CZ20205A3 - Zařízení pro měření směsného radiačního pole fotonů a neutronů - Google Patents
Zařízení pro měření směsného radiačního pole fotonů a neutronů Download PDFInfo
- Publication number
- CZ20205A3 CZ20205A3 CZ2020-5A CZ20205A CZ20205A3 CZ 20205 A3 CZ20205 A3 CZ 20205A3 CZ 20205 A CZ20205 A CZ 20205A CZ 20205 A3 CZ20205 A3 CZ 20205A3
- Authority
- CZ
- Czechia
- Prior art keywords
- neutrons
- radiator
- photons
- diode
- measuring
- Prior art date
Links
- 230000005855 radiation Effects 0.000 title claims abstract description 4
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 15
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 5
- 239000011888 foil Substances 0.000 claims abstract 2
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 17
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 9
- 230000005865 ionizing radiation Effects 0.000 description 7
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052681 coesite Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052906 cristobalite Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 229910052682 stishovite Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052905 tridymite Inorganic materials 0.000 description 2
- 229920002799 BoPET Polymers 0.000 description 1
- LBDSXVIYZYSRII-IGMARMGPSA-N alpha-particle Chemical compound [4He+2] LBDSXVIYZYSRII-IGMARMGPSA-N 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000356 contaminant Substances 0.000 description 1
- 230000013742 energy transducer activity Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 229920001903 high density polyethylene Polymers 0.000 description 1
- 239000004700 high-density polyethylene Substances 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 1
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
- G01T3/00—Measuring neutron radiation
- G01T3/08—Measuring neutron radiation with semiconductor detectors
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
- G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
- G01T1/16—Measuring radiation intensity
- G01T1/20—Measuring radiation intensity with scintillation detectors
- G01T1/2018—Scintillation-photodiode combinations
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
- G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
- G01T1/16—Measuring radiation intensity
- G01T1/24—Measuring radiation intensity with semiconductor detectors
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/86—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable only by variation of the electric current supplied, or only the electric potential applied, to one or more of the electrodes carrying the current to be rectified, amplified, oscillated or switched
- H01L29/861—Diodes
- H01L29/868—PIN diodes
Landscapes
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- High Energy & Nuclear Physics (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Measurement Of Radiation (AREA)
- Light Receiving Elements (AREA)
Abstract
Zařízení pro měření směsného radiačního pole fotonů a neutronů sestávající z PIN diody a radiátoru s velkým účinným průřezem s tím, že vyčerpaná oblast PIN diody má tloušťku alespoň 100 μm, přičemž k PIN diodě těsně doléhá radiátor s velkým účinným průřezem a s tloušťkou vrstvy nejvýše 60 μm pro konverzi neutronů na alfačástice. Radiátorem je výhodně 10B na vnější straně překrytý plastovou folií.
Description
Zařízení pro měření směsného radiaěního pole fotonů a neutronů
Oblast techniky
Vynález se týká zařízení pro měření ionizujícího záření ve směsném poli tvořeném neutrony a fotony na bázi polovodičových komponentů a radiátoru.
Dosavadní stav techniky
V současné době se v mnoha detektorech ionizujícího záření používá polovodičová dioda. Příkladem konstrukce takového detektoru může být dokument WO 9961880A2.
Polovodičové diody nejsou schopny přímo detekovat neutrony. Proto se pro konverzi neutronů na detekovatelné částice (například protony nebo alfačástice) používají radiátory z materiálů, které mají velký účinný průřez pro konverzi neutronů (například 10B, 6Li, 3He) na kladně nabité ionty (například protony nebo alfačástice). Tyto částice je potom možné detekovat přímo polovodičovou diodou. Příkladem takového použití je způsob popsaný v dokumentu DEVELOPMENT OF A PORTABLE THERMAL NEUTRON DETECTOR BASED ON A BORON RICH HETERODIODE (Tomov et al.; 2008). V místech, kde se vyskytuje pole neutronů, se ale také ve většině případů vyskytuje pole gama fotonů díky jaderným reakcím, které jsou spjaty s výskytem neutronů. Doprovodné fotony ovšem také detekuje dioda a je těžké detekce těchto fotonů oddělit od detekcí neutronů (potažmo protonů a alfačástic). Při neznámém poměru neutronů a fotonů ve směsném poli ionizujícího záření je tedy obtížné určení například prostorového dávkového ekvivalentu.
Výše uvedený nedostatek lze dle stavu techniky vyřešit vhodným geometrickým uspořádáním více detektorů do takzvaného teleskopu. Nebo obecně snížit citlivost detektoru na fotony zmenšením citlivého objemu diody. Takovýto příklad tenké PIN diody je uveden v dokumentu US 8569708 B2. První řešení přináší zvětšení složitosti přístroje, protože vyžaduje elektroniku, která bude provádět koincidenční měření. Použití dvou a více diod s sebou také přináší zdvojení nebo zvícenásobení analogového zpracování signálu. Příklad takovéhoto diodového pole je uveden v dokumentu US 20190243012 AI. Druhé řešení (snížení tloušťky diody) zase předpokládá, že pro detekci fotonů ve směsném poli bude použit jiný další detektor.
V současné době je znám vynález, který popisuje způsob určování druhu ionizujícího záření pomocí polovodičové diody a zapojení k provádění tohoto způsobu dle dokumentu CZ 307570. Tento vynález však není možné bez dalšího vývoje přímo použít k sestrojení detektoru neutronů, jelikož detektor sestavený dle technických znaků v předmětném dokumentu není schopen detekovat neutrony.
Úkolem vynálezu je odstranit všechny výše uvedené nedostatky současného stavu techniky tak, aby byl detektor schopen kvalitativního rozlišení fotonů a neutronů při zachování požadované jednoduchosti přístroje.
Podstata vynálezu
Podstatou vynálezu je konstrukční provedení detekční jednotky dozimetru pro detekci fotonů a neutronů ve směsném poli. Detekční jednotka sestává z polovodičové diody a radiátoru pro konverzi neutronů na kladně nabité ionty.
Polovodičovou diodou pro konstrukci takovéto detekční jednotky je výhodně PIN dioda, jelikož pro dosažení požadovaného účinku, tedy funkce detektoru, postačuje pouze jedna. V případě jiného
-1 CZ 2020 - 5 A3 typu fotodiody je nutné konstrukční provedení s více diodami. Tato PIN dioda je zapojena v závěrném směru a tloušťka její vyčerpané oblasti je alespoň 100 pm. Nižší tloušťka vyčerpané oblasti diody neumožňuje efektivní záchyt fotonů a účinnost diody pro její funkci v rámci vynálezu je nedostatečná. Naopak vyšší tloušťka zlepšuje schopnost diody zachytit vysokoenergetické fotony. Dosažení účinku vynálezu, tedy detekce jak fotonů, tak neutronů, a jejich rozlišení, nastává i při využití PIN diody s tloušťkou vyčerpané oblasti až do 30 mm.
Využití PIN diody je výhodné, protože umožňuje konstrukci detektoru s velkou účinnou plochou radiátoru a velkou plochou diody při nízkém temném proudu a nízké kapacitě diody. Velký temný proud a velká kapacita degradují použitelnost běžných diod jako velkoplošných detektorů ionizujícího záření. V případě použití moderátoru pro brždění neutronů před jejich konverzí v radiátoru je také výhodná velká plocha detekční jednotky, která obsáhne větší objem moderátoru.
Radiátorem pro konstrukci takovéto detekční jednotky může být příkladně 10B, 6Li, či 3He. Výhodně je radiátorem vrstva 10B s tloušťkou 1 až 60 pm, jelikož tento materiál má čtyřikrát větší účinný průřez než 6Li a oproti 3He je za běžné teploty a tlaku v pevném skupenství. Při vrstvě radiátoru menší než 1 pm se nedostavuje účinek vynálezu, jelikož takto malý objem boru neumožní spolehlivou generaci částic. Dolet těchto částic generovaných v radiátoru je pouze jednotky pm. Z tohoto důvodu je vrchní hranicí funkčnosti vrstva 60 pm, která odpovídá nejtenčí dostupné fólii 10B. Teoreticky nejvýhodnější je vrstva 3 pm. Z téhož důvodu je nutné, aby radiátor těsně doléhal k diodě. Detekce neutronů a fotonů v této konfiguraci je nejúčinnější na rozhraní PI a v těsném okolí rozhraní PI. Mezi oblastí citlivou na alfačástice a povrchem diody je obvykle ještě 100 až 200 nm Si a SiO2 s tím, že vrstva S1O2 chrání diodu před atmosférickým kyslíkem a dalším možným znečištěním.
Zařízení dle vynálezu dosahuje účinků výhodným spojením radiátoru schopného generovat alfačástice záchytem tepelných neutronů a vlastností PIN diody zapojené v závěrném směru s nízkým nebo nulovým záporným předpětím o velikosti nula až jednotek voltů s velkým detekčním objemem citlivým na gama a rentgenové fotony a zároveň schopné s velkou účinností tyto fotony odlišit od alfačástic emitovaných radiátorem. Obě dvě složky směsného pole, tedy fotony a neutrony současně, lze měřit detekční jednotkou opatřenou jedinou diodou.
Využitím vynálezu ve spojení se způsobem určování druhu ionizujícího záření pomocí polovodičové diody lze rozlišit, zda jednotlivé signály získané z detekční jednotky jsou fotony z okolí nebo alfačástice vzniklé interakcí neutronů v radiátoru.
Pro použití v poli neutronů o energiích vyšších, než které jsou charakteristické pro tepelné neutrony je třeba detektor umístit do moderátoru, který neutrony zpomalí a tím se využije vlastnost radiátoru je konvertovat.
Objasnění výkresů
Obrázek 1 vyobrazuje průřez mechanickým sestavením detektoru dle příkladu provedení.
Obrázek 2 vyobrazuje histogram četnosti pulzů vyznačené barevnou škálou s danou amplitudou na vertikální ose a plochou na horizontální ose s tím, že v oblasti mezi čárkovanými čarami se nachází zóna detekce alfačástic vyražených z radiátoru reprezentující zachycení neutronů.
Obrázek 3 vyobrazuje příklad tvaru pulzů pro vybranou amplitudu s tím, že pulzy se strmějším náběhem a sestupem představují alfačástice, respektive neutrony, a ostatní pulzy s pozvolnějším náběhem a sestupem představují fotony.
- 2 CZ 2020 - 5 A3
Příklad uskutečnění vynálezu
Příklad popisuje detekční jednotku pro směsné pole na palubě dopravního letadla letícího v letové 5 hladině přibližně 10 km nad zemí. Detekční jednotka je provedena v sendvičovém uspořádání, které sestává z planámí polovodičové PIN diody s tloušťkou vyčerpané oblasti 300 pm a radiátoru. V tomto příkladu je radiátorem vrstva 60 pm izotopu 10B nanesená na nosné PET fólii těsně doléhající k dopované oblasti p++ PIN diody. Takovéto uspořádání je citlivé na tepelné neutrony. Neutrony reagují s radiátorem, který v důsledku záchytu neutronů vyzařuje alfačástice, které jsou ίο následně zachyceny v PIN diodě. Detekční jednotka je umístěna ve vrstvě HDPE o tloušťce 300 mm.
Průmyslová využitelnost
Vynález je průmyslově využitelný při konstrukci přístrojů pro kvantitativní a kvalitativní měření ve směsném poli ionizujícího záření, kde se vyskytují současně fotony a neutrony. Určení poměru toku neutronů a fotonů lze pak použít ke stanovení dávkového ekvivalentu.
Claims (3)
- PATENTOVÉ NÁROKY1. Zařízení pro měření směsného radiačního pole fotonů a neutronů sestávající z PIN diody a 5 radiátoru s velkým účinným průřezem, vyznačující se tím, že vyčerpaná oblast PIN diody má tloušťku alespoň 100 pm, přičemž k PIN diodě těsně doléhá radiátor s velkým účinným průřezem a s tloušťkou vrstvy nejvýše 60 pm pro konverzi neutronů na alfa částice.
- 2. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že radiátorem je 10B.
- 3. Zařízení podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že radiátor je na vnější straně překryt plastovou fólií.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2020-5A CZ308563B6 (cs) | 2020-01-05 | 2020-01-05 | Zařízení pro měření směsného radiačního pole fotonů a neutronů |
| PCT/CZ2020/050091 WO2021136562A1 (en) | 2020-01-05 | 2020-12-03 | Device for measuring the mixed radiation field of photons and neutrons |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2020-5A CZ308563B6 (cs) | 2020-01-05 | 2020-01-05 | Zařízení pro měření směsného radiačního pole fotonů a neutronů |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CZ20205A3 true CZ20205A3 (cs) | 2020-11-25 |
| CZ308563B6 CZ308563B6 (cs) | 2020-11-25 |
Family
ID=73457967
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CZ2020-5A CZ308563B6 (cs) | 2020-01-05 | 2020-01-05 | Zařízení pro měření směsného radiačního pole fotonů a neutronů |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| CZ (1) | CZ308563B6 (cs) |
| WO (1) | WO2021136562A1 (cs) |
Family Cites Families (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| AU5896499A (en) | 1998-04-24 | 1999-12-13 | Digirad Corporation | Integrated radiation detector probe |
| US6545281B1 (en) * | 2001-07-06 | 2003-04-08 | The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy | Pocked surface neutron detector |
| US7902513B2 (en) * | 2008-03-19 | 2011-03-08 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Neutron detector with gamma ray isolation |
| US8569708B2 (en) * | 2009-01-30 | 2013-10-29 | Alliance For Sustainable Energy, Llc | High sensitivity, solid state neutron detector |
| CZ2017649A3 (cs) | 2017-10-12 | 2018-12-12 | Ăšstav jadernĂ© fyziky AV ÄŚR, v. v. i. | Způsob určování druhu ionizujícího záření a zapojení k provádění tohoto způsobu |
| CN107884811A (zh) * | 2017-11-27 | 2018-04-06 | 中核控制系统工程有限公司 | 一种基于硅pin的中子探测器 |
| US10969504B2 (en) * | 2018-02-05 | 2021-04-06 | Rhombus Holdings Llc | Component configuration for a robust tunable sensor system for a high radiation environment |
-
2020
- 2020-01-05 CZ CZ2020-5A patent/CZ308563B6/cs unknown
- 2020-12-03 WO PCT/CZ2020/050091 patent/WO2021136562A1/en active Application Filing
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2021136562A1 (en) | 2021-07-08 |
| CZ308563B6 (cs) | 2020-11-25 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6876711B2 (en) | Neutron detector utilizing sol-gel absorber and activation disk | |
| US6924487B2 (en) | Neutron detector | |
| JP6040248B2 (ja) | ピクセル検出器、コンプトン・カメラ、陽子線治療デバイス、中性子イメージングデバイス、Ｘ線偏光計及びγ線偏光計 | |
| US9851454B2 (en) | Detection devices and methods | |
| US8232530B2 (en) | Solid state neutron detector | |
| Sperduti et al. | Results of the first user program on the HOmogeneous Thermal NEutron Source HOTNES (ENEA/INFN) | |
| US7208743B2 (en) | Method and device for determining the personal dose in mixed neutron/photon fields | |
| US20050017185A1 (en) | Radiation detector | |
| US20090039270A1 (en) | Large-area alpha-particle detector and method for use | |
| Ryzhikov et al. | Advanced multilayer composite heavy-oxide scintillator detectors for high-efficiency fast neutron detection | |
| Schulte et al. | The use of large area silicon sensors for thermal neutron detection | |
| JPH1144768A (ja) | 放射線検出器及びそれを用いた放射線モニタ | |
| WO2021136562A1 (en) | Device for measuring the mixed radiation field of photons and neutrons | |
| RU2158011C2 (ru) | Детектор для регистрации нейтронов и гамма-излучения | |
| Wang et al. | A Miniaturized Gamma-ray Spectrometer based on CdZnTe Semiconductor and BGO Scintillator | |
| Finocchiaro et al. | Field tests of the MICADO monitoring detectors in real radwaste storages | |
| WO2003075037A1 (en) | Detectors of x-rays and neutrons | |
| WO2022163817A1 (ja) | 中性子線検出装置及び中性子線検出方法と中性子線検出用プログラム | |
| Kang et al. | Response of a photodiode coupled with boron for neutron detection | |
| JP2735937B2 (ja) | 臨界事故監視用中性子検出装置 | |
| CZ36509U1 (cs) | Detekční modul detektoru neutronů | |
| Andreotti et al. | Radiation Hardness Qualification of the Amplifier/Discriminator ASICs Production for the Upgrade of the LHCb RICH Detector Front-end Electronics | |
| Yoshihara et al. | Portable Compton Imaging System with Ce: GAGG Crystals and Dynamic Time-over-Threshold Method | |
| Jakubek et al. | Fast neutron detector based on TimePix pixel device with micrometer spatial resolution | |
| JP2023015720A (ja) | 中性子検出器、これを備える個人被ばく線量計および中性子照射量モニタ、並びに中性子検出方法 |