CH351035A - Halbleitergerät zur Erfassung von Neutronen - Google Patents

Description

  
 



  Halbleitergerät zur Erfassung von Neutronen
Im Schweizer Patent Nr. 343542 ist ein Halbleitergerät zur Erfassung von Neutronen vorgeschlagen worden, bei dem als Halbleiterkörper eine halbleitende Verbindung vom Typ   AIllBv    vorgesehen ist, wobei mindestens einer der Komponenten zu Kernreaktionen anregbar ist, und die Änderung der elektrischen Eigenschaften des Halbleiterkörpers, die durch die von den Neutronen ausgelösten, zu einer spontanen Emission eines geladenen Teilchens führenden Kernreaktionen bewirkt wird, zur Erfassung der Neutronen ausgenutzt ist. Unter  Kernreaktionen  sind dabei stets solche Reaktionen zu verstehen, bei welchen das geladene Teilchen spontan emittiert wird, d. h. der Kern nach dem Neutroneneinfang mit einer extrem kleinen Halbwertszeit von weniger als 10-4 sec ein Teilchen emittiert.

   Demgegenüber soll von Radioaktivität dann gesprochen werden, wenn die Umwandlung des durch Neutroneneinfang unstabil gewordenen Kernes mit einer Halbwertzeit erfolgt, die gross gegenüber 10-4 sec ist.



   Gegenstand der Erfindung ist ein Halbleitergerät zur Erfassung von Neutronen, bei dem als Halbleiterkörper eine halbleitende Verbindung verwendet ist, von der mindestens eine Komponente unter dem Einfluss der Neutronen radioaktiv wird, und bei dem die durch die radio aktive Strahlung bewirkten momentanen Änderungen der elektrischen Eigenschaften des Halbleiterkörpers zur Erfassung der Neutronen ausgenutzt sind. Unter momentanen Änderungen werden jene unter dem Einfluss der radioaktiven Strahlung eintretenden änderungen verstanden, die durch die von der radioaktiven Strahlung im Halbleiterkörper erzeugten Elektron-Loch-Paare verursacht werden. Es handelt sich insbesondere um die Erfassung von Leitfähigkeitsänderungen.



   Bei einem erfindungsgemäss ausgebildeten Gerät können gegebenenfalls auch diejenigen Änderungen der elektrischen Eigenschaften eines Halbleiterkörpers   ausgenützt    werden, die unter dem Einfluss der Neu  tronenstrahlung - wie    bekannt ist - durch Gitterstörungen oder Störstellen bildende Kernumwandlungen auftreten. Derartige Änderungen seien als permanent bezeichnet. Bei diesen permanenten   Änderun-    gen ist weiterhin zu unterscheiden zwischen reversiblen und irreversiblen Änderungen. Zu den reversiblen permanenten Änderungen zählen die durch Neutronen verursachten Gitterstörungen (Zwischengitterplatzbesetzungen und Leerstellen), die durch eine Wärmebehandlung wieder beseitigt werden können.

   Irreversible permanente Änderungen entstehen durch die von den Neutronen verursachten Kernumwandlungen und der dadurch gebildeten neuen Störstellen. Zur Erzielung gut messbarer permanenter Änderungen sind verhältnismässig grosse integrale Neutronenflüsse erforderlich. Selbst bei Neutronenintensitäten, wie sie im allgemeinen nur in Reaktoren auftreten, sind lange Bestrahlungszeiten, etwa in der Grössenordnung von Stunden, erforderlich. Demgegenüber ermöglicht das Gerät nach der Erfindung eine sofortige Erfassung eines Neutronenflusses, und zwar auch von wesentlich geringerer Neutronendichte.



   Weitere Einzelheiten sind aus der Zeichnung zu entnehmen; es zeigt:
Fig. 1 qualitativ den Verlauf der Änderungen der elektrischen Eigenschaften des Halbleiterkörpers bei einem erfindungsgemäss ausgebildeten Gerät,
Fig. 2 ein Beispiel einer Schaltanordnung für Impulsmessung zur Erfassung schwacher Neutronenflüsse,
Fig. 3 ein Beispiel einer Schaltanordnung zur Erfassung von Neutronenflüssen unter Ausnutzung der Änderungen der Leitfähigkeit des Halbleiterkörpers.



   Die Ausnutzung der unter dem Einfluss der Neutronenstrahlung eintretenden Radioaktivierung min  destens einer der Komponenten des Halbleiterkörpers und der dadurch bedingten momentanen Änderungen der elektrischen Eigenschaften des Halbleiterkörpers durch die Erzeugung von Elektron-Loch-Paaren hat beim Einschalten der Neutronen strahlung einen exponentiellen Anstieg der Änderungen der elektrischen Eigenschaften, z. B. der Leitfähigkeit, zur Folge; er ist entsprechend dem Verlauf der Radioaktivität proportional   (1 - e"t),    wobei t die Zeit und   A    die Zerfallskonstante der betreffenden radioaktiven Komponente bedeuten.

   Diesem ansteigenden Teil, den wir als nichtstationären Teil der änderungen der elektrischen Eigenschaften bezeichnen, folgt nach hinreichend grossem t ein annähernd konstanter Bereich der Anderungen der elektrischen Eigenschaften, der als stationärer Teil bezeichnet werde. Entsprechend dem Verlauf der Änderungen beim Einschalten tritt auch beim   Ausschalten - ebenfalls    bedingt durch den Verlauf der Radioaktivität - ein nichtstationärer Teil der Änderungen der elektrischen Eigenschaften ein, der nach einem   e-st-Gesetz    verläuft.



   Der qualitative Verlauf der Änderungen der elektrischen Eigenschaften des Halbleiterkörpers, z. B. der Leitfähigkeitsänderung oder der Zahl der Impulse in der Zeiteinheit, ist in Fig. 1 dargestellt. Auf der Abszisse ist die Zeit (t) und auf der Ordinate die Grösse der Änderungen der elektrischen Eigenschaften des Halbleiterkörpers   (SX)    aufgetragen.   t5    und t3 sind die oben definierten nichtstationären Teile beim Ein- bzw. Ausschalten der Neutronenstrahlung,   t2    der stationäre Teil.



   Da in vielen Fällen radioaktive Komponenten mit verschiedenen Zerfallskonstanten auftreten, erfolgt der Anstieg und Abfall der Radioaktivität und damit der Änderungen der elektrischen Eigenschaften nicht nach einem einfachen Exponentialgesetz, sondern es ergibt sich eine Überlagerung von Exponentialgesetzen, die   zu    verschiedenen Zerfallskonstanten gehören. Ihre Analyse kann in bekannter Weise durch Auftragung der gemessenen änderungen in logarithmischem Massstab gegen die Zeit durchgeführt werden.



   Beide momentanen   Anderungen - also    die stationären und die nichtstationären Teile - können zur Neutronenerfassung ausgenutzt werden. Dabei eignet sich der stationäre Teil insbesondere zur Erfassung der Intensität einer Neutronenstrahlung und die nichtstationären Teile beim Ein- und/oder Ausschalten der Strahlung zur getrennten Erfassung der in einem energetisch heterogenen Neutronengemisch vorkommenden Neutronenenergien, also zu dessen Analysierung. Die Grösse   dX    im stationären Teil ist proportional dem Neutronenfluss. Die durch einen eventuell vorhandenen Strahlungsuntergrund bewirkten Änderungen der elektrischen Eigenschaften des Halbleiterkörpers überlagern sich der Wirkung des Neutronenflusses.

   Beide Anteile kann man durch Erfassung der nichtstationären Teile trennen, da bei diesen nur die durch den Neutronenfluss verursachte Radioaktivität erfasst wird.



   Bei einer speziellen Ausführungsform des Gerätes können neben den momentanen Änderungen gleichzeitig auch die oben erwähnten permanenten   An-    derungen der elektrischen Eigenschaften des Halbleiterkörpers herangezogen werden, insbesondere zur integrierenden Erfassung eines Neutronenflusses.



   Beim Gerät nach der Erfindung werden bevorzugt solche Radioaktivierungen ausgenutzt, die zu einer   ss-Aktivität    führen; das heisst also, dass solche Halbleiterkörper verwendet werden, von denen mindestens eine Komponente unter dem Einfluss der Neutronenstrahlung   ss-aktiv    wird, vorzugsweise mit einer Halbwertszeit in der Grössenordnung von Sekunden.



  Die Grösse der Halbwertszeit ist ein zeitliches Mass für den nichtstationären Teil der änderungen der elektrischen Eigenschaften des Halbleiterkörpers. Im allgemeinen wird man Wert darauf legen, dass die Sättigung, also der stationäre Teil, in nicht zu langer Zeit erreicht wird, so dass - wie   gesagtHalb-    wertszeiten in der Grössenordnung von Sekunden und kleiner bevorzugt werden.



   Die vorgenannten Eigenschaften weisen z. B. ein Halbleiterkörper auf, dessen eine Komponente Indium ist, und zwar überwiegend   In'15.    Dieses wird nach der Reaktion   111115    (n,   j).      In116    in   ss-aktives      Inllü    umgewandelt, und zwar bei einer Halbwertszeit von 13 sec mit einem Wirkungsquerschnitt von 52 barn und bei einer Halbwertszeit von 54,3 min mit einem Wirkungsquerschnitt von 145 barn. Da das natürlich vorkommende Indium   95,8 off      In115    und   4,2 O/o      In"    enthält, tritt noch folgende Reaktion auf:    Inlls (n, ; Z) Inll4.

   Inll4 ist i3-aktiv und geht in      Sn"4    über, und zwar bei einer Halbwertszeit von 72 sec mit einem Wirkungsquerschnitt von 2 barn.



  Wegen diesen verschiedenen   Zerfallsrnöglichkeiten    treten bei einer Indium-Komponente des Halbleiterkörpers entsprechende Überlagerungen der nichtstationären und stationären Änderungen auf. Bei Messungen über eine kurze Zeitspanne wird vor allem die Radioaktivität mit der Halbwertszeit von 13 sec in Erscheinung treten.



   Die beim Zerfall des Indiums 116 mit einer Energie von 2,9 bzw. 1 MeV ausgesandten   ss-Strah-    len erzeugen im Halbleiterkörper Elektron-Loch Paare. Pro erzeugtes Elektron-Loch-Paar verliert das   Teilchen    grössenordnungsmässig eine Energie von 10 eV, so dass also von einem   Teilchen    etwa 105 Elektron-Loch-Paare erzeugt werden. Damit hierdurch eine äusserlich messbare Änderung der elektrischen Eigenschaften des Halbleiterkörpers, z. B. der Leitfähigkeit, eintritt, ist es erforderlich, dass der Halbleiterkörper hinreichend frei von Haftstellen ist.



  Nur dann können die erzeugten Ladungsträgerpaare durch das Gitter fliessen und einen Beitrag zur Leitfähigkeit des Halbleiterkörpers liefern. Dieser ist proportional zur Lebensdauer eines Elektron-Loch-Paares. Hieraus ergibt sich die Möglichkeit, durch die Bemessung der Lebensdauer und der Diffusionslänge der Elektron-Loch-Paare im Halbleiterkörper diesen  in weiten Grenzen den vorliegenden Betriebsbedingungen anzupassen.



   Um ergiebige Effekte zu erreichen, muss an den Halbleiterkörper allgemein die Forderung gestellt werden, dass er möglichst hochohmig ist, so dass er bei Zimmertemperatur keinen nennenswerten Dun  kelstrom,    der die Messungen erschweren würde, aufweist; dies besagt, dass der Halbleiterkörper eine grosse Breite der verbotenen Zone besitzen muss.



  Halbleiterkörper, die diese Voraussetzungen nicht erfüllen, können höchstens zur Erfassung der oben erwähnten permanenten Anderungen Verwendung finden.



   Die vorgenannten Forderungen lassen sich wesentlich leichter erfüllen, wenn man anstelle homogener Halbleiterkristalle solche mit mindestens einer grossflächigen Sperrschicht   verwendet,    z. B. Halbleiterkörper mit   p-n-tibergängen.   



   Besonders geeignet zur Verwendung als Halbleiterkörper in dem Gerät nach der Erfindung sind die halbleitenden Verbindungen InP und InN.



   Bei   S-Aktivitäten    tritt in den meisten Fällen auch eine y-Strahlung auf, die ebenfalls Elektron-Loch Paare erzeugt. Es werden vorzugsweise Halbleiterkörper verwendet, von denen mindestens eine Komponente unter der Wirkung von Neutronenstrahlung mit grossem Wirkungsquerschnitt y-aktiv wird. Auch in diesem Fall ist im allgemeinen eine Halbwertszeit in der Grössenordnung von Sekunden oder kleiner erwünscht. Die y-Aktivität ist weniger günstig als die   i,-Aktivität.    Dies beruht darauf, dass die   Teilchen    im Halbleiterkörper wesentlich stärker absorbiert wer  den als die ;  < -Strahlen. Da ausserdem die Neutronen    in den in Frage kommenden Halbleiterkörpern eine kleine Eindringtiefe besitzen, bei InP z. B. 1 mm, kommt man an und für sich mit dünnen Kristallen aus.

   Bei diesen ist aber die Wirkung der   strahlen    wegen ihrer geringen Absorption verhältnismässig klein.



   Da Neutronen strahlung primär oft von y-Strahlung begleitet ist, ist es auch in dieser Hinsicht vorteilhaft, einen dünnen Halbleiterkörper oder einen Halbleiterkörper mit Sperrschicht zu verwenden, der so dimensioniert ist, dass die Neutronenstrahlung möglichst weitgehend absorbiert und die y-Strahlung praktisch ungehindert   hindurchgelas sen    wird.



   Zur Erfassung extrem schwacher Neutronenflüsse werden mit Vorteil die Strom-Spannungs-Impulse herangezogen, die als Folge einzelner   Zerfallsakte    auftreten. Hierzu kann eine Schaltungsanordnung verwendet werden, wie sie im Patent Nr. 343542 beschrieben wurde. Sie ist der Vollständigkeit halber in der Fig. 2 nochmals dargestellt. Und zwar ist mit 1 die Erdung der Anordnung, mit 2 eine Spannungsquelle, mit 3 der Halbleiterkörper und mit den Pfeilen bei 4 ein auf den Halbleiterkörper wirkender Neutronenfluss sowie mit 5 ein Widerstand, mit 6 eine Verstärkereinrichtung und mit 7 ein Messgerät angegeben. Die auf den Halbleiterkörper treffenden und in ihn eindringenden Neutronen bewirken Radioaktivierungen und die radioaktive Strahlung die Bildung von Elektron-Loch-Paaren.

   Diese verursachen in der Anordnung Spannungsstösse, die in der Verstärkeranordnung 6 verstärkt und durch das Gerät 7 angezeigt werden.



   Zur Erfassung grösserer Neutronenflüsse unter Ausnutzung der durch sie über die   Radioaktivterung    mindestens einer der Komponenten des Halbleiterkörpers bewirkten Leitfähigkeitsänderungen kann z. B. eine Schaltungsanordnung verwendet werden, wie sie ebenfalls im Zusammenhang mit dem eingangs erwähnten Halbleitergerät zur Erfassung von Neutronen bereits vorgeschlagen worden und in Fig. 3 nochmals dargestellt ist. Es bedeutet: 11 einen Halbleiterkörper, 12 einen einstellbaren Vorwiderstand, 13 eine Spannungsquelle und 14 und 15 ein   Strom- bzw.   



     Spannungs-Messgerät;    ein auf den Halbleiterkörper wirkender Neutronenfluss ist durch die Pfeile bei 16 angedeutet. Die Leitfähigkeitsänderungen werden entweder auf Grund des Spannungsabfalles am Halbleiterkörper (Messgerät 15) oder auf Grund der Strommessung (Gerät 14) ermittelt. Die so erfassten Leitfähigkeitsänderungen können auch auf schreibende Registriergeräte übertragen werden; hiervon wird man insbesondere bei der Erfassung der nichtstationären Teile Gebrauch machen.



   Wenn oben angegeben worden ist, dass das erfindungsgemässe Gerät zur Erfassung von Neutronen dient, so ist damit vor allem der Nachweis von Neutronen, die Messung von   Neutronenenergien, -intensi-    täten und ihre Kombination zu verstehen, ferner auch die Steuerung und Regelung von Neutronenflüssen oder durch sie abgebildeten Grössen, und zwar jeweils unter Ausnutzung der durch die Neutronen bewirkten   Änderungen    der elektrischen Eigenschaften des Halbleiterkörpers.   

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH Halbleitergerät zur Erfassung von Neutronen, dadurch gekennzeichnet, dass als Halbleiterkörper eine halbleitende Verbindung verwendet ist, von der mindestens eine Komponente unter dem Einfluss der Neutronen radioaktiv wird, und dass die durch die radioaktive Strahlung bewirkten momentanen 22inde- rungen der elektrischen Eigenschaften des Halbleiterkörpers zur Erfassung der Neutronen ausgenutzt sind.

   UNTERANSPRÜCHE 1. Halbleitergerät nach Patentanspruch, gekennzeichnet durch eine solche Ausbildung, dass die durch die radioaktive Strahlung bewirkte momentane Anderung der Leitfähigkeit des Halbleiterkörpers erfasst wird.

   2. Halbleitergerät nach Patentanspruch, gekennzeichnet durch eine solche Ausbildung, dass - bei extrem kleinen Neutronenflüssen - die durch die radioaktive Strahlung der einzelnen Zerfallsakte entstehenden Strom-Spannungs-Impulse erfasst werden.

   3. Halbleitergerät nach Patentanspruch, gekennzeichnet durch eine solche Ausbildung, dass - insbesondere zur Erfassung der Intensität der Neutro nenstrahlung - der nach einer bestimmten Dauer der Neutronenbestrahlung sich einstellende stationäre Zustand der elektrischen Eigenschaften erfasst wird.

   4. Halbleitergerät nach Patentanspruch, gekennzeichnet durch eine solche Ausbildung, dass - ms- besondere zur Analysierung der Neutronenenergien eines energetisch heterogenen Neutronengemisches - die nichtstationären Änderungen der elektrischen Eigenschaften des Halbleiterkörpers beim Einschalten der Strahlung erfasst werden.

   5. Halbleitergerät nach Patentanspruch, gekennzeichnet durch eine solche Ausbildung, dass - ins- besondere zur Analysierung der Neutronenenergien eines energetisch heterogenen Neutronengemisches die nichtstationären Änderungen der elektrischen Eigenschaften des Halbleiterkörpers beim Ausschalten der Strahlung erfasst werden.

   6. Halbleitergerät nach Patentanspruch, gekennzeichnet durch eine solche Ausbildung, dass - insbesondere zur Analysierung der Neutronenenergien eines energetisch heterogenen Neutronengemisches die nichtstationären Änderungen der elektrischen Eigenschaften des Halbleiterkörpers beim Ein- und Ausschalten der Strahlung erfasst werden.

   7. Halbleitergerät nach Patentanspruch, gekennzeichnet durch eine solche Ausbildung, dass - ms- besondere zur integrierenden Erfassung eines Neutronenflusses - die momentanen und permanenten Än- derungen der elektrischen Eigenschaften des Halbleiterkörpers erfasst werden.

   8. Halbleitergerät nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterkörper aus solchen Komponenten besteht, von denen mindestens eine durch Neutronenstrahlung mit grossem Wirkungsquerschnitt B-aktiv wird.

   9. Halbleitergerät nach Unteranspruch 8, dadurch gekennzeichnet; dass die Halbwertszeit der ss-Aktivität in der Grössenordnung von Sekunden liegt.

   10. Halbleitergerät nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterkörper aus solchen Komponenten besteht, von denen mindestens eine durch Neutronenstrahlung mit grossem Wirkungsquerschnitt y-aktiv wird.

   11. Halbleitergerät nach Unteranspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbwertszeit der y Aktivität in der Grössenordnung von Sekunden liegt.

   12. Halbleitergerät nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterkörper aus solchen Komponenten besteht, von denen mindestens eine durch Neutronen strahlung mit grossem Wirkungsquerschnitt fl- und y-aktiv wird.

   13. Halbleiterkörper nach Unteranspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbwertszeit der B- und y-Aktivität in der Grössenordnung von Sekunden liegt.

   14. Halbleitergerät nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die eine Komponente des Halbleiterkörpers In, und zwar überwiegend In1t5 ist.

   15. Halbleitergerät nach Unteranspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass als Halbleiterkörper InP verwendet ist.

   16. Halbleitergerät nach Unteranspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass als Halbleiterkörper InN verwendet ist.

   17. Halbleitergerät nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterkörper mindestens eine Sperrschicht aufweist.

   18. Halbleitergerät nach Unteranspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterkörper mindestens einen p-n-Übergang aufweist.

   19. Halbleitergerät nach Unteranspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterkörper so dimensioniert ist, dass er die Neutronenstrahlung erfasst und die y-Strahlung praktisch nicht absorbiert.