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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung bezieht sich allgemein auf ein neues Halbleitermaterial
zur Strahlungsabsorption und zum Strahlungsnachweis und im Besonderen
auf ein Halbleitermaterial, das auf Zusammensetzungen von LiM2+GV beruht, die
eine antifluorit-artige Anordnung zeigen, worin M2+ ein
zweiwertiges Metall (oder Metalle) ist und GV ein
Glied (oder Glieder) von den Elementen der Gruppe V repräsentiert.
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Beschreibung des Standes der
Technik
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VERFAHREN ZUM NACHWEIS VON GAMMA-PHOTONEN
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Traditionelles
Herangehen an den Gammanachweis schließt hochdichte Materialien ein,
die Elemente mit großen
Atomnummern enthalten. Diese Materialien können in zwei allgemeine Klassen
unterteilt werden: [1] Szintillatoren und [2] Direktumwandlungs-Halbleiter.
Bei beiden Klassen treten ankommende Gamma-Photonen mit dem Material
in Wechselwirkung, geben Energie in Form primärer energiereicher Elektronen
ab, die wiederum Elektron-Loch-Paare ionisieren.
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In
Szintillatoren rekombiniert ein großer Anteil dieser Paare entweder
direkt oder an einer lumineszenten Stelle (z. B. einem Aktivator-Dotierungsmittel
oder einem innewoh nenden Defekt) unter Erzeugung von Photonen. Solche
Photonen-Emissionen
befinden sich typischerweise im sichtbaren Spektrum. Die Photonen werden
durch einen Fotosensor (z. B. Fotovervielfacherröhre, Fotodiode etc.) gesammelt
und durch geeignete Elektronik zum Rekonstruieren des Gamma-Energiespektrums
verarbeitet.
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In
Direktumwandlungs-Halbleitern wird ein großer Teil der Elektron-Loch-Paare
an Elektroden über
ein angelegtes elektrisches Feld gesammelt (d. h. Elektronen wandern
zur Anode und Löcher
zur Kathode). Die resultierenden Stromimpulse werden durch geeignete
Elektronik zum Rekonstruieren des Gamma-Energiespektrums verarbeitet.
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Derzeitige
kommerzielle Szintillatoren schließen NaI:Tl, CsI:Tl, CsI:Na,
Bi4Ge3O12,
(Lu,Y) SiO5:Ce und LaBr3:Ce
ein. Direktumwandlungs-Halbleiter schließen Si, hochreines Ge, HgI2, PbI2 und Glieder
der Cd1-xZnxTe-Reihe
ein.
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VERFAHREN ZUM NACHWEIS VON NEUTRONENTEILCHEN
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Traditionelles
Herangehen an den Neutronennachweis folgt gewöhnlich einem von vier verfügbaren Pfaden:
[1] dem Gasgehalt an 3He oder 10BF3 (z. B. Proportionalzähler, Ionisations/Szintillations-Kammern),
[2] dünnen
Schichten oder Dotierungsregionen, die entweder 10B-
oder 6Li-Atome auf oder innerhalb von Siliziumdioden
enthalten, [3] dem Festkörpereinbau
von 6Li in Szintillatoren (z. B. auf 6LiI:Eu- oder 6Li-Grundlage, Ce-dotierte
Silikatgläser,)
und [4] Wasserstoff-Rückstoß in organischer
Materie (z. B. Anthracen, Stilben, Flüssigkeits/Kunststoff-Szintillatoren).
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Mit
Ausnahme von [4] beruhen alle Verfahren auf einem stabilen Isotop
hohen Neutronenquerschnitts (z. B. 3He, 6Li, 10B), um einfallende
Neutronenstrahlung zu absorbieren. Dieser Absorptionsprozess induziert eine
Kernreaktion, die geladene schwere Teilchen als Nebenprodukt erzeugt:
3He(n,p)-Reaktion: 3He
+ n → 3T + 1p Q = 0,764
MeV
6Li(n,α)-Reaktion: 6Li
+ n → 3T + 4α Q = 4,78
MeV
10B(n,α)-Reaktion: 10B+n → 7Li+4α Q = 2,792
MeV (Grundzustand, 6%) 10B+n → Li* + 4α Q = 2,310
MeV (angeregter Zustand, 94%)
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Die 10B(n,α)-Reaktion
erzeugt jedoch auch ein 0,478 MeV-Gammaphoton, wenn 7Li* zu 7Li zerfällt.
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Schwerteilchen-Nebenprodukte
aus diesen Neutronen-Einfangreaktionen
können
zum Erzeugen von Elektron-Ion-Paaren in einem Gas (d. h. [1]) oder
Elektron-Loch-Paaren in einem Feststoffmaterial (d. h. [2] oder
[3]) benutzt werden. Methoden [1] und [2] wandeln solche Paare direkt
in messbare elektrische Ströme um
und benutzen geeignete Verarbeitungs-Elektronik, um das (die) Neutronen-Ereignis(se)
zu registrieren. Methode [3] erfordert zusätzlich einen Fotosensor, um
zuerst Protonen-Emissionen von dem Szintillator in elektronische
Impulse umzuwandeln.
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Methode
[4] unterscheidet sich von [1], [2] und [3], da sie auf der Kinematik
elastischer Neutronenstreuung beruht. In diesem Prozess kollidieren
einfallende Neutronenteilchen mit molekular gebundenem Wasserstoff,
um Rückstoß-Protonen freizusetzen.
Diese Rückstoß-Protonen
funktionieren in einer Weise ähnlich
den schweren geladenen Nebenprodukten der Neutronen-Einfangreaktionen
oben: ihre Energie wird auf Elektronen ihres Wirtes, typischerweise
einem/einer Gas/Flüssigkeit
oder polymerem Feststoff, übertragen.
In organischen Szintillatoren – der üblichsten
Ausführungsform – werden
Elektron-Loch-Paare erzeugt, die sich nachfolgend unter Erzeu gen
von Photonen rekombinieren. Die Photonen werden durch einen Fotosensor
(z. B. Fotovervielfacherröhre,
Fotodiode usw.) gesammelt und durch geeignete Elektronik verarbeitet,
um das Neutronen-Geschehnis zu registrieren.
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Die
erste Klasse von Neutronen-Detektoren (d. h. [1]) repräsentiert
die dominante und am meisten entwickelte Technologie, die kommerziell
vertrieben wird. Die zweite Klasse von Neutronen-Detektoren (d.
h. [2]) beruht auf einer Konverterschicht von 6Li
enthaltendem oder 10B enthaltendem Material,
das mit einer Siliziumdiode gekoppelt ist. Dieses Design hat sich
von einfachen planaren Schichten zu verschiedenen 2D- oder 3-D-Varianten
entwickelt (z. B. „perforiertem” Silizium,
PIN-Dioden-Säulenelementen
usw.), um die Neutronenempfindlichkeit zu verbessern. Ein solcher
Trend geht jedoch auf Kosten einer erhöhten Herstellungskomplexität, die ihrerseits
die Fabrikationskosten erhöht
hat, wobei gute Produktionsausbeuten noch zu demonstrieren sind.
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Die
dritte Klasse von Neutronen-Detektoren (d. h. [3]) ist kommerziell
erhältlich
als kleine Einkristalle (z. B. 6LiI:Eu-Größen bis
zu 1 Zoll) und in größeren/Gebrauchs-Volumina
als amorphe Monolithen (z. B. auf 6Li-Grundlage,
Ce-dotierte Silikatgläser).
Unglücklicherweise
haben die Kristalle ein nicht-lineares Energieansprechverhalten,
während
die Gläser
(zusätzlich)
eine dürftige
Lichtabgabe zeigen. Als ein Resultat werden beide Materialien nur
zum Abbilden oder Zählen
und nicht für
die Spektroskopie benutzt.
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Die
letzte Klasse von Neutronen-Detektoren (d. h. [4]) ist in massiven/Gebrauchs-Größen (z.
B. festen Kunststoffen) oder in abgedichteten Behältern (z.
B. flüssige
organische Materialien) kommerziell erhältlich. Diese Detektoren erfordern
große
Volumina wasserstoffhaltigen flüssigen
oder festen Kunststoffes und als solches werden ihre Ausführungsformen
gegenüber
Gammastrahlen sensibilisiert. Diese letztere Charakteristik erfordert
zusätzliche
teure Impuls-Gestalts-Elektronik, um Neutronen- von Gamma-Geschehnissen
zu unterscheiden. Ein anderer Nachteil ist, dass nur die erste Neutronen-Wechselwirkung
im Material gemessen werden kann. Flüssige Szintillatoren sind auch
toxisch.
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Die
Notwendigkeit, regellosen Kernwaffen-Bedrohungen zu begegnen, erfordert
Detektorsysteme, die verborgene und/oder abgeschirmte radiologische
Materialien nachweisen können,
die auf Personen angeordnet sind, durch Fahrzeuge transportiert
werden, in großen
Behältern
enthalten sind und Ähnliches.
Weiter muss dieser Nachweisprozess in der Lage sein, spezielle Nuklearmaterialien
(z. B. waffenfähiges
U und Pu, gasförmiges
UF6 zur Anreicherung usw.) von der Anwesenheit
medizinischer und industrieller Radioisotope ebenso wie von normalerweise
vorkommendem radioaktivem Material (NORM) zu unterscheiden. Es besteht daher
ein Bedarf, ein Material bereitzustellen, das Gamma- und/oder Neutronenstrahlung
absorbiert und dann die durch diese Strahlung abgegebene Energie
in elektrische Impulse umwandelt. Diese Signale können dann zur
Erzeugung eines Energiespektrums für jeden Strahlungstyp verarbeitet
werden und dadurch den Radioisotopnachweis und die Radioisotop-Identifikation
zu ermöglichen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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In
einem Aspekt der Erfindung umfasst ein Halbleitermaterial zur Strahlungsabsorption
und zum Strahlungsnachweise eine ternäre Zusammensetzung der Stöchiometrie
LiM2+GV, die eine
antifluorit-artige Anordnung zeigt, wobei die stöchiometrischen Fraktionen Li
= 1, M2+ = 1 und GV =
1 sind, worin ein Elektron-Loch-Paar durch Absorption von Strahlung
erzeugt und das Elektron-Loch-Paar durch Erzeugen eines Stromimpulses
nachgewiesen wird.
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In
einem anderen Aspekt der Erfindung umfasst ein Halbleitermaterial
zur Strahlungsabsorption und zum Strahlungsnachweis eine gemischte
Zusammensetzung der Stöchiometrie
Li(M1 2+, M2 2+, M3 2+, ...)(G1 V, G2 V, G3 V, ...), die eine
antifluorit-artige Anordnung zeigt, wobei die stöchiometrischen Fraktionen Li
= 1,(M1 2+ + M2 2+ + M3 2+ + ...) = 1 und (G1 V + G2 V +
G3 V + ...) = 1 sind,
worin ein Elektron-Loch-Paar durch Absorption von Strahlung erzeugt
und das Elektron-Loch-Paar durch Erzeugen eines Stromimpulses nachgewiesen
wird.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Allgemein
umfasst eine Ausführungsform
der Erfindung eine Reihe von Zusammensetzungen der Stöchiometrie
LiM2+GV, deren atomare
Bestandteile eine antifluorit-artige Anordnung zeigen. In der Ausführungsform
beziehen sich M2+ und GV auf
irgendein zweiwertiges Metall bzw. Pnicogene bzw. Pnictide der Gruppe
V, die gemeinsam die antifluorit-artige Anordnung stabilisieren.
Weiter können
M2+ und GV aus entweder
einzelnen Elementen (z. B. Endgliedern) oder Kombinationen von Elementen
(z. B. Substitutionslegieren) zusammengesetzt sein. So sind, z.
B., LiMgP und LiZnAs Endglieder, aber Li(Mg, Zn)(As,P) ist eine
Legierung. Die allgemeine Formel ist somit: Li(M1 2+, M2 2+,
M3 2+, ...) (G1 V, G2 V, G3 V,
...), wobei die stöchiometrischen
Fraktionen Li = 1,(M1 2+ +
M2 2+ + M3 2+ + ...) = 1 und
(G1 V + G2 V + G3 V + ...) = 1. Der Kürze halber wird jedoch die
Nomenklatur LiM2+GV für die angenommene
allgemeine Formel benutzt.
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Beispiele
von M2+ schließen, ohne Einschränkung darauf,
die Gruppe ein, bestehend aus: Be, Mg; Ca, Sr, Ba, V, Cr, Mn, Fe,
Ru, Os, Cr, Rh, Ir, Ni, Pd, Pt, Cu, Zn, Cd, Hg, Sn, Pb und Kombinationen
daraus. Die Pnicogene der Gruppe V sind ausgewählt aus der Gruppe bestehend
aus N, P, As, Sb, Bi und Kombinationen davon.
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Antifluorit-artige
Anordnung bezieht sich auf ein flächenzentriertes GV-Untergitter
in dem tetraedrisch-koordinierte Li- und M2+-Bestandteile
vorhanden sind. Wie in 1 veranschaulicht,
koordinieren Li und M2+ jeweils mit vier
nächsten
GV-Nachbarn und nehmen somit alle tetraedrischen
Zwischenräume
des Untergitters ein. Die Population dieser Zwischenräume kann
statistisch regellos oder, wie in 1 unten
gezeigt, eine Anordnung höherer
Symmetrie sein. Das GV-Untergitter bildet üblicherweise ein kubisch dicht
gepackte Struktur (d. h. eine kubische Einheitszelle). Andere Einheitszelle,
(z. B. tetragonal, orthorhombisch usw.) sind jedoch mit der antifluorit-artige
Anordnung konsistent, vorausgesetzt, die vorerwähnte Koordination bleibt erhalten.
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FIGUR
1 – ANTIFLUORIT-ARTIGE
ANORDNUNG IN LiM
2+G
V-MATERIALIEN
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Die
antifluorit-artige Anordnung ermöglicht
zwei Merkmale, die für
diese Erfindung wichtig sind: [1] halbleitenden elektrischen Transport über einen
direkten Bandspalt und [2] eine hohe Li-Stellendichte. Das Erstere
allein ist wichtig in Energieumwandlungs-Anwendungen (z. B. Licht
emittierenden Dioden, fotoelektrischen Zellen usw.). Diese beiden
Charakteristika sind jedoch besonders brauchbar bei der Strahlungsabsorption
und dem Strahlungsnachweis, insbesondere wie auf die Radioisotop-Identifikation
(RII) angewandt.
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Die
antifluorit-artige Anordnung kann mit der Zinkblendestruktur in
Beziehung gesetzt werden, einer kristallinen Struktur, die vielen
kommerziellen Halbleitern gemeinsam ist. Um diese Beziehung zu klären, betrachte
man die bekannten III-V-Halbleiter,
die die Zinkblende-Kristallbasis (z. B. GaAs) zeigen. Ihre allgemeine chemische
Formel kann als MIIIGV geschrieben
werden. Wird MIII isovalent in ein einwertiges
und zweiwertiges Paar (d. h., MIII → M1+M2+ → Li+M2+) umgewandelt,
dann bleibt die chemische Neutralität erhalten und eine neue Formeleinheit
wird gebildet: LiM2+GV.
Die Zinkblende-Kristallbasis muss nun jedoch zwei Atome statt (früher) eines
anpassen. Wie in 2 gezeigt, nimmt
Li alle leeren oktaedrischen Stellen des flächenzentrierten MIII-Untergitters
ein, während
M2+ direkt MIII ersetzt.
In anderen Worten, Li+ nimmt alle oktaedrischen
Zwischenräume
des (M2+GV)–Zinkblende-Untergitters
ein. (Man bemerke, dass die alternative Einheitszelle von 2 in Äquivalenz
mit der Einheitszelle von 1 durch Übersetzen
der früheren
+¼, +¼, +¼ in ein
unendliches Gitter gebracht ist, wobei alle Atome fixiert bleiben).
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FIGUR
2 – DIE
KRISTALLCHEMISCHE BEZIEHUNG ZWISCHEN III-V-ZINKBLENDE-HALBLEITERN
UND DEN ANTIFLUORIT-ARTIGEN LiM
2+G
V-MATERIALIEN DER ERFINDUNG
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Trotz
der chemischen Unterschiede behalten die antifluorit-artigen LiM2+GV-Materialien
das halbleitende Verhalten ihrer Zinkblende III-V-„Nachkommen”. Tatsächlich dient
die Anwesenheit des kleinen elektropositiven Li+ zum
Stabilisieren eines direkten Bandspaltes. Die M2+-GV-Bindungen in dem (M2+GV)--Zinkblende-Untergitter
zeigt eine deutlich stärkere
Kovalenz als die der Li+-GV-Bindungen.
Die Letzteren andererseits zeigen stark ionischen Charakter. Die
resultierende ionische Li+-(M2+GV)–-Wechselwirkung genügt, um die Bandstruktur
des (M2+GV)–-Zinkblende-Untergitters
zu verzerren und einen direkten Bandspalt-Halbleiter aus einem ansonsten
indirekten zu induzieren. Direkte Bandspalt-Halbleiter sind zur
Strahlungsabsorption und zum Strahlungsnachweis sehr bevorzugt,
weil die Ionisation und Rekombination von Elektron-Loch-Paaren wirksamer über direkte Übergänge stattfindet.
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Wie
in Tabelle 1 gezeigt, ergibt der direkte Bandspalt der antifluorit-artigen
LiM
2+G
V-Materialien
einen Mechanismus, um Photonenenergie wirksam in elektrische Energie
umzuwandeln. Dieses Merkmal ermöglicht somit
Anwendungen in fotoelektrischen Zellen (d. h. Energieerzeugung)
oder, mit der geeigneten Elektronik zur Signalanalyse, spektroskopischen
Photonennachweis. Der Bereich anwendbarer Photonenenergien wird durch
die Größe des Bandspaltes
geringer, was wiederum von der Zusammensetzung abhängt.
Zusammensetzung | Bandspalt | Spezifischer Widerstand (Ω-cm) | Träger |
Typ | Größe (ev) | Typ | μH (cm2/V·s) | Konzentration
(cm3) |
M = Mg-Reihe |
LiMgN | Direkt | 3,2 | | n | 25 | |
LiMgP | Direkt | 2,43 |
LiMgAs | Direkt | 2,29 |
M = Zn-Reihe |
LiZnN | Direkt | 1,91 | | p | | |
LiZnP | Direkt | 2,04 | 105–106 | p | 1–10 | 1016–1018 |
LiZnAs | Direkt | 1,51 | 0,1–1 | p | 16 | 1018 |
M = Cd-Reihe |
LiCdP | Direkt | 1,3 | 103–104 | p | | |
LiCdAs | | | | |
LiCdSb |
TABELLE
1 – BEKANNTE
HALBLEITENDE EIGENSCHAFTEN FÜR
VERSCHIEDENE ANTIFLUORIT-ARTIGE LiM
2+G
V-MATERIALIEN
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Ein
Verfahren der Radioisotop-Identifikation (RII) stammt von der Gamma-Photonen-Spektroskopie. Die
Fähigkeit,
Gamma-Photonen zu absorbieren und nachzuweisen, ist jedoch signifikant
verbessert, wenn Elemente großer
Atomzahlen, Z, vorhanden sind. Die antifluorit-artigen LiM2+GV-Materialien
sind in der Lage, M2+- und GV-Bestandteile
mit hohen Z einzubauen. Die exakte Auswahl von Bestandteilen wird
durch die Strukturstabilität
der antifluorit-artigen Anordnung und das Auftreten halbleitender
Eigenschaften bestimmt, die zum Gamma-Nachweis hoher Empfindlichkeit führen.
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Zusätzlich zu
einem direkten Bandspalt zeigen antifluorit-artige LiM2+GV-Materialien bemerkenswerte Li-Stellendichten. Die
entsprechenden Werte nähern
sich denen der am meisten Li-tragenden bekannten Materialien. Wie
in Tabelle II gezeigt, enthält,
z. B., LiZnN etwa 3,40 × 1022 Li-Atome/cm3, gegenüber etwa
6,12 × 1022 Li-Atome/cm3 für LiF und
etwa 4,63 × 1022 Li-Atome/cm3 für reines
Li-Metall. Dieses Merkmal ist wichtig in Anbetracht der Rolle von 6Li beim Neutronennachweis.
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Die
Anreicherung von antifluorit-artigen LiM
2+G
V-Materialien an
6Li
erzeugt Massenhalbleiter von außergewöhnlicher
Fähigkeit,
Neutronen zu absorbieren. Die Zugänglichkeit zu dicken, sehr
wirksamen Neutronen-Absorptionsvolumina ist ein Schlüsselmerkmal
(und kompetitiver Vorteil) von antifluorit-artigen LiM
2+G
V-Materialien.
Zusammensetzung | Struktur | Gitter | ρLi (Atome/cm3) |
Typ | Konstante
(Å) | Z |
M = Mg-Reihe |
LiMgN | Antifluorit-Typ | kubisch | 4,955 | 4 | 3,288 × 1022 |
LiMgP | Antifluorit-Typ | kubisch | 6,005 | 4 | 1,847 × 1022 |
LiMgAs | Antifluorit-Typ | kubisch | 6,181 | 4 | 1,694 × 1022 |
M = Zn-Reihe |
LiZnN | Antifluorit-Typ | kubisch | 4,902 | 4 | 3,396 × 1022 |
LiZnP | Antifluorit-Typ | kubisch | 5,765 | 4 | 2,088 × 1022 |
LiZnAs | Antifluorit-Typ | kubisch | 5,936 | 4 | 1,912 × 1022 |
M = Cd-Reihe |
LiCdP | Antifluorit-Typ | kubisch | 6,096 | 4 | 1,766 × 1022 |
LiCdAs | Antifluorit-Typ | kubisch | 6,262 | 4 | 1,629 × 1022 |
LiCdSb | Antifluorit-Typ | kubisch | 6,645 | 4 | 1,363 × 1022 |
TABELLE
II – KRISTALLOGRAFISCHE
EIGENSCHAFTEN FÜR
VERSCHIEDENE ANTIFLUORIT-ARTIGE LiN
2+G
V-MATERIALIEN
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Die
Wirksamkeit von antifluorit-artigen LiM2+GV-Materialien
bei der Strahlungsabsorption und dem Strahlungsnachweis zur Radioisotop-Identifikation
(RII) stammt von der Ausbeutung sowohl ihres [1] halbleitenden Transportes
und direkten Bandspaltes als auch ihrer [2] hoher Li-Stellendichte
für 6Li-Anreicherung. Die Erzeugung von Elektron-Loch-Paaren, entweder
durch Gamma-Photonen oder Produkte der 6Li(n,α)-Neutronen-Einfangreaktion
bietet einen physikalischen Mechanismus, um einen Stromimpuls zum
Verarbeiten durch (nicht gezeigte) geeignete Elektronik zu erzeugen.
Diese Stromimpulse können
analysiert werden, um das Energiespektrum jedes Strahlungstyps zu
konstruieren.
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Antifluorit-artige
LiM2+GV-Materialien
können
durch Zusammensetzungs-Modifikation ähnlich der dotiert werden,
die bei kommerziellen Halbleitern praktiziert wird. Dieses Merkmal
ist brauchbar, um die Halbleiter-Transporteigenschaften durch Einstellen
der Trägerkonzentrationen
(d. h., Elektron oder Loch) zu verbessern. So erzeugt, z. B., ein
sehr geringer Überschuss
an Li+ anstelle von Zn++ in
LiZnN einen p-Typ-Halbleiter mit erhöhter Lochkonzentration. Im
Allgemeinen wird das Halbleiter-Dotieren jedoch durch Substituieren
mit einem Element erzielt, das als ein Akzeptor oder Donator mit
Bezug auf ein Bezugs-Bestandteilelement wirkt und so einen p-Typ-bzw.
n-Typ-Halbleiter
erzeugt. Beispiele in antifluorit-artigen LiM2+GV-Materialien
schließen Mg
für Li
(d. h., Donator), Ag für
Cd auf der M2+-Stelle (d. h. Akzeptor),
S für P
auf der GV-Stelle (d. h. Donator) usw. ein.
Eine vollständigere
Ausdehnung ist ein Akzeptor oder Donator, ausgewählt aus der nicht einschränkenden
Gruppe bestehend aus Li, Na, K, Rb, Be, Mg, Cu, Ag, Au, B, Al, Ga,
In, Sc, Y, C, Si, Ge, Sn, O, S, Se und Te. Alternativ können Leerstellen-Defekte
willkürlich
mit ähnlicher
Wirkung eingeführt
werden. Dotierungskonzentrationen sind typischerweise sehr gering, üblicherweise
weniger als 0,01% durch Substitution. Diese Verfahren sind dem Fachmann
bekannt und werden hier nicht weiter ausgeführt.
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Zusammenfassend
liefern antifluorit-artige LiM2+GV-Materialien
ausgezeichnete Fähigkeiten
zur Radioisotop-Identifikation
(RII) durch nur Gamma-Photonennachweis, nur Neutronenteilchen-Nachweis
oder gleichzeitigen Gamma-Photonen- und Neutronen-Nachweis. Richtlinien
für die
Anwendung von antifluorit-artigen LiM2+GV-Materialien sind im Folgenden aufgeführt:
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NUR GAMMA-PHOTONENNACHWEIS
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M2+- und GV-Bestandteile
mit hohem Z mit vernachlässigbaren
Neutroneneinfangquerschnitten (< 0,1 Barn
für thermische
Neutronen bevorzugt) können
benutzt werden. 6Li-Anreicherung ist unnötig. Wenn die Neutronenempfindlichkeit
vernachlässigbar
sein muss, verarme Li vollständig
zu 7Li.
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NUR NEUTRONENTEILCHEN-NACHWEIS
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Vollständige 6Li-Anreicherung ist sehr bevorzugt, obwohl
die Konzentration für
die Anwendung angepasst werden kann. Muss Gammaempfindlichkeit vernachlässigbar
sein, wähle
M2+- und GV-Bestandteile
mit minimalem Z. Um unerwünschte
Neutronen-Einfangreaktionen zu verhindern, sollten M2+-
und GV-Bestandteile minimale
Neutroneneinfangquerschnitte (< 0,1
Barn für
thermische Neutronen bevorzugt) aufweisen.
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GLEICHZEITIGER GAMMA-PHOTONEN- UND NEUTRONENTEILCHEN-NACHWEIS
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Wähle M2+- und GV-Bestandteile
mit hohem Z mit vernachlässigbaren
Neutroneneinfangquerschnitten (< 0,1
Barn für
thermische Neutronen bevorzugt). Vollständige 6Li-Anreicherung
ist sehr bevorzugt, obwohl die Konzentration auf den erwünschten
Bereich des Neutronenflusses eingestellt werden kann. Gleichzeitige Nachweisfähigkeit
erfordert zusätzliche
Impuls-Diskriminierungsverarbeitung,
um zwischen zwei möglichen Ursprüngen des
Signals zu unterscheiden, d. h., eine Neutronen- Wechselwirkung mit 6Li-Atomen
oder eine Gamma-Photonen-Wechselwirkung, am wahrscheinlichsten mit
den Elektronen der M2+- und GV-Bestandteilatome
mit hohem Z. Die Impuls-Diskriminierung kann (ohne darauf beschränkt zu sein)
auf einem der folgenden Verfahren beruhen: [1] Impulsamplitudenschwelle,
Nutzen der großen
Energie, die durch den 6Li-Neutronenabsorptions-Vorfall
freigesetzt wird (d. h., Q = 4,78 MeV), gegenüber der typischen Energie von
Gammastrahlen in der Anwendung (d. h., unter 2 MeV); [2] Impulsanstiegzeit-Verfahren,
das den Unterschied in der Dynamik der Paarerzeugung durch zwei
Arten von Strahlung ausnutzt.
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PHOTONENSTRAHLUNGS-ABSORPTION FÜR FOTOVOLTAISCHE
ANWENDUNGEN
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Li-Anreicherung
oder -Verarmung unnötig
(d. h., nutze natürliche
Reichhaltigkeit). Wähle
Zusammensetzungen, deren Bandspalte und Trägereigenschaften für den Photonen-Energiebereich optimal
sind.
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Die
neuen antifluorit-artigen LiM2+GV-Halbleiter haben viele Vorteile gegenüber konventionellen
Strahlungsabsorptions- und -Nachweis-Materialien, einschließlich:
- [1] Antifluorit-artige LiM2+GV-Halbleiter ermöglichen den wahren „Massen”-Einbau
eines Neutronen absorbierenden Isotops, was in direktem Kontrast
zu strukturell ausgeklügelten
Vorrichtungen mit 2D (z. B. Dünnfilm
oder diffundierte Schicht)- oder 3D (z. B. perforierte Dioden oder
Mikrosäulen-Halbleiter)-Strukturen steht.
Die Zugänglichkeit
zu dicken, sehr wirksamen Neutronen absorbierenden Materialien,
die im Volumen leicht eingestellt werden können, ist ein Schlüsselunterschied
bei der Leistungsfähigkeit
gegenüber den
ausgeklü gelten
2D- oder 3D-Vorrichtungen, insbesondere für die spektroskopische Identifikation
rascher Neutronen (> 1
MeV).
- [2] Die Nutzung von 6Li bleibt ein wichtiges
unterscheidendes Merkmal, verglichen mit dem existierenden Stand
der Technik mit 10B. Die 10B(n,α)-Neutroneneinfang-Reaktion
verläuft über einen
angeregten 7Li-Zwischenzustand, der beim
Zerfall Gamma-Quanten von 0,478 MeV erzeugt. Diese Strahlung macht 10B wenig geeignet für Anwendungen, die einen spektroskopischen
Nachweis erfordern. Vollständige
oder teilweise Absorption der Gamma-Energie durch das Wirtsmaterial
induziert große
Unsicherheiten bei irgendeiner Neutronenenergie-Messung. Die 6Li(n,α)-Einfangreaktion
verläuft
jedoch direkt zum Grundzustand des Reaktionsproduktes ohne Gamma-Emission.
- [3] Von den für
den spektroskopischen Neutronennachweis gut geeigneten Isotopen
(d. h., 3He oder 6Li), liefert
nur 6Li einen natürlichen Pfad zur Feststoff-Ausführungsform – ein Nutzen,
der ultrakompakte Detektoren zuverlässigen Betriebes in harschen
Umgebungen ermöglicht.
Dieser Unterschied bleibt kritisch, da 3He-gefüllte Rohre
die dominante Technologie für
den Neutronennachweis bleiben. Produkte auf der Grundlage gasförmiger Neutronendetektoren
leiden an begrenzter Energieauflösung,
Empfindlichkeit gegen Vibrationen und RF-Interferenz sowie Beschränkungen
beim Transport und der Handhabung aufgrund ihrer Klassifikation
als Druckbehälter.
- [4] Die 6Li(n,α)-Einfangreaktion bringt zwei
Vorteile: [1] Schwerteilchen-Produkte (d. h., α und 3T),
deren kurze Eindringtiefen (< 35 μm) eine vollständige Energieübertragung
in ein Wirtsmaterial sicherstellen, und [2] einen relativ großen Q-Wert
von 4,78 MeV, verglichen mit 0,764 MeV für 3He(n,p).
Diese Charakteristika, kombiniert mit dem Direktumwandlungs-Mechanismus
eines Festkörperhalbleiters,
ergeben signifikante Leistungsvorteile gegenüber 3He-Rohren.
Weil der Q-Wert einer Einfangreaktion zur Energie eines auftreffenden
Neutrons hinzugefügt
wird (d. h. ENeutron + 4,78 MeV) bietet,
z. B., die höhere
elektronische Schwelle von +4,78 MeV bessere Signal-zu-Rauschen-Verhältnisse
und eliminiert unechte Signale von Gammastrahlung.
- [5] Halbleiter-Ionisationsenergien (d. h. ~3 eV) sind geringer
als solche von 3He-Gasen (d. h. ~30 eV)
und ergeben daher eine verbesserte Energieauflösung.
- [6] Antifluorit-artige LiM2+GV-Halbleiter bieten die Möglichkeit des gleichzeitigen
Nachweises von Gamma-Photonen und Neutronenteilchen. Der Vorteil
einer solchen Möglichkeit
wird deutlich, wenn man in Betracht zieht, dass viele spezielle
Nuklearmaterialien (SNM's)
sowohl Gamma-Photonen- als auch Neutronenteilchen-Emission (z. B.
waffenfähiges
Pu oder U; gasförmiges
UF6 zur Anreicherung, usw.) präsentieren
und/oder induzieren. Das Verbergen durch Abschirmung ist herausfordernder
für die
Neutronenkomponente und ergibt eine starke Motivation für den Einschluss
Neutronen anzeigender Möglichkeiten
bei der Radioisotop-Identifikation (RII).
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Während die
Erfindung unter Bezugnahme auf eine beispielhafte Ausführungsform
beschrieben wurde, sollte dem Fachmann klar sein, dass verschiedene Änderungen
vorgenommen und Äquivalente
für Elemente
davon eingesetzt werden können,
ohne dass man den Umfang der Erfindung verlässt. Zusätzlich können viele Modifikationen vorgenommen
werden, um eine spezielle Situation oder ein spezielles Material
an die Lehren der Erfindung anzupassen, ohne dass man deren wesentlichen
Umfang verlässt.
Es ist daher beabsichtigt, dass die Erfindung nicht auf die spezielle
Ausführungsform
beschränkt
ist, die als beste Art der Ausführung
dieser Erfindung offenbart wurde, sondern dass die Erfindung alle
Ausführungsformen
einschließt,
die in den Umfang der beigefügten
Ansprüche
fallen.
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Ein
Halbleitermaterial zur Strahlungsabsorption und zum Strahlungsnachweis,
umfassend eine Zusammensetzung der Stöchiometrie Li(M1 2+, M2 2+,
M3 2+, ...)(G1 V, G2 V, G3 V,
...), die eine antifluorit-artige Anordnung zeigt, worin Li = 1,(M12+ + M2 2+ +
M3 2+ + ...) = 1
und (G1 V + G2 V + G3 V + ...) = 1. Das Material liefert zwei brauchbare
Charakteristika: [1] eine hohe Li-Stellendichte, die, wenn an 6Li angereichert, ausgezeichnete Neutronen
absorbierende Fähigkeiten
erzeugt und [2] einen halbleitenden Bandspalt für die wirksame Umwandlung absorbierter
Photonen- und Neutronen-Energien in elektrische Ströme. Diese
Charakteristika können
in Anwendungen zur Energieerzeugung oder zum spektroskopischen Nachweis
von Gamma- und Neutronen-Strahlung benutzt werden. Das Material
kann so eingestellt werden, dass es nur Gamma-Photonen, nur Neutronenteilchen
oder gleichzeitig Gamma-Photonen und Neutronenteilchen nachweist.