KR102068371B1 - 향상된 감마 방사선 감도를 갖는 고체 방사선 검출기 - Google Patents
향상된 감마 방사선 감도를 갖는 고체 방사선 검출기 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 입사 감마 방사선으로부터 대전된 입자 수집을 향상시키도록 백금층으로부터 검출기의 활성 영역으로 고에너지 컴프톤 및 광전기 전자를 공여하도록 쇼트키 접촉부 위에 위치된 그리고 그 위로 이격된 백금과 같은 전자 도너층을 갖는 실리콘 카바이드 쇼트키 다이오드 고체 방사선 검출기에 관한 것이다.
Description
본 출원은 2012년 4월 25일 출원된, "향상된 감마 방사선을 갖는 실리콘 카바이드 방사선 검출기"로 명명된 가출원 제61/637,994호로부터 35 U.S.C§119(e) 하에 우선권을 주장한다.
본 발명은 방사선 검출기에 관한 것이고, 그리고 더 구체적으로 개선된 감마 방사선 감도를 갖는 고체 방사선 검출기에 관한 것이다.
종래의 중성자 검출기는 일반적으로 BF3 또는 He와 같은 중성자 활성 기체를 사용하는 이온화 챔버 또는 비례 계수기로서 작동하는 장치를 포함한다. 중성자의 흡수 시에, 그러한 기체는 에너지 반응 입자를 방출한다. 이들 입자는 적절하게 바이어스된 전극에 의해 검출된 주변 기체에서 이온화를 생성한다. 다른 검출기는 6Li, 10B 또는 235U와 같은 솔리드 중성자 활성 물질을 갖는 이온화 챔버의 벽을 코팅한다. 이들 물질은 또한 중성자를 흡수하고 이온화를 생성하는 입자를 방출한다.
더 최근에, 반도체 접합을 가로지르는 전자-홀 쌍을 검출하는 고체 중성자 검출기가 사용되었다. 전자-홀 쌍은 검출기 내에 병합된 중성자 활성 물질의 필름 또는 도펀트 내의 중성자 흡수의 결과로서 형성된 반응 입자에 의해 생성된다. 대전된 입자 이온화 방사선의 측정을 위한 고체 방사선 검출기로서 실리콘 카바이드(SiC) 쇼트키 다이오드의 사용은 또한 특히 고온 및 고감마 방사선 환경에서 다른 유형의 방사선 검출기(예, 이온 챔버 GeLi 검출기 등)에 비해 혜택을 제공하는 것으로 알려져 있다. 실리콘 카바이드 검출기가 매우 작기 때문에, 그들은 다른 검출기 유형이 맞지 않을 수 있는 영역에 설치되거나 삽입될 수 있다. 실리콘 카바이드 검출기의 현재 실시예가 입사 감마 방사선에 비례하는 신호를 생성하는 반면에, 신호 응답은 장치의 활성 영역 상의 대전 입자 충돌에 대한 응답과 관련해서 매우 작다.
고온 또는 제한된 접근 영역에서 감마 방사선 필드의 강도 및 에너지 스펙트럼을 중요시하는 어플리케이션이 있다. 이러한 상황의 예는 후쿠시마 지역에 손상된 원자로 주위의 그리고 내부의 방사선 필드를 특징화하도록 요구되는 방사선 감시이다. 본 발명은 핵 발전에서 가장 중요한 방사성 동위원소로부터 입사 감마 방사선의 에너지를 검출하고 특징화하도록 검출기의 능력을 향상시키는 수정을 포함하는 쇼트키 다이오드 고체 방사선 검출기와 연관된 모든 현재의 혜택을 가능하게 하는 개선된 실리콘 카바이드 방사선 검출기 설계를 제공한다.
본 발명의 목적은 개선된 감마 방사선 감도를 갖는 고체 방사선 검출기를 제공하는 것이다.
감마 방사선 감도에서의 개선은 활성 반도체 영역 및 활성 반도체 영역의 적어도 일부 위의 쇼트키 접촉부를 갖는 쇼트키 다이오드를 사용하여 달성된다. 컴프톤 및 광전자 소스 물질의 층은 활성 영역을 관통하는 고에너지 컴프톤 및 광전기 전자를 생성하도록 소스 물질의 소스 원자 주위의 전자와 상호작용하는 입사 감마 방사선과 반응하고, 컴프톤 및 광전자 소스 물질의 층은 소스 물질과 쇼트키 접촉부 표면 사이에 개재된 공기와 같은 미미한 전도도를 갖는 낮은 유효원자수의 유체로 채워진 제어가능한 가변 거리 간극을 갖는 쇼트키 접촉부 위에 지지된다. 쇼트키 접촉부 표면으로부터 소스층의 유체 간극 및 거리의 구성물은 검출되도록 추구되는 특정 감마 방사선 에너지에 대한 검출기의 활성 영역에서 최대 대전 증착 속도를 달성하도록 필요에 따라 조절된다. 방사선 검출 및 측정의 해당 기술분야의 당업자에 의해 사용된 이러한 장치는 사용자가 핵 원자로에서 분열 파편에 고유한 동위원소와 같은 특정 방사성 동위원소의 분포 및 상대량을 결정하는 것을 허용한다.
바람직하게, 컴프톤 및 광전자 소스 물질은 검출기의 활성 영역에서 이온화를 관통하고 생성하는 전자를 생성하는 백금과 유사하거나 더 높은 원자수를 갖는 백금 또는 또 다른 소스 물질로부터 선택된다. 바람직하게, 쇼트키 접촉부는 실리콘 카바이드를 포함하는 활성 영역 위에 위치되고, 컴프톤 및 광전자 소스 물질 및 간극에 사용된 물질의 층의 두께는 검출기의 활성 영역에서 에너지를 증착하는 쇼트키 접촉부를 향해 지향되는 광전자의 수를 최대화하도록 코드 패키지 MCNP(로스 앨러모스 내셔널 시큐리티, 엘엘씨, 로스 앨러모스 국립 연구소(Los Alamos National Security, LLC, Los Alamos National Laboratory)로부터 라이센스가능함)에 이용가능한 이들과 같은, 감마 방사선 전송 방법의 사용에 의해 결정된다.
일 실시예에서, 고체 방사선 검출기는 컴프톤 및 전자 소스 물질의 층 상에 입사하는 감마 방사선의 에너지에 비례하는 소정 시간에 걸쳐 활성 반도체 영역 상에 증착된 전하를 갖고 검출기의 출력은 검출기 상에 입사하는 감마 방사선의 에너지와 강도 모두를 나타낸다. 바람직하게, 소스층과 간극층의 두께 사이의 간극은 검출된 입사 방사선의 에너지에 대한 검출기의 감도를 제어한다. 바람직하게, 간극층의 두께는 검출기의 감도를 변화시키도록 조절가능하다.
본 발명은 핵 발전에서 가장 중요한 방사성 동위원소로부터 입사 감마 방사선의 에너지를 검출하고 특징화하도록 검출기의 능력을 향상시키는 수정을 포함하는 쇼트키 다이오드 고체 방사선 검출기와 연관된 모든 현재의 혜택을 가능하게 하는 개선된 실리콘 카바이드 방사선 검출기 설계를 제공한다.
본 발명의 또 다른 이해는 첨부된 도면에 관련해서 읽힐 때 바람직한 실시예에 관한 다음의 설명으로부터 얻어질 수 있고 여기서:
도 1은 종래 기술의 실리콘 카바이드 쇼트키 다이오드 방사선 검출기의 개략도이고; 그리고
도 2는 검출기의 공핍층 영역에서 감마 방사선 발생된 전자 증착을 향상시키도록 쇼트키 접촉부 위에 추가된 백금층을 갖는 실리콘 카바이드 쇼트키 다이오드 방사선 검출기의 개략도이다.
도 1은 종래 기술의 실리콘 카바이드 쇼트키 다이오드 방사선 검출기의 개략도이고; 그리고
도 2는 검출기의 공핍층 영역에서 감마 방사선 발생된 전자 증착을 향상시키도록 쇼트키 접촉부 위에 추가된 백금층을 갖는 실리콘 카바이드 쇼트키 다이오드 방사선 검출기의 개략도이다.
앞서 언급된 바와 같이, 대전된 입자 이온화 방사선의 측정을 위한 고체 방사선 검출기로서 실리콘 카바이드 쇼트키 다이오드의 사용은 특히 고온 및 고감마 방사선 환경에서 다른 유형의 방사선 검출기에 비해 혜택을 제공하는 것으로 오랫동안 알려졌다. 또한, 실리콘 카바이드 검출기가 매우 작기 때문에, 그들은 다른 검출기 유형이 맞지 않을 수 있는 영역에 설치되거나 삽입될 수 있다. 실리콘 카바이드 검출기의 현재 실시예가 입사 감마 방사선에 비례하는 신호를 생성하는 반면에, 신호 응답은 장치의 활성 영역 상에 대전된 입자 충돌에 대한 응답과 관련해서 매우 작다.
예시적인 종래 기술의 쇼트키 방사선 검출기(10)는 도 1에 개략적으로 도시된다. 백 옴 접촉부(12)는 실리콘 카바이드 전도 기판(14)의 하나의 측면 상에 형성된다. 실리콘 카바이드 전도 기판(14)은 두께에서 대략적으로 300 미크론이고 두께에서 대략적으로 3 내지 100 미크론의 에피텍셜 실리콘 카바이드층(16)에 의해 반대편 단부에서 커버된다. 에피텍셜 실리콘 카바이드층(16)은 검출기의 활성 영역을 형성하고 백금 또는 골드와 같은 임의의 고전도성 금속으로부터 형성될 수 있는 쇼트키 접촉부(18)에 의해 반대편 단부에서 커버된다. 역 바이어스는 활성 반도체 영역(16)에서 n을 감손시키고 이온화 방사선은 공핍영역에서 전자-홀 쌍을 생성한다. 전하는 접촉부를 가로질러 인가된 전압의 영향 하에 수집된다.
본 발명의 일 실시예에 따라서, 입사 감마 방사선에 응답해서 활성 영역(14)에서 대전된 입자의 수집에 기여하고 활성 영역을 관통하는 전자를 방출하는 백금과 같은 컴프톤 및 광전자 소스 물질, 또는 다른 적합한 높은 원자 도너 물질의 얇은 층을 적용하는 것에 의해, 도 1에 도시된 종래 기술의 쇼트키 다이오드 방사선 검출기를 사용하여 향상된 감마 방사선 감도가 얻어지고 경험될 수 있다. 백금과 같은 컴프톤 및 광전자 소스 물질의 얇은 층(20)은 도 2에 도시된 바와 같이 쇼트키 접촉부(18) 위의 활성 영역의 외부 표면 위에 위치된다. 쇼트키 접촉부와 추가된 소스층(20) 사이의 거리는 조절가능하고, 바람직하게 전자 도너층(20)과 쇼트키 접촉부(18) 사이에 70℉(21℃)에서 20 퍼센트보다 작거나 같은 상대 습도를 갖는 1 기압에서의 공기 특징과 같은 낮은 유효 원자수 및 미미한 전도도를 갖는 유체(24)를 포함한다. 쇼트키 접촉부(18)와 추가된 소스층(20) 사이의 거리는 조절가능하고 사용된 물질 및 소스층의 두께는 사용자에 의해 검출되도록 목표화되는 감마 방사선의 에너지 범위에 기반해서 선택된다. 조절가능한, 즉, 쇼트키 접촉부로부터 두께 및 거리에서 조절가능한, 전자 도너층(층(24)을 둘러싸는 텔레스코핑 슬리브에 의해 상징적으로 표현됨)의 추가는 감마 방사선이 실리콘 카바이드 장치의 활성 영역에 관통하는 도너층 내부에 고에너지 컴프톤 및 광전기 전자를 생성하도록 도너 물질에서 소스 원자를 둘러싼 전자와 상호작용하는 것을 허용한다. 백금층과 쇼트키 접촉부 사이의 개재된 유체(24)의 두께는 활성 영역에서 수집되도록 도너 전자의 에너지를 제어한다. 이들 특징은 검출기의 활성 영역에서 훨씬 더 높은 대전된 증착을 생성하고 그런 후에 도너층(20)에 의해 공여된 고에너지 컴프톤 및 광전기 전자 없이 가능하다. 고정된 시간량에 걸쳐 증착된 전하는 층(20) 상에 입사된 감마 방사선의 에너지에 비례할 것이고, 그래서 감마 방사선의 에너지 및 감마 방사선 강도는 실리콘 카바이드 장치로부터 전기 출력의 적합한 분석으로부터 결정될 수 있다.
따라서, 하나의 실시예(22)가 도 2에 대해 설명되고 이후에서 주장되는 장치는 표준 실리콘 카바이드 방사선 검출기의 모든 이점을 갖지만 사용자 정의된 감마 방사선 및 에너지의 스펙트럼에 훨씬 더 민감할 것이다. 이것은 이러한 기기의 사용의 범위가 현재의 설계에 관련해 증가하는 것을 허용할 것이다. 이러한 장치는 정상 작동 및 사고 후 조건 동안 모두, 핵 발전소 시설에서 대개 관심을 야기하는 방사선의 검출에 더 유용할 것이다. 이러한 검출기는 사용자가 흥미나 관심의 특정 동위원소에 의해 방출된 감마 방사선의 에너지를 목표로 하는 것을 허용할 것이다. 이들 장치로 가능한 작은 크기는 그들이 검출기가 환경적으로 또는 물리적으로 적대적 환경에서 작은 공간을 통해 삽입되어야만 하는 어플리케이션에 이상적이게 한다. 이러한 검출기 설계는 소모 연료 모니터링 및 특정 분열 생성물 동위원소 감마 방사선의 강도가 측정되는 것을 허용함으로써 소모 연료에 대한 다른 작동 후 감시를 수행하는 능력을 향상시키는 반면에 연료는 소모 연료 풀 또는 다른 더 영구적인 저장 위치에 있다. 이것은 연료 내에 포함된 공간적인 핵 물질의 양 및 사고 후 환경의 주변부에 대한 결정을 허용한다.
본 발명의 특정 실시예가 구체적으로 설명되는 반면에, 이들 세부사항에 대한 다양한 수정 및 대안이 개시의 전체 교시의 관점에서 전개될 수 있다는 것이 해당 기술분야의 당업자에 의해 인지될 것이다. 따라서, 개시된 특정 실시예는 도시하도록만 의도되고 첨부된 청구항 및 임의의 그리고 모든 그것의 등가물의 전체 사상이 주어지는 본 발명의 범위로 한정하지 않도록 의도된다.
Claims (10)
- 활성 반도체 영역의 적어도 일부에 대해 활성 반도체 영역(16) 및 쇼트키 접촉부(18)를 갖는 쇼트키 다이오드(10);
상기 쇼트키 다이오드의 상기 활성 반도체 영역(16)으로 관통하도록 에너지 컴프톤 및 광전기 전자를 생성하도록 소스 물질의 소스 원자를 둘러싸는 전자와 상호작용하도록 입사 감마 방사선과 반응하는 컴프톤 및 광전자 소스 물질(20)의 층, 상기 컴프톤 및 광전자 소스 물질의 층은 상기 쇼트키 접촉부(18) 위에 지지되고; 그리고
상기 쇼트키 접촉부(18)와 상기 컴프톤 및 광전자 소스 물질(20)의 층 사이에 개재된 유체(24)의 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 방사선 검출기(22). - 제 1항에 있어서,
상기 컴프톤 및 광전자 소스 물질(20)은 백금, 또는 백금과 실질적으로 같거나 그보다 더 큰 원자수를 갖는 다른 물질로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 고체 방사선 검출기(22). - 제 2항에 있어서,
상기 컴프톤 및 광전자 소스 물질은 백금인 것을 특징으로 하는 고체 방사선 검출기(22). - 제 1항에 있어서,
상기 쇼트키 접촉부(18)는 실리콘 카바이드를 포함하는 상기 활성 반도체 영역(16)의 상부 상에 성막되는 것을 특징으로 하는 고체 방사선 검출기(22). - 제 1 항에 있어서,
상기 컴프톤 및 광전자 소스 물질(20)의 층의 두께는, 상기 쇼트키 다이오드(10)의 상기 활성 반도체 영역(16)에 에너지를 증착하기 위한 입사 감마 방사선 에너지로부터 광전자의 수를 증가시켜 결정되는 것을 특징으로 하는 고체 방사선 검출기(22). - 제 1항에 있어서,
상기 유체(24)의 층의 두께는 사용자가 가변가능한 것을 특징으로 하는 고체 방사선 검출기(22). - 제 1 항에 있어서,
상기 활성 반도체 영역(16) 상의 소정 시간에 걸쳐 증착된 전하는 상기 컴프톤 및 광전자 소스 물질(20)의 층에 입사하는 감마 방사선의 에너지에 비례하고 그리고 상기 감마 방사선의 에너지와 상기 감마 방사선의 강도 모두를 나타내는 전기 출력을 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 방사선 검출기(22). - 제 1 항에 있어서,
상기 컴프톤 및 광전자 소스 물질(20)과 상기 쇼트키 접촉부(18) 사이의 간극에서 상기 유체(24)는 공기 또는 공기와 실질적으로 같거나 그보다 적은 유효 원자수와 전도도를 갖는 또 다른 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 고체 방사선 검출기(22). - 제 1 항에 있어서,
상기 유체(24)의 두께는 검출된 상기 방사선의 에너지에 대한 상기 검출기의 감도를 제어하는 것을 특징으로 하는 고체 방사선 검출기(22). - 제 9 항에 있어서,
상기 컴프톤 및 광전자 소스 물질(20)과 상기 쇼트키 접촉부(18) 사이의 간극에서 상기 유체(24)의 두께는 상기 검출기의 감도를 변경하도록 조절가능한 것을 특징으로 하는 고체 방사선 검출기(22).
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