DE3537802A1 - Halbleiterdetektor zum feststellen thermischer neutronen - Google Patents

Halbleiterdetektor zum feststellen thermischer neutronen

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DE3537802A1
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Description

BESCHREIBUNG
Die Erfindung bezieht sich auf das Feststellen von Strahlung sowie auf ein Verfahren zum Feststellen von Strahlung, insbesondere beschäftigt sich die Erfindung mit dem Feststellen von thermischen Neutronen durch eine Halbleiterdiode und ein entsprechendes Verfahren.
Es ist allgemein bekannt, Halbleiter-PN-Übergänge zum Feststellen von Strahlung zu verwenden. So werden Fotodioden verwendet, um das Vorhandensein elektromagnetischer Strahlung festzustellen. Auf ähnliche Weise sind Siliziumelemente so empfindlich auf ionisierende Strahlung, daß in typischen Anwendungsfällen Anstrengungen unternommen werden, um die Strahlungsempfindlichkeit zu reduzieren. PIN-Dioden können ionisierende Strahlung zum Feststellen von Röntgenstrahlen und Gammastrahlen, also im erweiterten Bereich des elektromagnetischen Spektrums, ausnutzen. Schließlich ist es bekannt, daß Alpha-
teilchen ( He Kerne) durch Halbleiterelemente festgestellt werden können, insbesondere durch dynamische RAM-Speicher (Speicher mit wahlweisem Zugriff).
Das Feststellen von thermischen Neutronen ist jedoch ein Problem geblieben. Bei Neutronen mit höherer Energie
kann das unelastische Scattern (oder Strahlungsschaden) als Feststellungstechnik benutzt werden. Bei thermischen Neutronen ist aufgrund des Fehlens einer Ladung und aufgrund der geringen kinetischen Energie die Strahlung wesentlich schwieriger festzustellen.
Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Strahlungsdetektor vorzuschlagen/ der in der Lage ist, auch thermische Neutronen festzustellen. Ebenso soll ein entsprechendes Verfahren vorgeschlagen werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgeraäß gelöst durch einen Halbleiterdetektor zum Feststellen thermischer Neutronen, gekennzeichnet durch mindestens eine Schicht mit einer hohen Konzentration von P-dotierten Atomen zum Zusammenwirken mit thermischen Neutronen und zum Erzeugen von Kernteilchen sowie einen der Schicht zugeordneten Kernteilchendetektor.
Gemäß einer bevorzugten Äusführungsform der Erfindung ist eine P+,N oder N+,P in Sperrichtung vorgespannte Siliziumdiode mit Bor-Dotierung vorgesehen, in der die thermischen Neutronen auf den Bor-Isotop - Kern auftreffen, der einen großen Reaktionsquerschnitt hat, wodurch der Kern in Teilchen zerfällt. Die ionisierten Zerfallprodukte führen zu einem Strom, wenn sie die Verarmungszone der
Diode überschreiten, so daß ein dementsprechender Strom gemessen werden kann.
Die Detektoren zum Feststellen thermischer Neutronen können zu einer Anordnung kombiniert werden, um einen thermischen Neutronenfluß zu lokalisieren. Wird eine erste Polysiliziumschicht eines dynamischen N-Kanal-RAM-Speichers mit entsprechenden Speicherelementen auf ähnliche Weise mit entsprechenden Kernen dotiert, so erlauben die Spaltprodukte des resultierenden Kernzerfalls eine Raum- und Zeitfeststellung durch die Ansteuerschaltungen für den RAM-Speicher.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform eines Halbleiterdetektors ist dadurch gekennzeichnet, daß er eine Reihe von Halbleiterelementen enthält, von denen jedes Mittel zum Einfangen der thermischen Neutronen und zum Erzeugen eines von dem Einfangen der thermischen Neutronen herrührenden Stromes enthält, und das Meßmittel zum Messen des durch jedes Element des Detektors erzeugten Stromes enthält, der von dem Eindringen von thermischen Neutronen in jedes der Halbleiterelemente des Detektors herrührt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sowie ein entsprechendes Verfahren zum Feststellen thermischer Neutronen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsheispielen unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1a, b und c eine schematische Darstellung eines
Ausführungsbeispieles der Erfindung;
Fig. 2 eine allgemeine schematische Dar
stellung der Erfindung mit einem Alphateilchendetektor zum Feststellen thermischer Neutronen; und
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer
Anordnung von Detektoren der vorliegenden Erfindung zum überwachen des thermischen Neutronenflusses einer thermischen Neutronenquelle.
In Fig. 1a ist ein Halbleiter-PN-Übergang der vorliegenden Erfindung schematisch gezeigt. Der PN Übergang besteht aus einer P+ Region 10 und einer N Region 20. Die P+ Region 10 ist stark mit Bor-Atomen dotiert. Ein Fluß von thermischen Neutronen 30 trifft auf das Bauelement, insbesondere auf die Bor-dotierte P+ Region 10. Die P+,N Diode ist durch eine Spannungsquelle 7 in Sperrichtung vorgespannt; außerdem ist in dem Stromkreis ein Stromdetektor 8 vorgesehen.
Wie aus Fig. 1b zu sehen ist, entsteht eine Wechselwirkung zwischen den auftreffenden Teilchen des thermischen Neutronen-
INSPECTED
- ίο -
flusses mit den Bor-Atomen und es finden Kernreaktionen an Stellen statt, die durch entsprechende Flußlinien in der Figur illustriert sind. Eine Mehrheit des thermischen Neutronenflusses durchdringt die Diodenanordnung ohne wesentliche Wechselwirkung.
Wie aus Fig. 1c zu sehen ist, weisen die von der Kernreaktion herrührenden Zerfallteilchen eine genügend große Energie auf, um das Material zu durchdringen. Diese Bewegung führt zu einer Ionisierung, da die verhältnismäßig schwach gebundenen Elektronen vom sich bewegenden Kern abgetrennt werden. Ein Teil dieser ionisierten Teilchen 12 kommen in der N Region der Diode zum Stillstand, und zwar z.B. durch unelastische Kollisionen. Siliziumhalbleiterelemente sind im allgemeinen empfindlich auf ionisierende Strahlung, was normalerweise als Nachteil in bestimmten Anwendungsfällen betrachtet wird, im vorliegenden Fall ist diese Eigenschaft jedoch von Vorteil. Technische Veröffentlichungen, die die Ionisierungsempfindlichkeit bestimmter Siliziumelemente hervorheben, sind z.B. der Aufsatz von R. Nowotny und W.L. Reiter in Nuclear Instrumentation Methods 147 , 4 77 (1977); 153 597 (1978). Die Anmelder der vorliegenden Erfindung haben einen Artikel in Nuclear Instrumentation Methods 169 , 125 (1980) veröffentlicht, der sich auf die Empfindlichkeit dynamischer RAM-Speicher als Alphateilchendetektoren bezieht.
Fig. 2 zeigt in allgemeiner Form einen Detektor für thermische Neutronen gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Figur zeigt hierbei einen Alphateilchendetektor Auf der Oberfläche des Alphateilchendetektors ist eine dünne Materialschicht 50 vorgesehen, die Bor-Ke,rne mit verhältnismäßig großem Einfangguerschnitt für thermische Neutronen besitzen. Die Wechselbeziehung zwischen dem Fluß von thermischen Neutronen 30 einer thermischen Neutronenquelle (nicht gezeigt) mit den Bor-Kernen führt zu Alphateilchen (und Lithium), die sich durch die nachstehend gezeigte Reaktionsformel bilden. Die so erzeugten Alphateilchen treffen auf den Alphateilchendetektor 4 0 auf, der somit das Vorhandensein von thermischen Neutronen anzeigt.
In Fig, 3 ist nun die Verwendung der vorstehend beschriebenen Detektoren für thermische Neutronen gemäß der Erfindung zum Überwachen des Neutronenflusses einer thermischen Neutronenquelle 80 (wie z.B. eines Kernreaktors) gezeigt. Die Fig. 3 zeigt einen Ausschnitt einer Anordnung von thermischen Neutronendetektoren 5 der vorstehend beschriebenen Bauart, die auf einer Trägerwand 81 montiert sind. Die thermischen Neutronendetektoren 5 sind vorzugsweise in einer Anordnung positioniert, die die thermische Neutronenquelle 80 (von der nur ein Kästchen dargestellt ist) umgibt, um eine Anzeige des Vorhandenseins von thermischen Neutronen außerhalb der thermischen Neutronenquelle 80 zu ermöglichen. Die
thermischen Neutronendetektoren 5 können Detektoren, wie sie in den Fig. 1a, b, c oder Fig. 2 gezeigt oder in anderen Anordnungen beschrieben sind, und eine Stromsignalleitung 83 zum Übertragen des durch jeden der Detektoren 5 erzeugten Stromes enthalten. Eine Sammelleitung 82 überträgt die Ströme jeder der thermischen Neutronendetektoren 5 zu einem Neutronenfluß-Analysiergerät 85. In diesem Analysiergerät 85 werden die Einzelinformationen ausgewertet und auf geeignete Weise ausgegeben.
Der PN-Diodenübergang (gebildet durch die P+ Region und die N Region 20) nach den Fig. la, b, c kann nach der Technologie der lokalen Oxidation von Silizium hergestellt werden. Dies führt zu einem planaren Diodenelement mit einer P+ Region in einer N Region bei einer P .,N Diode oder zu einer N Region in einer P Region für eine N ,P Diode. Solche Bauelemente können durch Implantationsoder Diffusionstechniken hergestellt werden. Im Falle einer N ,P Diode zur Benutzung als Teil eines thermischen Neutronendetektors gemäß der Erfindung ist es zu bevorzugen, die P-Feldregion mit Bor-Atomen oder Kernen zu dotieren und die Bor-Atome oder Kerne in einen Teil der Oxidschicht oberhalb der aktiven Region der N ,P Diode zu implantieren. Solche Dioden haben einen sehr niedrigen Sperrstrom. Technische Erläuterungen für die niedrigen Sperrströme konventioneller P ,N oder N ,P
Dioden, hergestellt durch lokale Oxidation von Silizium, sind in den technischen Veröffentlichungen von L. Baldi, G.R. Cerofolini und G. Ferla im Journal of the Electrochemical Society 127, 164 (1980) zu finden. Ein typischer Wert eines Stromes für eine Diode mit einem Quadratzentimeter Fläche und einer Sperrspannung von 15V liegt im Bereich von 10OpA. Auch Dioden mit größeren Flächen im Bereich von 10 Quadratzentimetern weisen ein vernachlässigbares Rauschen auf. Solche Dioden eignen sich gut als Detektoren von Alphateilchen, d.h. von Heliumkernen. Der Stromdetektor 8 in; den Fig. la, b und c wird benutzt, um den von der Diode gelieferten Strom zu messen.
Es wird erneut auf die Fig. 1a,1b und 1c Bezug genommen, in denen eine P ,N Diode gezeigt ist. Durchläuft ein thermisches Neutron die P Region der Diode, so reagiert
10 es mit einem einfangenden Bor (A=TO), B-Kern. Der
B-Kern (bestehend aus etwa 90% natürlichem Bor) weist einen verhäntismäßig hohen Einfangquerschnitt (etwa 40 00 Barns) für thermische Neutronen auf. Die Reaktion ist wie folgt:
10B + η = 7Li + 4He
Hierbei ist B Bor, η ist ein (thermisches) Neutron, Li ist Lithium und He ist Helium. Diese Gleichung bedeutet, daß der Bor-Kern (A= 10). und ein (thermisches) Neutron (A=D Lithium (A=7) und ein Alphateilchen (A=4) erzeugt, wobei (A) die Kernanzahl bedeutet. Jedes dieser Alphateilchen
oder jeder der ionisierten oder geladenen Lithiumkerne kann festgestellt werden/ wenn diese die Verarmungsregion oder neutrale Region der Diode passieren. Der typische Feststellungswirkungsgrad kann durch die Wahrscheinlichkeit abgeschätzt werden, daß ein thermisches Neutron mit
10
einem B-Kern reagiert. Eine schätzungsweise Berechnung kann mit der Menge von B-Atomen pro Fläche (mittlere
15 —2
Konzentration mal Übergangstiefe von etwa 10 cm ) erfolgen, und wenn dieser Wert mit dem Einfangquerschnitt für die Kernreaktion multipliziert wird, ergibt sich eine Menge im Bereich 4 χ 10 - Die Kernteilchen dieser Reaktion werden beim Durchlauf durch das Material normalerweise ionisiert oder geladen.
Halbleiterdioden mit etwa dem gleichen Wirkungsgrad, jedoch der N ,P Type, können durch Implantation von B-Kernen (etwa 10 Kerne pro cm ) in einen Teil der
Oxidschicht oberhalb der aktiven Zone und durch Im-
11
plantation von B-Kernen in den FeId(P)-Bereich der Diode zur 'Verhindearung der Feldumkehrung der Diode hergestellt werden.
Als Alphateilchendetektor zum Feststellen von thermischen Neutronen können vorteilhafterweise dynamische N-Kanal-RAM-Speicher verwendet werden, da sie eine Anzeige der örtlichen Präsenz von Alphastrahlungsteilchen im Raum zu bestimmten Zeitpunkten ermöglichen. Gemäß der Erfindung wird vorgeschlagen, den nachteiligen Effekt von dynamischen RAMs bei der Bestrahlung mit Alphateilchen auszunutzen,
- 15 -
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8AD ORIGINAL
Ungewißheit im Vergleich zu Scintilationszähler, positionsempfindlichen Detektoren, Drahtkammern oder Bubble-Kammern. Auf diese Weise können dynamische RAM-Speicher direkt mit Mikroprozessoren oder Computern zur Datenverarbeitung zusammengeschaltet werden.
Wie aus Fig. 2 hervorgeht, ist es klar, daß die Benutzung einer dünnen Materialschicht, die mit entsprechenden Kernen dotiert ist, einen verhältnismäßig großen Einfangquerschnitt für thermische Neutronen hat, und daß Bor-Atome es zulassen, einen Alphateilchendetektor nun zum Feststellen von thermischen Neutronen heranzuziehen.
Für viele Quellen von thermischen Neutronen,wie' z.B. Reaktoren, ist es notwendig, den Neutronenfluß wie in Fig. 3 gezeigt zu überwachen. Diese Überwachung kann die Form einer Anzeige des Gesamtflusses annehmen, oder es ist möglich, eine Identifizierung eines besonders starken, lokalisierten Neutronenflusses vorzunehmen, was meist eine Fehlfunktion von Einrichtungen bedeutet. Die Detektoren gemäß der vorliegenden Erfindung können als Anordnung in der Nähe einer Neutronenflußquelle angeordnet werden, um deren Stärke oder bestimmte Arten von Fehlfunktionen zu überwachen. Die thermischen Neutronendetektoren gemäß der Erfindung sind verhältnismäßig preiswert und von geringem Gewicht, so daß sie in einer Anordnung verwendet werden können
die eine Neutronenquelle vollständig umgibt. Es ist auch möglich, eine transportable Anordnung vorzusehen, die an verschiedenen Orten eingesetzt werden kann.
In der Fig. 3 ist nur ein Ausschnitt einer Detektoranordnung gezeigt, bei der eine Vielzahl von Detektoren 5 auf einer Trägerplatte 81 angeordnet sind. Es ist jedoch möglich, diese Trägerplatte 81 in Form eines Kastens um die Neutronenquelle 80 herumzubauen, um nach allen Seiten eine eventuelle Ausstrahlung von thermischen Neutronen feststellen zu können.

Claims (14)

Halbleiterdetektor zum Feststellen thermischer Neutronen PATENTANSPRÜCHE
1. Halbleiterdetektor zum Feststellen thermischer Neutronen,
gekennzeichnet durch mindestens eine Schicht (10,50) mit einer hohen Konzentration von P-dotierten Atomen zum Zusammenwirken mit thermischen Neutronen (30) und zum Erzeugen von Kernteilchen (12) sowie einen der Schicht zugeordneten Kernteilchendetektor (7,8, 20;40) .
2. Halbleiterdetektor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die P-dotierten Atome Bor-Atome sind.
JB/iml
Martinistraße 24
D 2800 Bremen (
Telefon Telecopierer Telex Datex-I*
042Ι-3280Ϊ7 0421 1268 H 2 4-1 020 -IVp.it Λ 4442!04(MII.
3. Halbleiterdetektor nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht eine P Region (10) einer PN Diode ist, daß der Kernteilchendetektor eine mit der F Region gekoppelte N Region (20) ist, die einen PN Diodenübergang bildet, daß eine Spannungsquelle (7) zum Vorspannen des Diodenüberganges und ein an die Spannungsquelle (7) und die N Region (20) gekoppelter Stromdetektor (8) zum Feststellen der Übertragung von ionisierten Kernreaktionsteilchen über dem PN Diodenübergang.
4. Halbleiterdetektor nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Diode aus Silizium besteht,
5. Halbleiterdetektor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht eine Oxidschicht mit B Kern-Störstellen und über der aktiven Region einer N P Diode angeordnet ist und daß die P Feldregion
11
der Diode B Kerne hat.
6. Halbleiterdetektor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht eine Polysilizium-
1 0
schicht mit B At<
Speichers enthält.
1 0
schicht mit B Atomen eines dynamischen N-Kanal-RAM-
7.Halbleiterdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kernteilchendetektor ein Alphateilchendetektor (40) ist und daß die Schicht (50)
Mittel zum Erzeugen von Alphateilchen durch Zusammenwirken der thermischen Neutronen mit Kernen aufweist, die einen hohen Einfangquerschnitt für thermische Neutronen besitzen und in der Nähe des Detektors angeordnet sind.
8. Halbleiterdetektor nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß er eine Reihe von Halbleiterelementen (5) enthält, von denen jedes Mittel zum Einfangen der thermischen Neutronen und zum Erzeugen eines von dem Einfangen der thermischen Neutronen herrührenden Stromes enthält, und daß Meßmittel (82,83,85) zum Messen des durch jedes Element des Detektors erzeugten Stromes enthält, der von dem Eindringen von thermischen Neutronen in jedes der Halbleiterelemente des Detektors herrührt.
9. Verfahren zum Feststellen thermischer Neutronen, dadurch gekennzeichnet, daß das Auftreten ionisierter Zerfallprodukte einer Kernreaktion zwischen den thermischen Neutronen und Kernen mit einem großen Reaktionsquerschnitt festgestellt werden«
10. Verfahren nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, daß die Zerfallprodukte von der Kernreaktion
10B+n = 7Li+a
herrühren, wobei B Bor ist, η ein thermisches Neutron ι
Li Lithium und a ein elektrisch geladenes Alphateilchen ist.
11. Verfahren nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, daß eine P Region einer Diode mit einer starken Konzentration von Bor-Atomen dotiert wird; daß die Diode in Sperrichtung vorgespannt wird und daß die Zerfallprodukte durch Messen eines Stromes über einen Übergang der Diode festgestellt werden, wobei die Zerfallprodukte durch die Bor-Atome erzeugt werden, die die thermischen Neutronen einfangen und mit diesen reagieren.
12. Verfahren nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Anordnung von Halbleiterelementen mit Einfangeigenschaften von thermischen Neutronen und entsprechender, das Einfangen von thermischen Neutronen in der Nähe ihrer Erzeugung anzeigender Stromerzeugung vorgesehen ist und daß die Anordnung elektrisch mit einer Meßvorrichtung zum Bestimmen des Eintretens von thermischen Neutronen in mindestens eines der Halbleiterelemente der Anordnung gekoppelt ist.
13. Verfahren nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, daß eine dynamische RAM-Speicherzellen-Anordnung als Anordnung von Halbleiterelementen vorgesehen ist und daß jede Speicherzelle der Anordnung Bor-Atome in mindestens einem Teil der Speicherzelle enthält.
14. Verfahren nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Anordnung von Halbleiterdioden vorgesehen ist, von denen jedes Element Bor-Atome in mindestens einem Teil des Elementes enthält.
DE19853537802 1984-10-25 1985-10-24 Halbleiterdetektor zum feststellen thermischer neutronen Withdrawn DE3537802A1 (de)

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