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Gerät zur Erfassung von Neutronen mit einem Halbleiter Es ist ein
Gerät zur Erfassung von Neutronen mit einem Halbleiter vorgeschlagen worden, bei
dem als Halbleiterkörper eine halbleitende Verbindung vom Typ AIIIBV mit einer Bor-
und/oder Stickstoffkomponente vorgesehen ist und bei dem die Änderung der elektrischen
Eigenschaften des Halbleiterkörpers, die durch die von den Neutronen ausgelösten,
zu einer spontanen Emission eines geladenen Teilchens führenden Kernreaktionen bewirkt
wird, zur Erfassung der Neutronen, ausgenutzt ist.
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Unter spontaner Emission werden solche Reaktionen verstanden, bei
welchen das geladene Teilchen mit einer extrem kleinen Halbwertszeit emittiert wird,
und zwar unter 10-4 Sekunden.
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Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Erfassung von Neutronen mit
einem Halbleiter. Erfindungsgemäß wird dabei als Halbleiterkörper eine halbleitende
Verbindung verwendet, von der mindestens eine Komponente unter dem Einfluß der Neutronen
radioaktiv wird und bei dem die durch die radioaktive Strahlung bewirkten momentanen
Änderungen der elektrischen Eigenschaften des Halbleiterkörpers zur Erfassung der
Neutronen ausgenutzt sind. Unter momentanen Änderungen werden jene unter dem Einfluß
der radioaktiven Strahlung eintretenden Änderungen verstanden, die durch die von
der radioaktiven Strahlung im Halbleiterkörper erzeugten Elektron.
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Lochpaare verursacht werden. Es handelt sich insbesondere um die Erfassung
von Leitfähigkeitsänderungen.
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Das Gerät nach der Erfindung macht also in erster Linie nicht Gebrauch
von der Änderung der elektrischen Eigenschaften eines Halbleiterkörpers, die unter
dem Einfluß der Neutronenstrahlung - wie bekannt ist -durch Gitterstörungen oder
Störstellen bildende Kernumwandlungen auftreten. Derartige Änderungen seien als
permanent bezeichnet. Bei diesen permanenten Änderungen ist weiterhin zu unterscheiden
zwischen reversiblen und irreversiblen Änderungen. Zu den reversiblen permanenten
Änderungen zählen die durch Neutronen verursachten Gitterstörungen (Zwischengitterplatzbesetzungen
und Leerstellen), die durch eine Wärmebehandlung wieder beseitigt werden können.
Irreversible permanente Änderungen entstehen durch die von den Neutronen verursachten
Kernumwandlungen und der dadurch gebildeten neuen Störstellen. Zur Erzielung gut
meßbarer permanenter Änderungen sind verhältnismäßig große integrale Neutronenflüsse
erforderlich. Selbst bei Neutronenintensitäten, wie sie im allgemeinen nur in Reaktoren
auftreten, sind lange Bestrahlungszeiten, etwa in der Größenordnung von Stunden,
erforderlich. Demgegenüber ermöglicht das Gerät nach der Erfindung eine sofortige
Erfassung eines Neutronenflußes, und zwar auch von wesentlich geringerer Neutronendichte.
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Weitere Einzelheiten sind aus der Zeichnung zu entnehmen; es zeigt
Fig. 1 qualitativ den Verlauf der Änderungen der
elektrischen Eigenschaften des Halbleiterkörper
bei dem Gerät nach der Erfindung, Fig. 2 ein Beispiel einer Schaltanordnung für
Impulsmessung zur Erfassung schwacher Neutronenflüsse, Fig. 3 ein Beispiel einer
Schalt anordnung zur Erfassung von Neutronenflüssen unter Ausnutzung der Änderungen
der Leitfähigkeit des Halbleiterkörpers.
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Die Ausnutzung der unter dem Einfluß der Neutronenstrahlung eintretenden
Radioaktivierung mindestens einer der Komponenten des Halbleiterkörpers und der
dadurch bedingten momentanen Änderungen der elektrischen Eigenschaften des Halbleiterkörpers
durch die Erzeugung von Elektron-Lochpaaren hat beim Einschalten der Neutronenstrahlung
einen exponentiellen Anstieg der Änderungen, z. B. der Leitfähigkeit, zur Folge;
er ist entsprechend dem Verlauf der Radioaktivität proportional (1 - e - 2t), wobei
t die Zeit und A die Zerfallskonstante der betreffenden Radioaktivität bedeutet.
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Diesem ansteigenden Teil, den wir als nicht stationären Teil der Änderungen
der elektrischen Eigenschaften bezeichnen, folgt nach hinreichend großem t ein annähernd
konstanter Bereich der Änderungen der elektrischen Eigenschaften, der als stationärer
Teil bezeichnet werde.
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Entsprechend dem Verlauf der Änderungen beim Einschalten tritt auch
beim Ausschalten - ebenfalls bedingt durch den Verlauf der Radioaktivität - ein
nicht stationärer Teil der Änderungen der elektrischen Eigenschaften ein, der nach
einem e-it-Gesetz verläuft.
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Der qualitative Verlauf der Änderungen der elektrischen Eigenschaften
des Halbleiterkörpers bei dem Gerät nach der Erfindung, z. B. der Leitfähigkeitsänderung
oder der Zahl der Impulse in der Zeiteinheit, ist in Fig. 1 dargestellt.
Auf
der Abszisse ist die Zeit t und auf der Ordinate die Größe der Änderungen der elektrischen
Eigenschaften des Halbleiterkörpers (dX) aufgetragen. t, und t3 sind die oben definierten
nicht stationären Teile beim Ein-bzw. Ausschalten der Neutronenstrahlung, t2 der
stationäre Teil.
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Da in vielen Fällen Radioaktivitäten mit verschiedenen Zerfallskonstanten
auftreten, erfolgt der Anstieg und Abfall der Radioaktivität und damit der Änderungen
der elektrischen Eigenschaften nicht nach einem einfachen Exponentialgesetz, sondern
es ergibt sich eine Überlagerung von Exponentialgesetzen, die zu verschiedenen Zerfallskonstanten
gehören. Ihre Analyse kann in bekannter Weise durch Auftragung der gemessenen Änderungen
in logarithmischem Maßstab gegen die Zeit durchgeführt werden.
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Beide momentanen Änderungen - also die stationären und die nicht
stationären Teile - werden bei dem Gerät nach der Erfindung zur Neutronenerfassung
ausgenutzt.
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Dabei eignen sich die stationären Änderungen insbesondere zur Erfassung
der Intensität einer Neutronenstrahlung und die nicht stationären Änderungen beim
Ein- und/oder Ausschalten der Strahlung zur Erfassung der Neutronenkomponenten eines
Strahlungsgemisches, also zu dessen Analysierung. Die stationären Änderungen sind
proportional dem Neutronenfluß. Die durch einen eventuell vorhandenen Strahlungsuntergrund
bewirkten Änderungen der elektrischen Eigenschaften des Halbleiterkörpers überlagern
sich der Wirkung des Neutronenflusses. Beide Anteile kann man durch Erfassung der
nicht stationären Änderungen trennen, da bei diesen nur die durch den Neutronenfluß
verursachte Radioaktivität erfaßt wird.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Gerätes nach der Erfindung
können neben den momentanen Änderungen gleichzeitig auch die obenerwähnten permanenten
Änderungen der elektrischen Eigenschaften des Halbleiterkörpers herangezogen werden,
insbesondere zur Erfassung eines integralen Neutronenflusses.
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Beim Gerät nach der Erfindung werden bevorzugt solche Radioaktivierungen
ausgenutzt, die zu einer ß-Aktivität führen; d. h. also, daß solche Halbleiterkörper
verwendet werden, von denen mindestens eine Komponente unter dem Einfluß der Neutronenstrahlung
ß-aktiv wird, vorzugsweise mit einer Halbwertszeit in der Größenordnung von Sekunden.
Die Größe der Halbwertszeit ist ein zeitliches Maß für den nicht stationären Teil
der Änderungen der elektrischen Eigenschaften des Halbleiterkörpers. Im allgemeinen
wird man Wert darauf legen, daß die Sättigung, also der stationäre Teil, in nicht
zu langer Zeit erreicht wird, so daß - wie gesagt - Halbwertszeiten in der Größenordnung
von Sekunden und kleiner bevorzugt werden.
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Die vorgenannten Eigenschaften weist z. B. ein Halbleiterkörper auf,
dessen eine Komponente Indium ist, und zwar überwiegend Indium 115 Dieses wird nach
der Reaktion In115 (n, y)-InllO in ß-aktives In116 umgewandelt, und zwar bei einer
Halbwertszeit von 13 Sekunden mit einem Wirkungsquerschnitt von 52 barn und bei
einer Halbwertszeit von 54,3 Minuten mit einem Wirkungsquerschnitt von 145 barn.
Da das natürlich vorkommende Indium 95,8 0/, In115 und 4,2 0/, In113 enthält, tritt
noch folgende Reaktion auf: In113 (n, y) In114. In114 ist B-aktiv und geht in Soll4
über, rund zwar bei einer Halbwertszeit von 72 Sekunden mit einem Wirkungsquerschnitt
von 2 barn. Wegen dieser verschiedenen Zerfallsmöglichkeiten treten bei einer Indiumkomponente
des Halbleiterkörpers entsprechende Überlagerungen der nicht stationären und stationären
Änderungen auf. Bei Messungen über eine kurze Zeitspanne wird vor allem die Radio-
aktivität
mit der Halbwertszeit von 13 Sekunden in Erscheinung treten.
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Die beim Zerfall des Indiums 116 mit einer Energie von 2,9 bzw. 1
MeV ausgesandten ß-Strahlen erzeugen im Halbleiterkörper Elektron-Lochpaare. Pro
erzeugtes Elektron-Lochpaar verliert das ß-Teilchen eine Energie von größenordnungsmäßig
10 eV, so daß also von einem ß-Teilchen etwa 105 Elektron-Lochpaare erzeugt werden.
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Damit hierdurch eine äußerlich meßbare Änderung der elektrischen Eigenschaften
des Halbleiterkörpers, z. B. der Leitfähigkeit, eintritt, ist es erforderlich, daß
der Halbleiterkörper hinreichend frei von Haftstellen ist. Nur dann können die erzeugten
Ladungsträgerpaare durch das Gitter fließen und einen Beitrag zur Leitfähigkeit
des Halbleiterkörpers liefern. Dieser ist proportional zur Lebensdauer eines Elektron-Lochpaares.
Hieraus ergibt sich die Möglichkeit, durch die Bemessung der Lebensdauer und der
Diffusionslänge der Elektron-Lochpaare im Halbleiterkörper diesen in weiten Grenzen
den vorliegenden Betriebsbedingungen anzupassen.
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Um ergiebige Effekte zu erreichen, muß an den Halbleiterkörper allgemein
die Forderung gestellt werden, daß er möglichst hochohmig ist, so daß er bei Zimmertemperatur
keinen nennenswerten Dunkelstrom, der die Mesungen erschweren würde, aufweist; dies
besagt, daß der Halbleiterkörper eine große Breite der verbotenen Zone besitzen
muß. Halbleiterkörper, die diese Voraussetzungen nicht erfüllen, können höchstens
zur Erfassung der obenerwähnten permanenten Änderungen Verwendung finden.
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Die vorgenannten Forderungen lassen sich wesentlich leichter erfüllen,
wenn man an Stelle homogener Halblefterkristalle solche mit mindestens einer großflächigen
Sperrschicht verwendet, z. B. Halbleiterkörper mit p-n-Übergängen.
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Besonders geeignet zur Verwendung als Halbleiterkörper in dem Gerät
nach der Erfindung sind die halbleitenden Verbindungen InP und InN.
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Bei ß-Aktivitäten tritt in den meisten Fällen auch eine y-Strahlung
auf, die ebenfalls Elektron-Lochpaare erzeugt. Gemäß weiterer Erfindung werden Halbleiterkörper
verwendet, von denen mindestens eine Komponente unter der Wirliung von Neutronenstrahlung
mit großem Wirkungsquerschnitt y-aktiv wird. Auch in diesem Fall ist im allgemeinen
eine Halbwertszeit in der Größenordnung von Sekunden oder kleiner erwünscht. Die
y-Aktivität ist weniger günstig als die ß-Aktivität. Dies beruht darauf, daß die
ß-Teilchen im Halbleiterkörper wesentlich stärker absorbiert werden als die y-Strahlen.
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Da außerdem die Neutronen in den in Frage kommenden Halbleiterkörpern
eine kleine Eindringtiefe besitzen, bei InP z. B. 1 mm, kommt man an und für sich
mit dünnen Kristallen aus. Bei diesen ist aber die Wirkung der y-Strahlen wegen
ihrer geringen Absorption verhältnismäßig klein.
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Da Neutronenstrahlung primär oft von y-Strahlung begleitet ist, ist
es auch in dieser Hinsicht vorteilhaft, einen dünnen Halbleiterkörper oder einen
Halbleiterkörper mit Sperrschicht zu verwenden, der so dimensioniert ist, daß die
Neutronenstrahlung möglichst weitgehend absorbiert und die y-Strahlung praktisch
ungehindert hindurchgelassen, also praktisch nicht absorbiert wird.
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Gemäß weitererErfindung werden zur Erfassung extrem schwacher Neutronenflüsse
mit Vorteil die Strom-Spannungs-Impulse herangezogen, die als Folge von Einzelaktivierungen
auftreten. Hierzu kann eine Schaltanordnung verwendet werden, wie sie im Zusammenhang
mit dem eingangs erwähnten Gerät zur Erfassung von Neutronen mit einem Halbleiter
bereits vorgeschlagen worden ist. Sie ist der Vollständigkeit
halber
in der Fig. 2 nochmals dargestellt. Und zwar ist mit 1 die Erdung der Anordnung,
mit 2 eine Spannungsquelle, mit 3 der Halbleiterkörper und mit den Pfeilen bei 4
ein auf den Halbleiterkörper wirkender Neutronenfluß sowie mit 5 ein Widerstand,
mit 6 eine Verstärkereinrichtung und mit 7 ein Meßgerät angegeben.
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Die auf den Halbleiterkörper treffenden und in ihn eindringenden Neutronen
bewirken Radioaktivierungen und die hierbei erzeugte radioaktive Strahlung die Bildung
von Elektron-Lochpaaren. Diese verursachen in der Anordnung Spannungsstöße, die
in der Verstärkeranordnung 6 verstärkt und durch das Gerät 7 angezeigt werden.
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Zur Erfassung von Neutronenflüssen unter Ausnutzung der durch sie
über die Radioaktivierung mindestens einer der Komponenten des Halbleiterkörpers
bewirkten Leitfähigkeitsänderungen kann z. B. eine Schaltanordnung verwendet werden,
wie sie ebenfalls im Zusammenhang mit dem eingangs erwähnten Gerät zur Erfassung
von Neutronen bereits vorgeschlagen worden und in Fig. 3 nochmals dargestellt ist.
Es bedeutet 11 einen Halbleiterkörper, 12 einen einstellbaren Vorwiderstand, 13
eine Spannungsquelle und 14 und 15 ein Strom- bzw. Spannungsmeßgerät; ein auf den
Halbleiterkörper wirkender Neutronenfluß ist durch die Pfeile bei 16 angedeutet.
Die Leitfähigkeitsänderungen werden entweder auf Grund des Spannungsabfalls am Halbleiterkörper
(Meßgerät 15) oder auf Grund der Strommessung (Gerät 14) ermittelt.
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Die so erfaßten Leitfähigkeitsänderungen können auch auf schreibende
Registriergeräte übertragen werden; hiervon wird man insbesondere bei der Erfassung
der nicht stationären Teile Gebrauch machen.
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Wenn oben angegeben worden ist, daß das erfindungsgemäße Gerät zur
Erfassung von Neutronen dient, so ist damit vor allem der Nachweis von Neutronen,
die Messung von Neutronenenergien, -intensitäten und ihre Kombination zu verstehen,
ferner auch die Steuerung und Regelung von Neutronenflüssen oder durch sie abgebildeten
Größen, und zwar jeweils unter Ausnutzung der durch die Neutronen bewirkten Änderungen
der elektrischen Eigenschaften des Halbleiterkörpers des erfindungsgemäßen Gerätes.
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PATENTANSPR£JCHE 1. Gerät zur Erfassung von Neutronen mit einem Halbleiter,
dadurch gekennzeichnet, daß als Halbleiterkörper eine halbleitende Verbindung verwendet
ist, von der mindestens eine Komponente unter dem Einfluß der Neutronen radioaktiv
wird, und daß die durch die radioaktive Strahlung bewirkten momentanen Änderungen
der elektrischen Eigenschaften des Halbleiterkörpers zur Erfassung der Neutronen
ausgenutzt sind.