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Gebiet der
Erfindung
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Die
Erfindung betrifft einen Neutronendetektor und insbesondere einen
Festkörperhalbleiter-Neutronendetektor,
gebildet aus pyrolytischem Bornitrid, sowie ein Verfahren zur Herstellung
eines pyrolytischen Bornitrid-Neutronendetektors.
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Hintergrund
der Erfindung
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Neutronen
sind ungeladene Elementarteilchen, welche Gegenstände nicht
ionisieren, wenn sie diese passieren. Demzufolge sind Neutronenteilchen schwierig
zu detektieren. Thermische Neutronen werden hergestellt durch Spalten
von Atomen, wie z. B. Uran 235, in einem Kernreaktor und Verlangsamung
der Geschwindigkeit der Spaltneutronen durch Kollisionen mit moderierendem
Material. Ein Geigerzähler
ist ein herkömmlicher
Detektor zur Detektion von Neutronen. Der Geigerzähler ist
eine gasgefüllte Röhre, die
mit 3He oder BF3 gefüllt werden
kann, aber eingeschränkte
Verwendbarkeit hat, da er sowohl sperrig ist als auch teuer herzustellen.
Darüber
hinaus erfordert der Geigerzähler
wiederholtes Kalibrieren. Andere Bestimmungsvorrichtungen, die verwendet
werden, um Neutronen nachzuweisen, basieren auf dem Prinzip der
Szintillation, welches ein indirektes Verfahren ist, bei dem die
Wechselwirkung von Neutronen mit einem Szintillations-Nachweismaterial Licht
erzeugt, was wiederum ermöglicht,
dass Lichtdetektoren verwendet werden können, wodurch die Menge der
Gegenwart von Neutronen bestimmt werden kann. Jedoch müssen die
Lichtdetektoren empfindlich für
die Wellenlänge
des Lichts sein. Andernfalls muss ein Emulsionsfilm verwendet werden.
Die Verwendung von Szintillationsdetektoren zur Bestimmung von Neutronen
ist uneffektiv, da die Optik nicht alles Licht sammeln kann und
etwas von dem Licht durch das Szintillationsmaterial reabsorbiert
wird. Weiterhin haben Lichtdetektoren eine inhärente Empfindlichkeitsgrenze
für alle
Wellenlängen.
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Derzeit
ist kein Festkörperdetektor
kommerziell existent, der dazu fähig
ist, thermische Neutronen zu detektieren. Die vorliegende Erfindung
verwendet pyrolytisches Bornitrid, um einen Festkörperdetektor
für thermische
Neutronen zu bilden, in welchem ein direktes elektrisches Signal
gebildet wird, proportional zu den erzeugten Alphateilchen, die
aus der Wechselwirkung der kollidierenden Neutronen mit dem Bor-10-Isotop
in pyrolytischem Bornitrid erzeugt werden. Pyrolytisches Bornitrid
(im Folgenden „pBN") wird durch chemische
Dampfablagerung gebildet, unter Verwendung eines Verfahrens wie
in US-Patent Nr. 3 182 006 beschrieben, unter Einbringen von Dämpfen von
Ammoniak und einem gasförmigen
Borhalogenid, wie z. B. Bortrichlorid (BCl
3),
in geeignetem Verhältnis
in einen erhitzten Ofenreaktor, um Bornitrid auf der Oberfläche eines
geeigneten Substrats, wie z. B. Graphit, abzulagern. Das Bornitrid
wird in Schichten abgelagert und bildet, wenn es von dem Substrat
abgetrennt wird, eine freistehende Struktur aus pBN. Ein pBN-Detektor
ist in Patent
JP 10
001 304 A offenbart.
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Pyrolytisches
Bornitrid („pBN") ist anisotrop und
hat ein hexagonales Kristallgitter. Tatsächlich ist das meiste durch
CVD hergestellte Bornitrid aus hexagonalen Kristalliten zusammengesetzt,
in welchen die a- und b-Achsen vorzugsweise parallel zur Ablagerungsoberfläche orientiert
sind. Die hexagonale Struktur und bevorzugte Orientierung verursachen hohe
Anisotropieeigenschaften im pBN. Aufgrund der Symmetrie sind die
a- und b-Achsen äquivalent, und
so ist es üblich,
pBN zu beschreiben, als ob es lediglich zwei Sätze von Eigenschaften hat,
d. h. in der ab-Richtung und in der c-Richtung. In einem Einkristall
aus BN sind die „ab-Ebenen" senkrecht zu den
Schichten. In pBN sind die „ab-Ebenen" nicht bevorzugt
orientiert, mit Ausnahme zur normalen Richtung der Ablagerungsschichten.
Die kristallographischen Ebenen, wie z. B. die c-Ebene, sind normal
zu ihren Achsen, so dass die c-Ebene in pBN vorzugsweise parallel
zur Ablagerungsschicht liegt. Da die pBN-Ablagerungen für praktische
Zwecke auf ein paar wenige Millimeter Dicke begrenzt sind, ist die Kantenoberflächenfläche klein
im Vergleich zu dem, was auf der Ablagerungsoberfläche erreichbar
ist. Jedoch haben alle bisherigen Versuche, Neutronen unter Verwendung
eines pBN-Detektors, der in herkömmlicher
Art und Weise hergestellt wurde und für das Einsammeln von Neutronen über die
Ablagerungsschichten, d. h. vorzugsweise die c-Achsenrichtung orientiert
war, bisher schlechte Ergebnisse geliefert.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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In Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung wurde gefunden, dass durch Bilden
eines pBN-Detektors mit den elektrischen Kontakten parallel zur
c-Achsenrichtung, d.h. normal zu den ab-Ebenen, die Empfindlichkeit
für thermische
Neutronen signifikant erhöht
wird. Darüber
hinaus ist es in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung bevorzugt, dass das pBN-Material mit einer
vorbestimmten Dicke von zwischen einem Mikron bis ein mm gebildet
wird und dass elektrische Kontakte auf jeder Seite dieser Dicke
an dem pBN-Material angebracht werden.
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Der
Neutronendetektor in festen Zustand aus pBN kann in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung gebildet werden, wobei ein direktes elektrisches
Signal von den Alphateilchen erzeugt wird, die als Antwort auf die
Wechselwirkung von Neutronen mit dem pBN-Detektormaterial erzeugt werden,
durch Verwenden von elektrischen Kontakten an zwei Enden des pBN-Detektormaterials,
ausgerichtet parallel zu den „ab-Ebenen" und durch Verbinden
der elektrischen Kontakte mit einem elektrischen Analysator.
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Der
erfindungsgemäße pBN-Neutronendetektor
beinhaltet ein mehrschichtiges pBN-Material mit einer Kristallgitterstruktur
mit zwei gegenüberliegenden
Kantenoberflächen,
die so ausgerichtet sind, dass sie mit den „ab-Ebenen" der Struktur korrespondieren, metallisierten
Kontakten, die jede der genannten gegenüberliegenden Oberflächen kontaktieren,
um Elektronen zu leiten, um Neutronen zu erkennen, und dessen Struktur
eine Dicke zwischen den gegenüberliegenden
Kantenoberflächen
von zwischen einem Mikron und einem mm hat. Die bevorzugte Dicke
für pBN
ist 1,00 Mikron (0,004 inch). Eine Fläche von metallisierten Kontakten
kann in dem pBN-Material gebildet werden in Form von geschichteten
Streifen, die parallel zueinander sind und durch einen Abstand von
zwischen 25 und 100 Mikron von einander getrennt sind, wobei die bevorzugte
Trennung 50 Mikron ist. Die Fläche
der metallisierten Kontakte muss auf einer pBN-Oberfläche in paralleler Richtung
entweder zur a-Ebene bzw. zur b-Ebene ausgerichtet angebracht werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zum Bilden eines Neutronendetektors beinhaltet die Schritte des
Ablagerns von mehreren Schichten pBN mit einer Kristallgitterstruktur,
deren kristallographische „c-Ebene" vorzugsweise parallel
zu den abgelagerten Schichten ist, um eine vorgegebene Geometrie zu
bilden mit zwei gegenüberliebenden
Seiten, die parallel zu den „ab-Ebenen" der Struktur ausgerichtet sind
und eine Dicke von zwischen einem Mikron und einem mm haben, Aufbringen
von metallisierten Kontakten auf die genannten gegenüberliegenden
Seiten und Orientieren des genannten Detektors relativ zur Neutronenquelle
derart, dass die Neutronen durch das Volumen des Detektors passieren
und Elektronen als Antwort auf die durch die Gegenwart von diesen
Neutronen erzeugten Alphateilchen durch die Struktur parallel zu
der c-Ebene leiten.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Andere
Vorteile der vorliegenden Erfindung werden offensichtlich aus der
folgenden Beschreibung der Erfindung, wenn sie in Zusammenhang mit den
begleitenden Zeichnungen betrachtet wird, welche sind:
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1(a) ist eine perspektivische Ansicht
einer geschichteten hexagonalen pBN-Struktur, welche die a-, b-
und c-Richtungen des hexagonalen Gitters zeigt,
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1(b) ist eine perspektivische Ansicht
der Gitterstruktur von hexagonalem pBN,
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2(a)–2(f) zeigen den stufenweisen Fortgang unter Verwendung
von Lithographie, um eine Fläche
von Kontakten auf dem erfindungsgemäßen pBN-Neutronendetektor zu
bilden,
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3 ist
eine Aufsicht auf die fertiggestellte Fläche von Kontakten, die auf
dem pBN-Neutronendetektor unter Verwendung der Schritte in 2(a)–2(f) gebildet wurde.
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4 ist
ein Querschnitt einer pBN-Platte, die das Muster der Kontakte zeigt,
die in der pBN-Neutronendetektorstruktur durch Ionenimplantation
gebildet wurde und
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5 ist ein schematisches Diagramm eines Neutronendetektorsystems
unter Verwendung des erfindungsgemäßen pBN-Neutronendetektors.
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Eingehende
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Eine
herkömmliche
pyrolytische Bornitridstruktur kann in jede Form gebracht werden,
wie z. B. die einer rechtwinkligen Platte 10, wie in 1 gezeigt. Das pyrolytische Bornitridmaterial
hat eine hexagonale Kristallgitterstruktur, wie in 1(a) gezeigt,
die in Schichten 11 in einer Richtung korrespondierend
zu der c-Achsenrichtung wie in 1 gezeigt,
gewachsen ist.
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Bisher
wurden elektrische Kontakte auf die beiden großen einander gegenüberliegenden
Oberflächen 11 der
Platte 10 aufgebracht, die senkrecht zur Ebene, die in 1 mit A-A bezeichnet ist liegt, derart,
dass Elektronen, die durch Bor-10- und Neutronenwechselwirkung erzeugt
werden, durch die Schichten 11 passieren. Diese Anordnung
ergibt jedoch schlechte Ergebnisse. Erfindungsgemäß werden
elektrische Kontakte auf die einander gegenüberliegenden Kantenoberflächen 12 der
Struktur 10 aufgebracht, d. h. die a-b-Ebenenoberflächen der Struktur,
die parallel zur Dicke der Platte 10 wie in B-B in 1 bezeichnet, liegen. Die Dicke der Platte 10,
die zu dem Abstand korrespondiert, der die Kontakte voneinander
trennt, darf nicht mehr als zwischen einem Mikron und einem mm sein
aufgrund des Schlusses, dass dies der Dämpfungsbereich für Alphateilchen
ist, die erzeugt werden, wenn Neutronen mit dem Bor-10-Isotop in
dem pBN-Material wechselwirken. Es soll verstanden werden, dass
die Alphateilchen ein Elektronenlochpaar erzeugen, das entgegengesetzt
geladen ist und zu den aufgebrachten Kontakten an den einander gegenüberliegenden Kanten 12 der
pBN-Platte wandet. Die Leitfähigkeit von
pBN ist in der B-B-Richtung höher
als in jeder anderen Richtung.
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Ein
pBN-Neutronendetektor wird in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung vorzugsweise hergestellt, indem ein
dünner
Streifen oder Scheibe 12 von einer herkömmlichen Platte 10 aus hexagonalem
pBN-Material entlang der ab-Richtung wie in 1 gezeigt
abgeschnitten wird. Die Dicke des Streifens 10 soll zwischen
einem Mikron und einem mm Dicke liegen und vorzugsweise etwa 1,00 Mikron
(0,004 inch) dick sein. Eine große Fläche von Detektoren kann auf
einem einzelnen Streifen 12 aus pBN-Material gebildet werden,
wenn herkömmliche Lithographietechniken
wie in den 2(a)–2(f) gezeigt
verwendet werden. Normalerweise wird eine fotoempfindliche Fotolack-Schicht 14 auf
die Oberfläche
des pBN-Streifens 12 aufgebracht, ausgerichtet in der ab-Ebene, wie in 2(a) gezeigt. Dann wird ein Muster mit einer herkömmlichen
Maske (nicht gezeigt) und einer hinter der Maske angeordneten Lichtquelle
maschinell hergestellt, um ein Bild auf der Streifenoberfläche zu erzeugen,
wo das Licht durch die Maske fällt,
um ein gehärtetes
Bild in der Fotolackschicht 14 wie in 2(b) gezeigt zu bilden. Eine Vielzahl von gehärteten Bildern
kann in einer Fotolackschicht gebildet werden, wobei ein Muster
gebildet wird, das eine gewünschte
Anzahl von parallelen gehärteten
Bildern in der Fotolackschicht auf dem pBN-Material hat. 2(b) zeigt ein gehärtetes Bild 15 in
der Fotolackschicht 14. Ein herkömmliches chemisches Mittel,
das als Entwicklungsmittel bekannt ist, wird auf die Fotolackschicht
angewendet, um den gehärteten
Fotolack aus der Fotolackschicht 14 zu entfernen, um einen
Kanal 16 wie in 2(c) gezeigt zu
bilden. Ein herkömmliches Ätzmittel
wird dann auf den Kanal 16 einwirken lassen, um einen Graben 17 in
dem pBN-Streifen 12 direkt unterhalb des Kanals 16 wie
in 2(d) gezeigt zu bilden. Die
Breite des Grabens 17 korrespondiert mit der Breite des
Kanals 16 in der Fotolackschicht 14, wobei die
Tiefe des Grabens variabel ist, bestimmt durch die Zeitdauer der Anwendung
des Ätzmittels.
Ein Metallmaterial wird dann über
die Fotolackschicht 14 und über den Graben 17 gedampft,
um eine Überzugsschicht
aus Metall 18 zu bilden. Der Metallüberzug 18 und das
Fotolackmaterial 14 unter der Beschichtung 18 werden chemisch
entfernt, mit Ausnahme im Bereich des Grabens 17, so dass
der Graben 17 und die Beschichtung aus Metall 18 oberhalb
des Grabens 17, wie in 2(e) gezeigt,
verbleiben. Dies hinterlässt den
pBN-Streifen 12 mit
einem oder mehreren Gräben 17,
wobei jeder Graben 17 mit einer Metallbeschichtung 18 wie
in 2(f) gezeigt bedeckt ist, um eine
Fläche
von metallisierten Kontaktpunkten zu bilden. Eine Aufsicht auf die
Fläche
ist in 3 gezeigt. Die Fläche der metallisierten Kontaktpunkte
wird elektrisch mit elektrischen Leitern verbunden, die dann wiederum
an einen herkömmlichen
Multikanal-Analysator wie in 4 gezeigt
angeschlossen werden können,
um den Elektronenfluss zu messen, der mit der Anzahl der Alphateilchen
korrespondiert, die gebildet werden, wenn Neutronen mit dem pBN-Material
auf der Flächenoberfläche wechselwirken.
Die Gräben 17 sollten
voneinander durch einen Abstand von zwischen etwa 25 und 100 Mikron,
mit einer bevorzugten Trennung von 50 Mikron, getrennt sein. Das
bei einer Bor-10-Isotopwechselwirkung
mit einem Neutron erzeugte Alphateilchen verliert etwa 0,2 % seiner
Energie an die Elektronen, mit denen es wechselwirkt und verliert
allgemein die gesamte Energie (100 %) durch Abbremsung in dem pBN-Material
innerhalb der Wechselwirkungsentfernung von etwa 2 Mikron (0,008
inch) oder mehr und bis zu etwa 50 % seiner Energie innerhalb einer
Wechselwirkungsentfernung von bis etwa 1 Mikron (0,004 inch). Die
Dicke des pBN-Materials für
gute Auflösung
sollte optimalerweise zwischen etwa einem Mikron und einem mm liegen.
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Eine
Fläche
von metallisierten Kontaktpunkten kann in dem pBN-Material auch
durch Ionenimplantation gebildet werden, wobei ein Dotierungsmaterial
in das pBN-Material implantiert wird, um ein Kontaktmuster zu bilden,
das dem Muster, welches durch Lithographie wie oben in Zusammenhang
mit den 2(a)–2(f) erwähnt, äquivalent
ist. Das Dotierungsmittel wird in Kanälen 20 konzentriert,
die parallel zueinander auf einer Seite in ab-Ebene des pBN-Materialsstreifens 12,
wie in 4 gezeigt, angeordnet sind, wobei die Konzentration
des Dotierungsmittels den spezifischen Widerstand von jedem Kanal 20 bestimmt.
Der Widerstand der Kanäle 20 ist proportional
zur Konzentration des Dotierungsmittels für ein gegebenes Dotierungsmaterial.
Jedes Dotierungsmittel mit geringem Widerstand kann verwendet werden,
vorzugsweise Kohlenstoff oder Kohlenstoff und Sauerstoff. Das dotierte
BN kann monolytisch oder geschichtet sein. Dotierte Schichten können voneinander
einen Abstand von zwischen 5–500 Mikron
haben und die Dicke des Dotierungsmittels kann von 10–10 000
Angström
eingestellt werden. Das dotierte BN kontrolliert die elektrischen
Eigenschaften entlang den a-b-Richtungen.