DE19532415C2 - Verfahren zum Betreiben eines Neutronendetektors sowie Neutronendetektor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben eines Neutronendetektors nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, bekannt aus US 53 99 863. Die Erfindung betrifft ferner einen Detektor zur Durchführung des Verfahrens.

Bekannt sind ferner ortsauflösende Neutronendetektoren als Vieldraht-Kammern mit Heliumgasfüllung oder als Szintillationsdetektoren nach dem Anger-Kamera- Prinzip. In beiden Fällen erreicht man eine angemessene Ortsauflösung, eine vertretbare Nachweiswahrscheinlichkeit und eine brauchbare Gammadiskriminierung. Empfindliche Detektorflächen von 50 cm × 50 cm sind mit erheblichen Aufwand erreichbar.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zum Betreiben eines Neutronendetektors, mit dem hohe Nachweiswahrscheinlichkeiten möglich sind.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst.

Ein Detektor zur Durchführung des Verfahrens ergibt sich aus den nachfolgenden Ansprüchen.

Der ⁶LiF-Konverter besteht aus mehreren dünnen Schichten, von denen jeweils eine sich zwischen zwei Mitteln zur Registrierung der ionisierenden Strahlung, insbesondere zwischen Sperrschichten von Halbleiterdetektoren befindet. Durch diese Anordnung wird eine genügend hohe Nachweiswahrscheinlichkeit der Neutronenstrahlung erzielt, wenn die Neutronen parallel zu den Schichten einfallen.

Um zu besseren Absorptionswahrscheinlichkeiten zu gelangen, muß die Durchstrahlungstiefe für Neutronen im Konverter hundert µm oder mehr werden. Andererseits wird bei Schichtdicken von planaren Konvertern, die größer als die halbe ³H-Reichweite werden, die Wahrscheinlichkeit, daß wenigstens die Energie von 1 MeV in der Sperrschicht des Halbleiters deponiert wird, immer kleiner. Aus dieser Schwierigkeit führt nur ein Weg, nämlich Konverter und Halbleiter nicht mehr hintereinander sondern nebeneinander anzuordnen. Daher ist eine Anordnung vorteilhaft, bei dem sich der Konverter im Mittel zur Registrierung der ionisierenden Strahlung befindet. Der Konverter kann beispielsweise in Form von Streifen, die schmale und tiefe Gräben im Silizium-Halbleiter ausfüllen, vorgesehen sein.

Insbesondere eignen sich zum vorgenannten Zweck senkrecht zur Sperrschicht einer Halbleiterdiode angeordnete ⁶LiF-Schichten.

Die Schichtdicken sind dann vorteilhaft kleiner als die maximale Reichweite der konvertierten Neutronenstrahlung in ⁶LiF. Das ³H-Teilchen hat die größere Reichweite als das ⁴He-Teilchen. Auf diese Weise wird sichergestellt, daß bei geeigneter Positionierung der Vorrichtung relativ zur Neutronenstrahlung einerseits eine ausreichende Absorptionswahrscheinlichkeit der Neutronen im Konverter erzielt wird und andererseits die konvertierte Neutronenstrahlung in den Detektor gelangen und dort registriert werden kann. Aus gleichem Grund ist im Fall von Streifen die Streifenbreite zweckmäßigerweise ebenfalls kleiner als die maximale Reichweite der konvertierten Neutronenstrahlung.

Vorteilhaft sind zumindest zwei Diodenanordnungen mit darin befindlichen ⁶LiF- Streifen vorgesehen, wobei die Dioden derart angeordnet sind, daß die ⁶LiF-Streifen der einen Diode versetzt angeordnet sind gegenüber den ⁶LiF-Streifen der anderen Diode. Mittels eines solchen Aufbaus wird für eine ganzflächige Abdeckung mit ⁶LiF für den Fall gesorgt, daß der Detektor im vorgenannten Sinne geeignet positioniert ist.

Mit dem Detektor wird zur Zeit für subthermische bzw. thermische Neutronen eine Empfindlichkeit von bis zu 50% erreicht. Der Detektor kann als null-, ein- oder zweidimensional ortsauflösender Detektor bzw. als Neutronenmonitor verwendet werden.

Es zeigen

Fig. 1: Detektor mit streifenförmigen Konverter

Fig. 2a, b: Detailansichten des Detektors gemäß Fig. 1.

Um zu besseren Absorptionswahrscheinlichkeiten zu gelangen, muß die Durchstrahlungstiefe für Neutronen im Konverter hundert µm oder mehr werden. Andererseits wird bei Schichtdicken von planaren Konvertern, die größer als die halbe ³H-Reichweite werden, die Wahrscheinlichkeit, daß wenigstens die Energie von 1 MeV in der Sperrschicht des Halbleiters deponiert wird, immer kleiner. Aus dieser Schwierigkeit führt nur ein Weg, nämlich Konverter und Halbleiter nicht mehr hintereinander sondern nebeneinander anzuordnen.

Mit Rücksicht auf mikroelektronische und mikromechanische Eigenschaften des Siliziums werden im (1 1 0)-orientierten, schwach n-dotiertem Si-Wafer tiefe Gräben entlang der (1-1 2)-Richtung geätzt. Die anisotrope Ätzung mit EDP (EDP ist die Kurzbezeichnung einer Lösung aus Ethylendiamin, Brenzkatechin und Wasser.) oder KOH verläuft mit großer Ätzrate in den {1 1 0}-Richtungen, d. h. in diesem Fall in die Tiefe, und mit etwa hundertmal geringerer Rate in den {1 1 1}- Richtungen, was eine geringe Unterätzung beim Ätzen der tiefen Gräben bedeutet. Die beiden senkrechten Ufer der Gräben in der (1-1 2)-Richtung in einem Wafer, dessen Scheibennormale eine kristallographische (110)-Richtung ist, sind gerade die (1-1-1)-Kristallflächen.

Die Grabenbreite sollte 16 µm sein, nämlich etwa die halbe Reichweite des ³H- Zerfallpartners. Die Breite der Stege, die die Gräben begrenzen, werden ebenfalls 16 µm breit gewählt.

In Fig. 1 ist eine Aufsicht des Detektors mit zwei Detail-Ansichten (Fig. 2a, 2b) gezeigt.

Fig. 1 zeigt einen Detektor, bestehend aus LiF-Gräben zwischen Si-Stegen und Kontakt-Pads. In Fig. 2a ist die Detailansicht 1 in Aufsicht (oben) sowie Querschnitt gezeigt. Dargestellt wird der Bereich 6, bestehend aus LiF, ein p⁺- dotierter Bereich 2, eine n-Dotierung 4 sowie eine n⁺-Dotierung 5.

Eine Aufsicht des Detektors, bestehend aus LiF-Gräben zwischen Si-Stegen und Kontakt-Pads mit Vergrößerungen von Details wird in Fig. 2b gezeigt. Im einzelnen ist dargestellt ein Si-Oxid-Bereich 8, eine p⁺-Dotierung 2, ein LiF-Bereich 6 sowie Metall-Pad 7.

Mit einem solchem Wafer mit Gräben, die mit LiF-Pulver verfüllt sind, kann maximal die Hälfte aller Neutronen absorbiert werden, da im Mittel 50% aller Neutronen die Si-Stege und nicht die verfüllten Gräben durchsetzt. Um prinzipiell mehr als 50% Absorptionswahscheinlichkeit erreichen zu können, muß der Detektor aus zwei solchen Wafern bestehen, die um die Stegbreite b versetzt angeordnet werden, so daß ein Neutron entweder im vorderen oder im hinteren Detektorteil einen mit LiF verfüllten Graben durchsetzt.

Die Dotierung des Halbleiters wird so gewählt, daß bei der angelegten Spannung in Sperrichtung zwischen der p⁺- und der n⁺-Dotierung zu beiden Seiten des Wafers die Sperrschicht, die an der p+-Dotierung beginnt, eine Tiefe hat, die mindestens von der Tiefe der verfüllten Gräben ist.

Die p+- Dotierstreifen enden in großflächigen Pads auf einer Seite des Detektors. In Fig. 1 enden vier benachbarte Streifen in einem Pad, d. h im Abstand von 8 × 16 = 128 µm folgen die Pads aufeinander. Für angestrebte Auflösungen von 1 mm, können etwa fünf solcher aufeinander folgenden Pads elektrisch zusammengefaßt werden. Die Unterseite besteht ebenfalls aus Streifen, die n⁺ dotiert sind und senkrecht zu den p+ Streifen verlaufen. Sie enden wieder in Pads die elektrisch zu Gruppen zusammengefaßt werden.

Bei einem Neutroneneinfang in einem der mit LiF verfüllten Gräben entsteht eine ³H- Spur, die mit 50% Wahrscheinlichkeit so in einem der benachbarten Si-Stege verläuft, daß die Ionisationsenergie von 1 MeV deponiert wird. Es entstehen ~300000 Ladungspaare, die vom angelegten elektrischen Feld abgesaugt werden. Die Ortsbestimmung hat also eine Unschärfe von ±b.

Weitere Eigenschaften des Detektors sind in Tabelle 1 zusammengefaßt. Thermische und subthermische Neutronen werden mit ausreichender Wahrscheinlichkeit nachgewiesen, die Ortsauflösung ist groß und gegen Gammas kann man diskriminieren.

Für den Detektor sind die Herstellungssschritte wie folgt:

• 1. Ein Wafer geeigneter Dotierung und (110)-Orientierung wird zunächst oxidiert. Danach wird das Oxid in Streifen von 16 µm Breite freigelegt. Durch Ätzung in EDP enstehen die Gräben, dere Tiefe durch die Ätzzeit festgelegt wird.
• 2. Der geätze Wafer wird noch einmal oxidiert, um die freigeätzten Flächen zu passivieren. Lithographisch werden Streifen für die nachfolgende p⁺-Dotierung auf der Oberseite und n⁺-Dotierung auf der Unterseite freigelegt.
• 3. Im Lift-off Verfahren werden über die Enden der p⁺- und n⁺-Streifen Gold- Pads gesetzt.
• 4. Um die Gräben mit LiF zu verfüllen werden 10 g LiF-Pulver und 2 cm³ PMMA- Lack mit Azeton zu einem Brei vermischt, der in die Graben der Si- Wafer geschlemmt wird. Überstehende Reste werden mit Azeton abgespült. Eventuell ist ein Nachverfüllen erforderlich.
• 5. Über Justiermarken und geätzte Löcher in den Wafern werden beide Wafer relativ zu einander positioniert und verklebt.

Tabelle 1

Eigenschaften des Detektors

Claims (4)

1. Verfahren zum Betreiben eines ⁶LiF-Neutronendetektors, der aus hintereinander angeordneten ⁶LiF-Schichten besteht, wobei Mittel zur Registrierung der ionisierenden Strahlung sich über, unter und zwischen den ⁶LiF-Schichten befinden, dadurch gekennzeichnet, daß die ⁶LiF-Schichten parallel zu den zu messenden Neutronenstrahlen angeordnet werden.

2. Detektor zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, wobei das Mittel eine Halbleiterdiode ist und die ⁶LiF-Schichten senkrecht zur Sperrschicht der Diode angeordnet sind.

3. Detektor nach Anspruch 2, wobei die Schichtdicken kleiner als die Reichweite in ⁶LiF der durch Neutronenkonvertierung entstandenen ³H-Strahlung sind.

4. Detektor nach Anspruch 2 oder 3, bestehend aus zumindest zwei Diodenanordnungen mit darin befindlichen ⁶LiF-Schichten, wobei die Dioden derart angeordnet sind, daß die ⁶LiF-Schichten der einen Diodenanordnung in Einfallsrichtung der zu messenden Neutronenstrahlung versetzt angeordnet sind gegenüber den ⁶LiF-Schichten der anderen Diodenanordnung.