниковых дозиметров быстрых нейтронов основана на нескольких принципах: на изменении коэффициента усиления кремниевого биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером при облучении транзистора Г1 и на изменении прямого падения напряжения или обратного ток или барьерной емкости в кремниевом диоде при его облучении 2. Недостаток таких способов - значи тельный разброс чувствительности при использовании однотипных транзисторов или диодов. Это объясняется двумя независимыми причинами: неодинаковостью материала (легированного кремния) в однотипных транзисторах или диодах инеодинаковостью р-п-переходов вследствие несовершенства технологии их изготовления. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ измерения флюенса быстрых нейтронов, заключающийся в измерении сопротивления п-кремния, изменяющегося под действием облучения tsj. Для уменьшения разброса и упрощения измерений в качестве дозиметров быстрых нейтронов используются полупроводниковые материалы, например легированный кремний, без р-п-переходов., в которых облучение быстрыми нейтронами приводит к увеличению электрического сопротивления вследствие образования устойчивых дефектов кристаллической структуры. Способ измерения заключается в том, что флюенс быстрых нейтронов определяют по увеличению электрического сопротивления кремниевого образца, а также известной зависимости сопротивления от флюенса быстрых нейтронов и чувствительности, полученных при тарировке, т.е. при предварительном облучении образца известным флюенсом быстрых нейтронов. Погрешность измерения флюенса складывается (по прави лам теории ошибок) из аппаратурной и температурной погрешностей измере ния сопротивления кремния и погрешности тарировки. Недостатком этого способа являет сч значительная температурная погре ность СТП ). флюенса, возникающая из-за ТП в определении сопротивления кремниевого образца, вызванной неточностью (неопределенностью) измерения разности температуры кремния дои после облучения,когда температурные измерения разделены во времени,так как они менее точны, нежели измерения сопротивления, в частности, изза разной тепловой инерции кремниевого образца и датчика температуры. Ввиду того, что ТП измерения сопротивления равна произведению температурного коэффициента сопротивления (ТКС), на неточность измерения разности температур, то большой ТП флюенса способствует большой ТКС кремния и относительно малое Ф1зменение его сопротивления при облучении быстрыми нейтронами. Так как ТП измерения флюенса в большинстве случаев превышает остальные погрешности, то очевидно, она ограничивает нижний предел измеряемых флюенсов. Цель изобретения - уменьшение температурной погрешности флюенса и его нижнего предела. Поставленная цель достигается тем, что согласно способу измерения флюенса быстрых нейтронов, заключающемуся в измерении сопротивления п-кремния, изменяющегося под действи ем облучения, п-крёмний предва{эитель но подвергают облучению быстрыми нейтронами фяюенсом ( 6-10)- . Способ измерения флюенса быстрых нейтронов реализуют следующим образом. Сначала производится первое облучение образца из п-кремния флюенсом быстрых нейтронов (6-10/Ю н/см, 4 что позволяет его ТКС уменьшить в 510 раз. Затем для определения чувствительности образец облучают второй раз татировочным флюенсом. Причем, тарировочный флюенс в несколько раз меньше флюенса, предназначенного для уменьшения ТКС. Увеличить тарировочный флюенс с тем, чтобы заменить им первое облучение нельзя. так как Максимальная величина тарировочного флюенса определяется точкой на оси флюенсов, выше которой нарушается экспоненциальный закон роста сопротивления п-кремния от флюенса. После этого п-кремний облучают неизвестным флюенсом быстрых нейтронов и, пользуясь известной зависимостью сопротивления данного типа материала из п-кремния от флюенса и известной чувствительностью, определяют неизвестный флюенс. Ввиду сложной технологии легирования и сложного оборудования лабораторное изготовление дремниевых резисторов не получило распространения. Более удобным и дешевым для дозиметрии оказалось применение готовых кремниевых резисторов. Например, в качестве такового можно использовать участок легированного кремния между базами первой Б1 и второй Б2 (эмиттер остается не подключенным) в однопереходном транзисторе (ОПТ), иначе называемым двухбазовым диодом. В ОПТ КТ117 в качестве материала используется кремний п-типа (п-кремний) с удельным сопротивлением около 100 Ом-см. Температурный коэффициент межбазового сопротивления (ТКС) оС Довольно велик (он примерно равен ). Проведенные с ОПТ КТ117 исследования на предмет использования его в качестве дозиметра быстрых нейтронов показали следующее. При облучении КТ117 флюенсом быстрых нейтронов реакторного спектра до (1-1,5) 10 н/см межбазовое сопротивление зависит от флюенса ф экспоненциальноV , (1) где Гр,Г{К- межбазовое сопротивление К1117 соответственно до и после облучения, К - константа, подлежащая определению при тарировке. При флюенсе 1 -Ю н/см межбазовое сопротивление возрастает на 5-101; отсюда константа К находится в пределах (5 10)10 н/см2.Среднеквадратичная ошибк константы К, полученная при исследо вании партии ОПТ Kill7, состоящей и 8 штук, находится в пределах 5-10%. При облучении К1117 флюенсами бо шими 1, н/см2-и, вызванном этим облучением увеличении н более , экспоненциальная зависи мость г от Ф нарушается, но, что су щественно, чувствительность после об лучения сохраняется. Это означает, что при повторном облучении флюенсо меньшим или равным 1,510 н/см мо но использовать соотношение (1) для определения флюенса. . Таким образом, рабочий диапазон измеряемых и тарировочных флюенсов ограничен сверху величиной (1 -1,5)1(Г н/смЧ Ввиду того, что при указанном верхнем пределе флюенса К соотношени (1) разлагаем в ряд и, ограничиваяс двумя членами разложения, получаем формулу (2) с линейной зависимостью (НКф) о (2) эквивалентную формуле (1 ) Константу К определяем из соот ношения (1 ) PU -1 - К (3) либо из соотношения (2) -ф К ,(40 так как при Кл Cl разница между результатами, полученными по формулам (3) и С), мала. Обнаружено неизвестное свойство ОПТ ЕТ117: уменьшение ТКСоС-с увеличением флюенса. Средняя величина убы вания I КС ча единицу флюенса составляет 8-10 .К. При воздействии на КТ117 флюенсом (6-10)10 н/см ТКС уменьшается до нуля-Са сопротивление увеличивается в 2-3 раза/. При облучении еще большим флюенсом ТКС становится отрицательным и возрастает по абсолютной величине с увеличением флюенса. Из приведенных фактов и данных вы текает существенный вывод: если производить определение флюенса предварительно облученным ОПТ К1117 флюенсом Л 6-1 О) 10н/см, то из-за, уменьшения ТКС температурная погрешность измерения межбазового сопротивления 2 КТ117 может быть снижена в и, следовательно, уменьшатся погрешность измерения флюенса и измеряемый нижний предел его. Рассмотрим одно из возможных применений дозиметра. Ввиду относительно высокой чувствительности ОПТ КТ117 можно использовать в качестве дозиметра быстрых нейтронов при облучении биологических объектов, в том числе и для человека, например, в качестве аварийного дозиметра Покажем это. Известно, что для нейтронов с энергией 1 МэВ биологическая дойа , 11- 10 н/см. (Для упрощения расчета считаем, что все быстрые нейтроны имеют энергию 1 МэВ). Поэтому флюенсу 1,5 соответствует нейтронная доза в биологических объектах 3650 рад, т,е. до такой максимальной дозы возможно применение описываемого дозиметра. Оценим нижний предел измерения флюенса и биологической дозы при погрешности их измерения t 30 и в предположении , что разность температур измерения сопротивления дозиметра до и после облучения известна с погрешностью , 5 К, пренебрегая остальными погрешностями. Если использовать ОПТ КТ117 без предварительного облучения флюенсом (6-10), то при ТКС К1П7 710 1/К неопределенность в изменении относительного сопротивления КТ117 составляет сГ с1-ДТ 7 10 -0,5 3, По предположению это должно составить 30 от изменения сопро Ф -1 ,я счет облучения. 1 за счет тивления ПоэтомуГ -, -,2..„ . Этой величине соответствует нижний предел Олюенса (по формуле (4) и при кн ). Ф 1,2Г х10 н/см или биологической дозы .Видно, что в этом случае диапазон змеряемых флюенсов от 1, 1,5-10 н/см или доз от 300 до Зб50 ад относительно невелик. Его (диаазон) можно увеличить в сторону еньших флюенсов в 5-10 раз, если изерение флюенсов (доз) производить редварительно облученным ОП1 КТ117 люенсом (6-10) 10 н/см, так как в том случае ТКСV-п-кремния снижаетя в 5-10 раз и поэтому во столько же раз уменьшится температурная погрешность флюенса (дозы), а также ни)хний предел флюенсов (доз) при заданной погрешности, если пренебречь остальными погрешностями. Формула изобретения Способ измерения флюенса быстрых нейтронов, заключающийся в измерении сопротивления л-кремния, изменяющегоЬя под действием облучения, отличающийся тем, что, с целью уменьшения температурной погреш ности флюенса и его нижнего предела, п-кремний предварительно подвергают облучению быстрыми нейтронами флюенсои (6-10)10 н/см Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 28 1.Pobienz F.W., Tauber C.D., Walker R.L. Application of Silicon Damage to Neutron Exposure Measurment JEEE (Justltut of Electrical and Electronics Englners). Trausactlons an nuclear Sclense, 1967 vol. NS-14, N6, p.U7-t52. (Репродуцированный журнал 91597. Вестник института радиоинженеров. Серия NS. Ядерная физика If Т-6). 2.Шашкин В.И., Кондратенков Ю.Б. 1ЪЛупроводниковые дозиметры быстрых нейтронов. Сборник.Атомная техника за рубежом. М,, Атомиздат, 1977, fffi, c.. 3.Патрикеев Л.Н., Одлепецкий Б.И., Федчин В.М, Измерение интегральной плотности потока быстрых нейтронов кремниевым резистором. - Приборы и техника эксперимента, , с.62 (прототип).