DE1014670B - Device for the detection of neutrons with a semiconductor - Google Patents
Device for the detection of neutrons with a semiconductorInfo
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Description
Gerät zur Erfassung von Neutronen mit einem Halbleiter In neuerer Zeit hat der Nachweis von Neutronen in der Technik immer mehr an -Bedeutung zugenommen. Die bisherigen Laboratoriumsmethoden wurden für die technische Anwendung vervollkommnet und weiterentwickelt. Bei den zahlreichen bekanntgewordenen und vorgeschlagenen Methoden für den Nachweis von Neutronen im gesamten in Frage kommenden Energiespektrum werden die folgenden physikalischen Effekte ausgenutzt: die durch Neutronen bewirkte Radioaktivierung, die durch Neutronen bewirkten Kernreaktionen, die zur spontanen Emission eines geladenen Teilchens oder y-Quants führen, die durch die Neutronen bewirkten Kernspaltungen, die Ionisierung der bei der Neutronen-Protonen-Streuung entstehenden Rückstoßprotonen. Als Nachweisgeräte sind gebräuchlich Ionisationskammer, Zählrohr, Szintillations- und Kristallzähler; fernerhin werden fotografische Emulsionen und Nebelkammern verwendet. Zu den hierauf aufgebauten Methoden sei im einzelnen kurz folgendes ausgeführt: Bei gewissen Reaktionen von Neutronen mit Atomkernen entstehen radioaktive Kerne. Dieser Effekt wird dazu ausgenutzt, um die Stärke eines Neutronenflusses aus der Radioaktivität des bestrahlten Materials zu bestimmen. Dabei wird im Prinzip so verfahren, daß das Material eine gewisse Zeit in den Neutronenfluß gebracht und dann mit Hilfe der zur Messung von Radioaktivitäten bekannten Mittel, wie Ionisationskammer, Zählrohr, Szintillations- oder Kristallzähler, die Radioaktivität gemessen wird. Bei dieser Methode wird zwangläufig immer über den Zeitraum der Bestrahlung integriert. Bei manchen Reaktionen, z. B. bei (n, p)- und (n, a)-Reaktionen, unterscheiden sich die entstehenden Kerne hinsichtlich ihrer Ladung von den Ausgangskernen und können daher mit chemischen Methoden verhältnismäßig leicht von dem nicht umgewandelten Material abgetrennt werden. Hierdurch ist eine Anreicherung der radioaktiven Kerne und damit eine Erhöhung der Meßgenauigkeit möglich. Dagegen entstehen bei (n, y)-Reaktionen Isotope der Ausgangskerne. Die Abtrennung dieser Kerne ist auf Grund des Rückstoßes, den sie bei der Aussendung der Gammastrahlen erfahren, möglich. Dieses Verfahren ist als Szillard-Chalmers-Reaktion bekanntgeworden.Device for the detection of neutrons with a semiconductor In newer The detection of neutrons has become more and more important in technology. The previous laboratory methods were perfected for technical application and further developed. Among the numerous known and proposed Methods for the detection of neutrons in the entire energy spectrum in question the following physical effects are exploited: those caused by neutrons Radioactivation, the nuclear reactions caused by neutrons that lead to spontaneous Emission of a charged particle or y-quantum lead by the neutrons caused nuclear fission, the ionization of the neutron-proton scattering resulting recoil protons. Ionization chambers are commonly used as detection devices, Counter tube, scintillation and crystal counter; photographic emulsions are also used and cloud chambers used. The methods based on this are detailed briefly stated: In certain reactions of neutrons with atomic nuclei radioactive nuclei arise. This effect is used to increase the strength of a Determine neutron flux from the radioactivity of the irradiated material. In principle, the procedure is such that the material is immersed in the neutron flux for a certain time brought and then with the help of the means known for measuring radioactivity, such as ionization chambers, counter tubes, scintillation or crystal counters, radioactivity is measured. With this method it is inevitable always over the period of the irradiation integrated. In some reactions, e.g. B. in (n, p) - and (n, a) reactions the resulting nuclei differ in terms of their charge from the output nuclei and can therefore be relatively easily removed from the unconverted by chemical methods Material to be separated. This leads to an enrichment of the radioactive nuclei and thus an increase in the measurement accuracy is possible. In contrast, (n, y) reactions arise Isotopes of the starting nuclei. The separation of these nuclei is due to the recoil, which you experience when the gamma rays are emitted, possible. This method has become known as the Szillard-Chalmers reaction.
Die Nachweismethoden, die Neutronenreaktionen unmittelbar auswerten, beruhen auf der Erfassung der Ionisation der emittierten geladenen Teilchen. Für den Nachweis der Ionisation werden die schon oben genannten Nachweismethoden verwendet. Für den Nachweis langsamer und thermischer Neutronen ist z. B. die B10(n, a) Li7-Reaktion bevorzugt gebräuchlich, und zwar deshalb, weil der Wirkungsquerschnitt für diese Reaktion verhältnismäßig sehr groß ist. Praktisch verfährt man so, daß Bor in Zählrohr- bzw. Ionisationskammern in Form von BF 3 als Füllgas verwendet oder in dünner Schicht auf die Kammerwände aufgebracht wird. Da der Wirkungsquerschnitt dieser Reaktion mit zunehmender Neutronengeschwindigkeit abnimmt, ist es üblich, bei mittleren und schnellen Neutronen (etwa 10 keV bis etwa 3 MeV) zur Abbremsung der Neutronen die Meßeinrichtung mit einem Paraffinmantel zu umgeben. Im Paraffin verlieren nämlich die Neutronen durch Zusammenstöße mit Wasserstoffkernen Energie und können als langsame Neutronen in der vorbeschriebenen Weise nachgewiesen werden.The detection methods that evaluate neutron reactions directly, are based on the detection of the ionization of the emitted charged particles. For the detection methods mentioned above are used to detect ionization. For the detection of slow and thermal neutrons z. B. the B10 (n, a) Li7 reaction preferred in use, because of the cross-section for this Reaction is relatively very large. In practice, the procedure is that boron in the counter tube or ionization chambers in the form of BF 3 used as filling gas or in a thin layer is applied to the chamber walls. Because the cross section of this reaction decreases with increasing neutron speed, it is common at medium and fast neutrons (about 10 keV to about 3 MeV) to decelerate the neutrons To surround measuring device with a paraffin jacket. Namely, lose in paraffin the neutrons collide with hydrogen nuclei and energy can be considered slow Neutrons can be detected in the manner described above.
Bei Schaltungen zur Zählung einzelner Impulse werden bei diesen Anordnungen entweder alle Impulse gemessen, die eine bestimmte Mindestgröße überschreiten, oder alle Impulse, die zwischen zwei bestimmten Größen liegen. Auf diese Weise ist es möglich, Neutronen auch in Gegenwart eines starken Untergrundes an Gammastrahlen zu messen.In circuits for counting individual pulses, these arrangements either measured all pulses that exceed a certain minimum size, or all impulses that are between two certain sizes. That way it is possible, neutrons also in the presence of a strong background of gamma rays to eat.
Bei den bekannten Neutronen-Nachweismethoden, die durch Neutronen ausgelöste Kernspaltungen ausnutzen, wird die Ionisation der Spaltprodukte gemessen. Die spaltbaren Kerne werden entweder als Bestandteile eines Gases (z. B. UFs) oder als Bestandteile einer dünnen Schicht (z. B. Uranoxyd) auf die Innenwände der Kammern aufgebracht, und zwar eignen sich zum Nachweis thermischer Neutronen U233, U235 oder Pu239, für schnelle Neutronen in der Natur vorkommendes Uran, das gegebenenfalls an U23'' angereichert ist.With the well-known neutron detection methods, the neutrons take advantage of triggered nuclear fission, the ionization of the fission products is measured. The fissile cores are either used as constituents of a gas (e.g. UFs) or as components of a thin layer (e.g. uranium oxide) on the inner walls of the chambers applied, namely are suitable for the detection of thermal neutrons U233, U235 or Pu239, naturally occurring uranium for fast neutrons, which optionally at U23 '' is enriched.
Die gebräuchlichste Methode zum Nachweis und zur Messung schneller Neutronen beruht auf der Erfassung der Ionisation der bei der Streuung von Neutronen an Protonen entstehenden Rückstoßprotonen. Diese Methode hat den Nachteil, daß die Energie der Rückstoßprotonen im Bereich des Streuwinkels zwischen Null und dem Betrag der Neutronenenergie variiert. In neuerer Zeit haben die Szintillations- und Kristallzähler als Nachweisgeräte an Bedeutung gewonnen, und zwar sind für das gesamte in Frage kommende Energiespektrum spezielle Verfahren entwickelt worden. So ist z. B. für den Nachweis schneller Neutronen ein Szintillationszähler unter Verwendung organischer Phosphore bekanntgeworden. Auch bei diesen Verfahren dient die Ionisation der bei der Neutronen-Protonen-Streuung entstehenden Rückstoßprotonen zum Nachweis der Neutronen. Hierbei wirkt sich der hohe Wasserstoffgehalt der Phosphore vorteilhaft aus.The most common way to detect and measure faster Neutrons are based on the detection of the ionization of the scattering of neutrons recoil protons generated by protons. This method has the disadvantage that the Energy of the recoil protons in the range of the scattering angle between zero and the absolute value the neutron energy varies. In recent times, the scintillation and crystal counters have gained in importance as detection devices, namely for that Special processes have been developed for the entire energy spectrum in question. So is z. B. for the detection of fast neutrons under a scintillation counter Use of organic phosphors became known. Also used in this process the ionization of the recoil protons produced during neutron-proton scattering for the detection of neutrons. The high hydrogen content of the phosphors has an effect here advantageous.
Bei einer Methode zur Erfassung von Neutronen mittlerer und kleinerer Energien wird die schon oben erwähnte B10 (n, a)Li7-Reaktion ausgenutzt, und zwar der Umstand, daß diese Reaktion bei kleinen und mittleren Energien zu einem angeregten Li 7-Kern führt, der unter Aussendung von Gammastrahlung in den Grundzustand übergeht. Diese Gammastrahlung wird mit einem Szintillationszähler nachgewiesen.In a method of detecting medium-sized and smaller neutrons Energies, the above-mentioned B10 (n, a) Li7 reaction is used, namely the fact that this reaction is excited at small and medium energies Li 7 core leads, which changes to the ground state with emission of gamma radiation. This gamma radiation is detected with a scintillation counter.
Für den Nachweis thermischer Neutronen mit dem Szintillationszähler wird ein LiJ (T1)-Kristall verwendet und die durch die a- und H3-Teilchen bei der Reaktion Li6 (n, a) H3 hervorgerufenen Szintillationen gemessen. Für den Nachweis langsamer Neutronen unter Ausnutzung der gleichen Reaktion ist ferner ein LiBr/AgBr-Kristallzähler vorgeschlagen worden. Ein Nachteil eines solchen Kristallzählers ist, daß er nur bei tiefer Temperatur betrieben werden kann und daß im Betrieb störende Polarisationserscheinungen auftreten.For the detection of thermal neutrons with the scintillation counter a LiJ (T1) crystal is used and the a- and H3-particles in the Reaction Li6 (n, a) H3-induced scintillations measured. For proof slow neutrons using the same reaction is also a LiBr / AgBr crystal counter has been proposed. A disadvantage of such a crystal counter is that it only has can be operated at low temperature and that disruptive polarization phenomena during operation appear.
Neutronenreaktionen, bei denen spontan ein Teilchen emittiert wird, können auch dadurch zur Neutronenmessung ausgenutzt werden, daß die geladenen Teilchen von außen auf den Szintillator wirken.Neutron reactions in which a particle is spontaneously emitted, can also be used for neutron measurement in that the charged particles act on the scintillator from the outside.
Schließlich sei noch der sehr verbreitete Nachweis von Neutronen mit Hilfe von fotografischen Emulsionen und Nebelkammern erwähnt. Die entsprechenden Methoden eignen sich besonders zur Erfassung von einzelnen Ereignissen, und zwar erfolgt der Nachweis der Neutronen auch hier indirekt durch die von ihnen ausgelösten oder beeinflußten geladenen Teilchen.Finally, there is also the very widespread detection of neutrons Help of photographic emulsions and cloud chambers mentioned. The corresponding Methods are particularly suitable for recording individual events, namely the detection of the neutrons takes place here also indirectly through the ones triggered by them or influenced charged particles.
Die auf den genannten Methoden beruhenden Nachweisgeräte haben den Nachteil, daß sie verhältnismäßig groß sind und zum Teil einen erheblichen Geräteaufwand erfordern. Bei gasgefüllten Ionisationskammern und Zählrohren müssen die Dimensionen, wenn ein guter Wirkungsgrad erzielt werden soll, mindest die Größe der reziproken Absorptionskoeffizienten aufweisen. Zum Nachweis langsamer Neutronen in einer BF3- Kammer unter Atmosphärendruck ergibt sich z. B. eine Dimension von etwa 50 cm. Verwendet man an Stelle der BF3- Atmosphäre an den Innenwänden eine Borschicht, so können die Dimensionen zwar etwas kleiner gehalten werden, die Schicht muß jedoch wegen der geringen Reichweite der a-Strahlen dünn sein. Dies wiederum hat zur Folge, daß die Absorption der Neutronen klein ist und damit auch der ; Wirkungsgrad des Zählrohres.The detection devices based on the methods mentioned have the Disadvantage that they are relatively large and in some cases require a considerable amount of equipment require. In the case of gas-filled ionization chambers and counter tubes, the dimensions if a good efficiency is to be achieved, at least the size of the reciprocal Have absorption coefficients. For the detection of slow neutrons in a BF3- Chamber under atmospheric pressure results, for. B. a dimension of about 50 cm. Used if a boron layer is used instead of the BF3 atmosphere on the inner walls, so can the dimensions are kept a little smaller, but the layer must be because of the short range of the a-rays can be thin. This in turn has the consequence that the absorption of neutrons is small and therefore also the; Efficiency of the counter tube.
Szintillationszähler haben zwar den Vorteil, daß man bei gutem Wirkungsgrad verhältnismäßig kleine Detektoren verwenden kann, der erforderliche Fotomultiplier stellt jedoch einen unangenehmen zusätzlichen Aufwand dar. Verhältnismäßig kleine Detektoren ergeben auch Kristallzähler. Die bisher benutzten LiBr/AgBr-Kristalle haben jedoch, wie schon oben erwähnt wurde, den Nachteil, daß sie nur bei tiefen Temperaturen betrieben werden können und daß im Betrieb störende Polarisationserscheinungen auftreten.Scintillation counters have the advantage that they are efficient Can use relatively small detectors, the required photomultiplier however, represents an unpleasant additional effort. Relatively small Detectors also make crystal counters. The previously used LiBr / AgBr crystals however, as already mentioned above, have the disadvantage that they only work at deep Temperatures can be operated and that disruptive polarization phenomena during operation appear.
Gegenstand der Erfindung ist ein Gerät zur Erfassung von Neutronen mit einem Halbleiter, das die oben beschriebenen Nachteile der bisherigen Geräte nicht aufweist. Die Erfindung besteht darin, daß als Halbleiterkörper eine halbleitende Verbindung vom Typ AIIIBvdas ist eine Verbindung von einem Element der III. Gruppe des Periodischen Systems mit einem Element der V. Gruppe des Periodischen Systems - mit einer Bor- und/oder Stickstoffkomponente vorgesehen ist und daß die Änderung der elektrischen Eigenschaften des Halbleiterkörpers, die durch die von den Neutronen ausgelösten, zu einer spontanen Emission eines geladenen Teilchens führenden Kernprozesse bewirkt wird, zur Erfassung .der Neutronen ausgenutzt ist.The invention relates to a device for detecting neutrons with a semiconductor that has the disadvantages of previous devices described above does not have. The invention consists in that the semiconductor body is a semiconducting Compound of type AIIIBv that is a compound of an element of III. group of the periodic table with an element of group V of the periodic table - Is provided with a boron and / or nitrogen component and that the change the electrical properties of the semiconductor body, which are determined by those of the neutrons triggered nuclear processes leading to a spontaneous emission of a charged particle is caused to detect .the neutrons is used.
Insbesondere eignen sich Halbleiterkörper aus einer Verbindung des Elementes Bor (B) mit einem der Elemente Stickstoff (N), Phosphor (P), Arsen (As) oder Antimon (Sb) oder Halbleiterkörper aus einer Verbindung des Elementes Stickstoff (N) mit einem der Elemente Aluminium (Al), Gallium (Ga) oder Indium (In). Halbleitende Verbindungen dieser Art sind bereits bekanntgeworden und ausführlich in der deutschen Patentanmeldung S 22281 VIII c/21 g beschrieben. Bei dem Gerät nach der Erfindung werden solche durch Neutronen ausgelöste Kernreaktionen ausgenutzt, die zu einer spontanen Emission eines geladenen Teilchens führen. Hierunter werden solche Reaktionen verstanden; bei welchen das geladene Teilchen mit einer extrem kleinen Halbwertzeit emittiert wird, und zwar unter 10-4 sec, vorzugsweise unter 10-8 sec. Die Wirkungsweise dieses Gerätes geht also wesentlich über die Ausnutzung der bereits bekannten Effekte hinaus, die durch die von Neutronen hervorgerufenen Gitterstörungen oder die durch die als Folge der durch die Neutronen verursachten Kernumwandlungen entstehenden Störstellen auftreten.In particular, semiconductor bodies made from a compound of the Element boron (B) with one of the elements nitrogen (N), phosphorus (P), arsenic (As) or antimony (Sb) or a semiconductor body made from a compound of the element nitrogen (N) with one of the elements aluminum (Al), gallium (Ga) or indium (In). Semiconductor end Connections of this kind are already known and extensively in the German Patent application S 22281 VIII c / 21 g described. In the device according to the invention such nuclear reactions triggered by neutrons are used, which lead to a lead to spontaneous emission of a charged particle. Below are such reactions Understood; in which the charged particle has an extremely short half-life is emitted, namely under 10-4 sec, preferably under 10-8 sec. The mode of action This device is therefore essentially about the use of the already known effects in addition, those caused by the lattice disturbances caused by neutrons or those caused by which arise as a result of the nuclear transformations caused by the neutrons Defects occur.
In der Zeichnung werden weitere Erläuterungen zu dem Gegenstand der Erfindung gegeben, es zeigt Fig. 1 den Wirkungsquerschnitt für zwei in Frage kommende Kernreaktionen des Stickstoffs, Fig.2 ein Beispiel einer Schaltanordnung für die momentane Erfassung eines Neutronenflusses, Fig.3 ein Beispiel einer Schaltanordnung für die integrale Erfassung eines Neutronenflusses.In the drawing, further explanations of the subject matter of Given the invention, FIG. 1 shows the cross-section for two possible ones Nuclear reactions of nitrogen, Fig.2 an example of a switching arrangement for the momentary detection of a neutron flux, FIG. 3 an example of a switching arrangement for the integral detection of a neutron flux.
Bei der Verwendung von halbleitenden Bor-Verbindungen wird von der bereits bei den bekannten Neutronen-Nachweisgeräten ausgenutzten Reaktion BIO(n, a)Li7 Gebrauch gemacht. Wird ein solcher Halbleiterkörper einer thermischen oder langsamen Neutronenstrahlung ausgesetzt, so finden folgende Vorgänge statt: A. Das Bor wird entsprechend der genannten Reaktion unter spontaner Aussendung eines a-Teilchens mit einer Energie von 2,3 MeV in Lithium umgewandelt. Der Wirkungsquerschnitt dieser Reaktion beträgt z. B. für thermische Neutronen etwa 3990 barn (lbarn=10-24 cm2), wenn reines B10 verwendet wird, dagegen nur 710 barn bei Verwendung des natürlichen Isotopengemisches. Demgegenüber beträgt der Wirkungsquerschnitt der bei den bekannten LiBr/AgBr-Kristallzählern ausgenutzten Reaktion Lis (n, a) H3 nur etwa 70 barn.When using semiconducting boron compounds, the Reaction BIO (n, a) Li7 made use. If such a semiconductor body is a thermal or When exposed to slow neutron radiation, the following processes take place: A. That According to the reaction mentioned, boron is formed with spontaneous emission of an α-particle converted into lithium with an energy of 2.3 MeV. The cross section of this Reaction is e.g. B. for thermal neutrons about 3990 barn (lbarn = 10-24 cm2), if pure B10 is used, on the other hand only 710 barn if the natural one is used Isotope mixture. In contrast, the effective cross-section is that of the known LiBr / AgBr crystal counters exploited the reaction Lis (n, a) H3 only about 70 barn.
Da, wie oben schon ausgeführt worden ist, der Wirkungsquerschnitt der B1° (n, a) Li7-Reaktion mit zunehmender Neutronenenergie abnimmt, wird der Kristall zum Nachweis energiereicherer Neutronen in Paraffin eingebettet, in welchem die Neutronen durch Stöße mit H-Kernen abgebremst werden.Since, as has already been explained above, the cross-section the B1 ° (n, a) Li7 reaction decreases with increasing neutron energy, the crystal becomes embedded in paraffin for the detection of energy-rich neutrons, in which the Neutrons are slowed down by collisions with H nuclei.
Die mittlere Eindringtiefe d der Neutronen berechnet man bekanntlich aus dem Absorptionskoeffizienten nach der Beziehung Dabei ist 1'V die Zahl der absorbierenden Atomkerne pro cm3, o der Wirkungsquerschnitt der Reaktion: So beträgt z. B. die Zahl der Borkerne in Borphosphid 4,35 . 1022 cm-3; bei dem oben angegebenen Wirkungsquerschnitt der B (n, a) Li7-Reaktion von 710 harn ergibt sich für Neutronen mit einer Energie von 0,025 eV eine Eindringtiefe von d = 3,24. 10-2 cm.The mean penetration depth d of the neutrons is known to be calculated from the absorption coefficient according to the relationship 1'V is the number of absorbing atomic nuclei per cm3, o the cross-section of the reaction: B. the number of boron cores in boron phosphide 4.35. 1022 cm-3; With the cross-section of the B (n, a) Li7 reaction of 710 urine given above, neutrons with an energy of 0.025 eV have a penetration depth of d = 3.24. 10-2 cm.
B. Das bei der B10 (n, a) Li7-Reaktion emittierte a-Teilchen hat, wie gesagt, eine Energie von 2,3 MeV und damit in der Borverbindung eine Reichweite von einigen 10-4 cm. Durch Energieabgabe an die Elektronen des Halbleiterkörpers erzeugt das a-Teilchen zahlreiche Elektron-Lochpaare. Hierdurch werden die elektrischen Eigenschaften des Halbleiterkörpers verändert. Diese Änderung der elektrischen Eigenschaften des Halbleiterkörpers wird bei dem neuen Gerät zur Erfassung der Neutronen ausgenutzt. Dies kann z. B. so geschehen, daß man den Strom-Spannungsstoß mißt, der durch die von den α-Teilchen im Halbleiterkörper erzeugten Elektron-Lochpaare ausgelöst wird.B. The a-particle emitted in the B10 (n, a) Li7 reaction has, as I said, an energy of 2.3 MeV and thus a range in the boron compound of some 10-4 cm. By transferring energy to the electrons in the semiconductor body the a-particle creates numerous electron-hole pairs. This will make the electrical Properties of the semiconductor body changed. This change in electrical properties of the semiconductor body is used in the new device to record the neutrons. This can e.g. B. done so that one measures the current surge caused by the triggered electron-hole pairs generated by the α-particles in the semiconductor body will.
C. Bei dem Neutroneneinfang wird der B10-Kern in einen Li7-Kern umgewandelt. Dieser bildet im Grundgitter der halbleitenden Borverbindungen eine Störstelle, die ihrerseits einen beweglichen Ladungsträger (Elektron bzw. Defektelektron) erzeugen kann. Dieser Prozeß bewirkt im Gegensatz zu der unter B. beschriebenen momentanen und reversiblen Änderung - die durch Rekombination der Elektron-Lochpaare, in Abhängigkeit von ihrer Lebensdauer, und durch das Abfließen im äußeren Stromkreis rasch abklingt - eine irreversible Änderung der elektrischen Eigenschaften des Halbleiterkristalls. Er ist also besonders geeignet zur Erfassung der Gesamtzahl der in einem Zeitraum eingefangenen Neutronen, ohne daß ein zusätzlicher Integrationsmechanismus benötigt wird. Insbesondere ist es möglich, diesen Effekt und den unter B. beschriebenen Effekt, also Momentanerfassung und Intregalerfassung eines Neutronenflusses, in ein und demselben Gerät zu realisieren.C. During neutron capture, the B10 nucleus is converted into a Li7 nucleus. This forms an impurity in the basic lattice of the semiconducting boron compounds, which in turn generate a mobile charge carrier (electron or defect electron) can. This process, in contrast to the current one described under B. and reversible change - which is due to recombination of the electron-hole pairs, depending on of their lifespan, and rapidly decays as a result of the drainage in the external circuit - an irreversible change in the electrical properties of the semiconductor crystal. It is therefore particularly suitable for recording the total number of in a period captured neutrons without the need for an additional integration mechanism will. In particular, it is possible to use this effect and that described under B. Effect, i.e. instantaneous acquisition and intra-shelf acquisition of a neutron flux, in to realize one and the same device.
Zu den bei dem Gerät nach der Erfindung zu verwendenden Bor-Verbindungen sei das Folgende ausgeführt: Die AI1IBv-Verbindungen des Bors besitzen im allgemeinen eine verhältnismäßig große Breite der verbotenen Zone. Dies hat zur Folge, daß sie im eigenleitenden Zustand sehr schlechte Elektrizitätsleiter sind; erfahrungsgemäß sind sie es dann auch im Störleitungsbereich, also wenn sie mit Störstellen dotiert worden sind. Dies ist unter Umständen ungünstig, weil elektrische Aufladungserscheinungen den stationären Betrieb des Geräts zur Erfassung von Neutronen sehr erschweren würden. Durch geeignete Wahl der Bv-Komponente ist es jedoch möglich, die Breite der verbotenen Zone und damit den elektrischen Widerstand der entsprechenden Borverbindung den jeweiligen Erfordernissen anzupassen. So nimmt z. B. beim Durchlauf der Reihe BN, BP; BAs, BSb die Breite der verbotenen Zone laufend ab, die elektrische Leitfähigkeit also zu. Die bei den AIIIBv-Verbindungen vorhandene Defektelektronenbeweglichkeit wirkt außerdem der störenden Raumladungsbildung entgegen. Die bisher gebräuchlichen AgBr/LiBr-Kristalle besitzen dagegen keine nennenswerte Defektelektronenbeweglichkeit und daher auch nicht den vorgenannten Vorteil. Dies schließt den weiteren Vorteil der AIIIBv-Verbindungen, nämlich die Anwendbarkeit der p-n- bzw. p-i-n-Technik durch Dotierung mit Donatoren und Akzeptoren aus.The boron compounds to be used in the device according to the invention let us say the following: The AI1IBv compounds of boron generally have a relatively large width of the forbidden zone. As a result, they are very poor conductors of electricity in their intrinsic state; according to experience are they then also in the interference conduction area, i.e. when they are doped with impurities have been. This may be unfavorable because of the appearance of electrical charges would make the stationary operation of the device for detecting neutrons very difficult. However, through a suitable choice of the Bv component, it is possible to limit the width of the prohibited Zone and thus the electrical resistance of the corresponding boron compound to adapt to the respective requirements. So takes z. B. when running through the series BN, BP; BAs, BSb the width of the forbidden zone continuously, the electrical conductivity so to. The hole mobility present in the AIIIBv compounds also counteracts the disruptive space charge formation. The ones that have been used so far AgBr / LiBr crystals, on the other hand, have no significant hole mobility and therefore not the aforementioned advantage. This includes the further benefit of the AIIIBv connections, namely the applicability of the p-n or p-i-n technology Doping with donors and acceptors.
In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, daß die Wirkungsweise des vorliegenden Gerätes sich grundlegend von der bekannten Methode zum Nachweis von α-Teilchen mit Hilfe von p-n-Kristallen unterscheidet. Denn dort werden α-Teilchen in den Kristall hineingeschossen, während es, wie oben ausgeführt worden ist, gerade einen wichtigen Vorteil des neuen Gerätes und gegenüber den bekannten Geräten einen bedeutenden Fortschritt darstellt, daß die α-Teilchen im Halbleiterkristall erzeugt und dort unmittelbar wirksam werden.In this context, it should be noted that the mode of action of the present device differs fundamentally from the known method of detection differs from α-particles with the help of p-n crystals. Because there will be α-particles shot into the crystal while it was, as stated above has been, just an important advantage of the new device and compared to the known Devices represents a significant advance that the α-particles in the semiconductor crystal generated and become effective there immediately.
Für die technische Herstellung des Gerätes nach der Erfindung ist von Bedeutung, daß die AIIIBv-Verbindungen des Bors gegenüber dem Element Bor physikalisch-chemische Vorteile aufweisen. Denn das Bor, das zwar auch halbleitende Eigenschaften besitzt, ist eine technologisch schwierige Substanz. Dies dürfte auch der Grund dafür sein, daß bis heute noch nicht die kristalline Struktur des Bors bekanntgeworden ist. Die Trägerbeweglichkeit ist als sehr klein anzunehmen, so daß Bor als Halbleiter hier nicht in Frage kommt. Dagegen sind die Borverbindungen, insbesondere dessen AIIIBv-Verbindungen, besser erforscht, ihre Eigenschaften, wie Gitterkonstanten und Kristallstruktur, sind weitgehend bekannt. Die AIIIBv-Verbindungen des Bors sind überdies sehr stabil und technologisch besser zu handhaben als das Element Bor.For the technical production of the device according to the invention is It is important that the AIIIBv compounds of boron compared with the element boron are physico-chemical Have advantages. Because the boron, which also has semiconducting properties, is a technologically difficult substance. This should also be the reason for that the crystalline structure of boron has not yet become known. The carrier mobility can be assumed to be very small, so that boron is a semiconductor is out of the question here. In contrast, the boron compounds, especially its AIIIBv compounds, better explored, their properties, such as lattice constants and crystal structure, are widely known. The AIIIBv compounds of boron are also very stable and technologically easier to handle than the element Boron.
Schließlich ist auf einen weiteren bedeutenden Effekt, der durch das Halbleitergerät nach der Erfindung erreicht wird, hinzuweisen. Er besteht darin, daß z. B. durch thermische Neutronen, also durch Neutronen mit einer Energie von etwa 0,025 eV, α-Teilchen mit einer Energie von 2,3 MeV ausgelöst werden, d. h. mit einer Energie, die um mehrere Größenordnungen höher liegt als die Energie der Neutronen. Da die kinetische Energie dieser α-Teilchen mit brauchbarem Wirkungsgrad (z. B. 1%) in elektrische Energie im Halbleiterkristall umgewandelt werden kann, erreicht man also bei der Umwandlung der Energie der Neutronen in elektrische Energie eine erhebliche Leistungsverstärkung; sie beträgt im vorgenannten Beispiel etwa 10s. Die dazu notwendige Energie entstammt der Kernreaktion.Finally, there is another significant effect caused by the Semiconductor device according to the invention is achieved, to point out. It consists in that z. B. by thermal neutrons, so by neutrons with an energy of about 0.025 eV, α-particles with an energy of 2.3 MeV are released, d. H. with an energy that is several orders of magnitude higher than the energy of neutrons. Since the kinetic energy of these α-particles with usable Efficiency (e.g. 1%) converted into electrical energy in the semiconductor crystal can be achieved by converting the energy of the neutrons into electrical energy Energy a significant gain in power; in the above example it is about 10s. The energy required for this comes from the nuclear reaction.
Neben den Bor-Verbindungen vom Typ AIIIBv werden beim Gegenstand der Erfindung auch, wie bereits angegeben worden ist, die Stickstoffverbindungen dieses Typs verwendet; hierbei werden folgende Reaktionen ausgenutzt: N14(n, p) C14 für langsame und mittelschnelle Neutronen, N14(n, a) B11 für schnelle Neutronen.In addition to the boron compounds of the AIIIBv type, the subject of Invention, as has already been stated, the nitrogen compounds of this Type used; the following reactions are used here: N14 (n, p) C14 for slow and medium-fast neutrons, N14 (n, a) B11 for fast neutrons.
Die Wirkungsquerschnitte für diese beiden Reaktionen in Abhängigkeit von der Neutronenenergie sind in Fig. 1 dargestellt. Auf der Abszisse ist die Energie der Neutronen in MeV, auf der Ordinate der Wirkungsquerschnitt in Millibarn aufgetragen. Es sind drei Kurven eingetragen, und zwar je eine Kurve für die (n, p)-Reaktion (@p), für die (n, a) -Reaktion (@a) und für die Summe der Wirkungsquerschnitte beider Reaktionen (@p+a) bei hohen Energien.The cross sections for these two reactions as a function of the neutron energy are shown in FIG. On the abscissa is the energy of neutrons in MeV, and the cross-section in millibarns plotted on the ordinate. Three curves are plotted, one curve each for the (n, p) reaction (@p), for the (n, a) -reaction (@a) and for the sum of the cross-sections of both Reactions (@ p + a) at high energies.
Der Wirkungsquerschnitt der N14 (n, p)-Reaktion für thermische Neutronen beträgt 1,76 barn. Dieser Wert ist zwar um den Faktor 400 kleiner als der Wirkungsquerschnitt der B (n, α)-Reaktion für thermische Neutronen. Der geringere Wirkungsquerschnitt der N14 (n, p)-Reaktion ist jedoch günstig für die Erfassung sehr großer Neutronenflüsse, da in diesem Falle entsprechend weniger Kernumwandlungen erfolgen und damit die Lebensdauer des Kristalls entsprechend größer ist. Für diesen Zweck sind besonders günstig die Verbindungen Aluminiumnitrid (AIN) und Galhumnitrid (GaN), da der Wirkungsquerschnitt von Al und Ga für eine durch thermische Neutronen angeregte Kernumwandlung - (n, y)-Prozeß -ebenfalls klein ist; er beträgt für thermische Neutronen bei der Al (n, y)-Reaktion 0,22 barn und bei der Ga (n, y)-Reaktion 2,9 harn. Die bei diesen Reaktionen entstehenden Kerne sind (3- und y-Strahler. Hierbei entstehen mit einer Halbwertszeit von einigen Minuten die Elemente Silizium (Si) bzw. Germanium (Ge).The cross section of the N14 (n, p) reaction for thermal neutrons is 1.76 barn. This value is smaller by a factor of 400 than the cross section the B (n, α) reaction for thermal neutrons. The smaller cross-section however, the N14 (n, p) reaction is favorable for the detection of very large neutron fluxes, since in this case there are correspondingly fewer core conversions and thus the Lifetime of the crystal is correspondingly greater. For this purpose are special the compounds aluminum nitride (AlN) and gallium nitride (GaN) are favorable, as the cross-section of Al and Ga for a nuclear transformation excited by thermal neutrons - (n, y) process is also small; for thermal neutrons at Al (n, y) reaction 0.22 barn and in the Ga (n, y) reaction 2.9 urine. The ones in these reactions The resulting nuclei are (3 and y-emitters. These arise with a half-life of a few minutes the elements silicon (Si) or germanium (Ge).
Wie bei den Boriden werden auch bei den Nitriden zur Erfassung der Neutronen die durch die Neutronen bewirkten reversiblen und irreversiblen Änderungen der elektrischen Eigenschaften des Halbleiterkörpers ausgenutzt. Und zwar ergeben sich reversible Änderungen aus der Elektron-Lochpaar-Bildung durch die unter dem Einfluß der Neutronen aus den Stickstoffkernen spontan emittierten α-Teilchen oder Protonen. Die irreversiblen Änderungen ergeben sich aus der Umwandlung von Stickstoffkernen in Kohlenstoffkerne bei der (n, p)-Reaktion. Diese C14-Kerne bilden im Grundgitter der halbleitenden Stickstoffverbindungen Störstellen, die ihrerseits bewegliche Ladungsträger bilden können. Hierbei sind auch die bei den vorher erwähnten Al (n, y)- bzw. Ga (n, y)-Reaktionen entstehenden, durch die Elemente Silizium und Germanium gebildeten zusätzlichen Störstellen und die damit verbundenen Änderungen der elektrischen Eigenschaften des Halbleiterkörpers zu berücksichtigen.As with borides, nitrides are also used to record the Neutrons the reversible and irreversible changes caused by the neutrons exploited the electrical properties of the semiconductor body. and reversible changes result from the formation of electron-hole pairs which spontaneously emitted from the nitrogen nuclei under the influence of neutrons α-particles or protons. The irreversible changes result from the Conversion of nitrogen nuclei into carbon nuclei in the (n, p) reaction. These C14 nuclei form defects in the basic lattice of the semiconducting nitrogen compounds, which in turn can form movable load carriers. Here are also those at the aforementioned Al (n, y) or Ga (n, y) reactions resulting from the Elements silicon and germanium formed additional impurities and thus associated changes in the electrical properties of the semiconductor body to be taken into account.
Der verhältnismäßig große Wirkungsquerschnitt des Stickstoffs für Neutronen mittlerer und großer Energie macht die Stickstoffverbindungen besonders geeignet zur Erfassung von Neutronen dieses Energiebereichs, während die Bor-Verbindungen bevorzugt zur Erfassung langsamer Neutronen herangezogen werden.The relatively large cross-section of nitrogen for Medium and high energy neutrons make nitrogen compounds special suitable for capturing neutrons of this energy range, while the boron compounds are preferably used to detect slow neutrons.
Wie den Boriden so kommt auch den Nitriden der den AIIIBv-Verbindungen allgemein eigene Vorteil der Anwendbarkeit der p-n- bzw. p-i-n-Technik zugute. Hinzu kommt, daß die Nitride technologisch sich noch günstiger verhalten als die Boride.Like the borides, the nitrides also come from the AIIIBv compounds generally own advantage of the applicability of the p-n or p-i-n technology. In addition comes that the nitrides behave technologically even more favorable than the borides.
Die Erfassung des Neutronenflusses auf Grund der Änderung der elektrischen Eigenschaften des Halbleiterkörpers läßt sich schaltungsmäßig auf mannigfache Weise realisieren. In Fig. 2 ist ein Beispiel für eine solche Anordnung zur Erfassung des Momentanwertes eines Neutronenflusses schematisch 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 lösen Kernreaktioenen aus, die dabei spontan emittierten geladenen Teilchen bilden Elektron-Lochpaare. Diese verursachen in der Anordnung einen Spannungsstoß, der in der Verstärkeranordnung 6 verstärkt und durch das Gerät 7 angezeigt wird. Bei geeigneter Eichung dieses Gerätes kann an diesem unmittelbar der Momentanwert des Neutronenflusses abgelesen werden.The detection of the neutron flux due to the change in the electrical Properties of the semiconductor body can be shown in a variety of ways in terms of circuitry realize. In Fig. 2 is an example of such an arrangement for detection of the instantaneous value of a neutron flux is shown schematically. And that is with 1 the grounding of the arrangement, with 2 a voltage source, with 3 the semiconductor body and with the arrows at 4 a neutron flux acting on the semiconductor body as well as 5 indicates a resistor, 6 indicates an amplifier device and 7 indicates a measuring device. Dissolve the neutrons that hit the semiconductor body and penetrate into it Nuclear reactions, the charged particles spontaneously emitted form electron-hole pairs. These cause a voltage surge in the arrangement, which in the amplifier arrangement 6 is amplified and displayed by the device 7. With suitable calibration this The device can read the instantaneous value of the neutron flux directly on this will.
Eine einfache Anordnung zur Erfassung des integralen Wertes eines Neutronenflusses über eine vorgegebene Zeit ist in Fig. 3 dargestellt. Es bedeutet 11 einen Halbleiterkörper, 12 einen einstellbaren Vorwiderstand, 13 eine Spannungsquelle und 14 und 15 ein Strom- bzw. Spannungsmeßgerät; ein auf den Halbleiterkörper wirkender Neutronenfluß ist durch die Pfeile bei 16 angedeutet. Bei dieser Anordnung wird die durch die Neutronen bewirkte irreversible Änderung der elektrischen Eigenschaften des Halbleiterkörpers erfaßt, und zwar unter Ausnutzung der eintretenden Widerstandsänderung des Halbleiterkörpers. Bei geeigneter Eichung gibt das Gerät 14 bzw. 15 zu jedem Zeitpunkt den integralen Wert des Neutronenflusses an.A simple arrangement for detecting the integral value of a Neutron flux over a predetermined time is shown in FIG. 3. It means 11 a semiconductor body, 12 an adjustable series resistor, 13 a voltage source and 14 and 15 a current and voltage measuring device, respectively; one acting on the semiconductor body Neutron flux is indicated by the arrows at 16. With this arrangement the irreversible change in electrical properties caused by the neutrons of the semiconductor body detected using the change in resistance that occurs of the semiconductor body. With suitable calibration, the device gives 14 or 15 to each Time shows the integral value of the neutron flux.
Allgemein weist das Gerät nach der Erfindung gegenüber bekannten Geräten den Vorteil auf, daß die unter dem Einfluß der Neutronen spontan emittierten Teilchen direkt an dem Orte nachgewiesen werden, an dem sie gebildet worden sind. Man braucht daher nicht die Dicke des Halbleiterkristalls der verhältnismäßig sehr kleinen Reichweite der α-Teilchen anzupassen, wie es z. B. bei der Bemessung einer Borschicht auf der Innenwand von Zähl-65 rohren erforderlich ist. Dies hat den weiteren Vorteil, daß der Halbleiterkörper so bemessen werden kann, daß praktisch alle Neutronen absorbiert werden. Wenn man die oben angegebene Eindringtiefe für 0,02 5-e V -Neutronen von 3,24. 10-2 cm in Betracht zieht, so erkennt man, mit 70 welch geringen Abmessungen des Halbleiterkristalls man auskommen kann.In general, the device according to the invention compared to known devices the advantage that the particles spontaneously emitted under the influence of the neutrons can be detected directly at the place where they were formed. You need therefore not the thickness of the semiconductor crystal of the comparatively very small range to adapt the α-particle, as it is, for. B. when dimensioning a boron layer on the inner wall of counting 65 tubes is required. This has the further advantage that the semiconductor body can be dimensioned in such a way that practically all neutrons are absorbed will. If one considers the penetration depth given above for 0.02 5-e V neutrons of 3.24. If you consider 10-2 cm, you can see how small the dimensions are of the semiconductor crystal one can get by.
Wenn oben angegeben worden ist, daß das vorliegende Gerät zur Erfassung von Neutronen dient, so ist damit vor allem der Nachweis von Neutronen, die Messung von Neutronenenergien, Intensitäten und ihre Kombination zu verstehen, ferner auch die Steuerung und Regelung von Neutronenflüssen oder durch sie abgebildete Größen, und zwar jeweils unter Ausnutzung der durch die Neutronen bewirkten Änderung der elektrischen Eigenschaften des Halbleiterkörpers des Gerätes nach der Erfindung.If it has been indicated above that the present device for detection of neutrons, so it is primarily the detection of neutrons, the measurement to understand neutron energies, intensities and their combination, furthermore the control and regulation of neutron fluxes or the quantities represented by them, and in each case using the change in the caused by the neutrons electrical properties of the semiconductor body of the device according to the invention.
Claims (14)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DES43086A DE1014670B (en) | 1955-03-18 | 1955-03-18 | Device for the detection of neutrons with a semiconductor |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| DES43086A DE1014670B (en) | 1955-03-18 | 1955-03-18 | Device for the detection of neutrons with a semiconductor |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE1014670B true DE1014670B (en) | 1957-08-29 |
| DE1014670C2 DE1014670C2 (en) | 1958-02-06 |
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ID=7484591
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DES43086A Granted DE1014670B (en) | 1955-03-18 | 1955-03-18 | Device for the detection of neutrons with a semiconductor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE1014670B (en) |
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1955
- 1955-03-18 DE DES43086A patent/DE1014670B/en active Granted
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| DE1014670C2 (en) | 1958-02-06 |
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