RU137396U1

RU137396U1 - SEMICONDUCTOR DETECTOR FOR REGISTRATION OF RELATED CHARGED PARTICLES IN A NEUTRON GENERATOR WITH STATIC VACUUM

Info

Publication number: RU137396U1
Application number: RU2013128251/28U
Authority: RU
Inventors: Андрей Викторович Кузнецов; Олег Игоревич Осетров; Игорь Юрьевич Горшков
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "АПСТЕК Рашен Девелопмент"
Priority date: 2013-06-19
Filing date: 2013-06-19
Publication date: 2014-02-10

Abstract

Полупроводниковый детектор для регистрации сопутствующих нейтронам заряженных частиц в нейтронном генераторе со статическим вакуумом, включающий полупроводниковый регистрирующий элемент, размещенный в диэлектрическом корпусе, закрытый как со стороны потока заряженных частиц, так и с противоположной стороны слоями металла, электрически соединенными с токоотводами, при этом диэлектрический корпус выполнен из вакуум-плотного материала с газовой десорбционной способностью не более 5-10мбар·см·с, отличающийся тем, что регистрирующий элемент выполнен в виде гетероструктуры, включающей подложку из карбида кремния типа n6H-SiC, на которой выращен эпитаксиальный слой карбида кремния типа n-6H-SiC, снабженный с противоположной подложке стороны выпрямляющим слоем в виде барьера Шоттки.A semiconductor detector for detecting charged particles associated with neutrons in a neutron generator with a static vacuum, including a semiconductor recording element placed in a dielectric housing, closed both from the side of the charged particle stream and from the opposite side by metal layers electrically connected to the collectors, while the dielectric case made of a vacuum-tight material with a gas desorption capacity of not more than 5-10 mbar · cm · s, characterized in that the recording electron The element is made in the form of a heterostructure including an n6H-SiC type silicon carbide substrate on which an n-6H-SiC type silicon carbide epitaxial layer is grown, equipped with a straightening layer in the form of a Schottky barrier on the opposite side substrate.

Description

Полезная модель относится к области ядерной физики и может быть использована для регистрации сопутствующих нейтронам заряженных частиц в нейтронном генераторе малого диаметра со статическим (неоткачиваемым) вакуумом.The utility model relates to the field of nuclear physics and can be used to register charged particles accompanying neutrons in a small-diameter neutron generator with a static (non-pumped) vacuum.

Устройство предназначено для использования в приборах для неразрушающего анализа вещества методом меченых нейтронов. Здесь в качестве источника нейтронов используется нейтронный генератор с нейтронами энергией 14 Мэв. Для генерации нейтронов в этом случае используется D-T реакция (₁H²+₁H³→₂He⁴+₀n¹), в результате которой образуются альфа-частица с энергией 3.5 МэВ и нейтрон с энергией 14 Мэв. Вылет нейтрона и альфа-частицы происходит в субпротивоположных направлениях. Таким образом, если разместить рядом с источником нейтронов детектор альфа-частиц, то регистрация им альфа-частицы будет свидетельствовать о том, что в противоположном направлении вылетел быстрый нейтрон. Такие устройства находят применение в приборах для неразрушающего анализа вещества, в частности, в приборах для каротажа нефтегазовых скважин.The device is intended for use in devices for non-destructive analysis of substances by the method of labeled neutrons. Here, a neutron generator with 14 MeV neutrons is used as a neutron source. To generate neutrons used in this case DT reaction ₍₁ H + ₁ ² H ₂ ³ → ⁴ He + n ₀ ^1), which resulted in the formation of alpha-particle with 3.5 MeV neutrons and 14 MeV. The emission of a neutron and an alpha particle occurs in opposite directions. Thus, if an alpha particle detector is placed next to a neutron source, its registration of an alpha particle will indicate that a fast neutron has flown in the opposite direction. Such devices are used in instruments for non-destructive analysis of substances, in particular, in instruments for logging oil and gas wells.

В процессе работы мишень нейтронного генератора испускает световое излучение, электронное излучение, ионы дейтерия и трития, образующиеся в процессе рассеяния падающего пучка в мишени, гамма-излучение и нейтронное излучение с энергией 14 МэВ, на фоне этих излучений необходимо с высокой эффективностью регистрировать сопутствующие нейтронам альфа-частицы.During operation, the target of a neutron generator emits light radiation, electron radiation, deuterium and tritium ions generated during the scattering of the incident beam in the target, gamma radiation and neutron radiation with an energy of 14 MeV, against the background of these emissions it is necessary to detect alpha associated with neutrons with high efficiency particles.

Процесс получения статического вакуума перед проведением герметизации вакуумного объема также требует высокотемпературного удаления газов, связанного с нагревом всей конструкции при непрерывном откачивании вакуумного объема вместе с размещенным в нем детектором сопутствующих частиц.The process of obtaining a static vacuum before sealing the vacuum volume also requires high-temperature gas removal associated with the heating of the entire structure while continuously evacuating the vacuum volume together with the associated particles detector.

Известен полупроводниковый детектор для регистрации сопутствующих нейтронам заряженных частиц в нейтронном генераторе со статическим вакуумом, включающий полупроводниковый регистрирующий элемент, размещенный в диэлектрическом корпусе, закрытый как со стороны потока заряженных частиц, так и с противоположной стороны слоями металла, электрически соединенными с токоотводами; токоотвод со стороны потока заряженных частиц выполнен в виде жесткой прижимной металлической пластины с отверстием напротив чувствительной зоны полупроводникового регистрирующего элемента, прикрепленной к диэлектрическому корпусу, а токоотвод с противоположной стороны выполнен в виде жесткой металлической пластины, поджатой пружинным элементом к полупроводниковому регистрирующему элементу, при этом диэлектрический корпус выполнен из вакуум-плотного материала с газовой десорбционной способностью не более 5·10^-8 мбар·см^-2·c^-1, RU 2247411 C1.A semiconductor detector is known for detecting charged particles associated with neutrons in a neutron generator with a static vacuum, including a semiconductor recording element located in a dielectric housing, closed both from the side of the charged particle stream and from the opposite side by metal layers electrically connected to the collectors; the collector from the side of the flow of charged particles is made in the form of a rigid clamping metal plate with an opening opposite the sensitive zone of the semiconductor recording element attached to the dielectric housing, and the collector from the opposite side is made in the form of a rigid metal plate, pressed by the spring element to the semiconductor recording element, while the dielectric the casing is made of a vacuum-tight material with a gas desorption capacity of not more than 5 · 10 ^-8 mbar · cm ^-2 · s ^-1 , RU 224 7411 C1.

Данное техническое решение принято в качестве прототипа настоящей полезной модели.This technical solution was made as a prototype of this utility model.

Недостатком прототипа является относительно невысокая радиационная стойкость, составляющая

. Это не позволяет разместить детектор на близком (менее 60 мм) расстоянии от мишени нейтронного генератора, так как в этом случае ресурс работы детектора резко сокращается под воздействием нейтронного потока генератора и становится меньше стандартного ресурса нейтронного генератора, составляющего 1000 часов при интенсивности нейтронного потока

. Однако в условиях ограниченного пространства, в частности, внутри обсадной трубы нефтегазовой скважины, расстояние детектора от мишени генератора, как правило, не должно превышать 15-20 мм. Вследствие этого детектор должен обладать высокой радиационной стойкостью - не менее

.The disadvantage of the prototype is the relatively low radiation resistance, component

. This does not allow the detector to be placed at a close (less than 60 mm) distance from the target of the neutron generator, since in this case the detector’s operating life is sharply reduced by the neutron flux of the generator and becomes less than the standard neutron generator resource of 1000 hours at the neutron flux intensity

. However, in conditions of limited space, in particular, inside the casing of an oil and gas well, the detector distance from the generator target, as a rule, should not exceed 15-20 mm. As a result, the detector must have high radiation resistance - not less than

.

Кроме того, недостатком прототипа является ухудшение качества его работы (эффективности регистрации сопутствующих нейтронам заряженных частиц), обусловленное увеличением относительного уровня шумов (FWHM) с ростом температуры детектора при его нагревании (до 200°C) в ограниченном пространстве нефтегазовой скважины.In addition, the disadvantage of the prototype is the deterioration in the quality of its work (detection efficiency of charged particles associated with neutrons) due to an increase in the relative noise level (FWHM) with an increase in the temperature of the detector when it is heated (up to 200 ° C) in a limited space of an oil and gas well.

Задачей настоящей полезной модели является повышение радиационной стойкости полупроводникового детектора и эффективности регистрации сопутствующих нейтронам заряженных частиц.The objective of this utility model is to increase the radiation resistance of a semiconductor detector and the efficiency of registration of charged particles associated with neutrons.

Согласно полезной модели в полупроводниковом детекторе для регистрации сопутствующих нейтронам заряженных частиц в нейтронном генераторе со статическим вакуумом, включающем полупроводниковый регистрирующий элемент, размещенный в диэлектрическом корпусе, закрытый как со стороны потока заряженных частиц, так и с противоположной стороны слоями металла, электрически соединенными с токоотводами, при этом диэлектрический корпус выполнен из вакуум-плотного материала с газовой десорбционной способностью не более 5·10^-8 мбар·см^-2·с^-1, регистрирующий элемент выполнен в виде гетероструктуры, включающей подложку из карбида кремния типа n⁺6H-SiC, на которой выращен эпитаксиальный слой карбида кремния типа n-6H-SiC, снабженный с противоположной подложке стороны выпрямляющим слоем в виде барьера Шоттки.According to a utility model in a semiconductor detector for detecting charged particles associated with neutrons in a neutron generator with a static vacuum, including a semiconductor recording element placed in a dielectric housing, closed both from the side of the charged particle stream and from the opposite side by metal layers electrically connected to current collectors, the dielectric body is made of a vacuum-tight material with a gas desorption capacity of not more than 5 · 10 ^-8 mbar · cm ^-2 · s ^-1 , reg The stripping element is made in the form of a heterostructure, including an n ⁺ 6H-SiC type silicon carbide substrate on which an n-6H-SiC type silicon carbide epitaxial layer is grown, provided with a rectifying layer in the form of a Schottky barrier on the opposite side substrate.

Заявителем не выявлены какие-либо технические решения, идентичные заявленному, что позволяет сделать вывод о соответствии полезной модели условию патентоспособности «Новизна».The applicant has not identified any technical solutions identical to the claimed one, which allows us to conclude that the utility model meets the patentability condition “Novelty”.

Благодаря реализации отличительных признаков настоящей полезной модели достигается технический результат, состоящий в значительном, более чем в 10 раз, повышении радиационной стойкости детектора. Указанное обстоятельство обусловливает практически весьма важное новое свойство объекта - возможность размещения его в ограниченном пространстве. Кроме того в отличие от известного технического решения относительный уровень шумов не только не увеличивается с ростом температуры детектора, но, напротив, уменьшается, что явилось довольно неожиданным результатом реализации отличительных признаков полезной модели.Thanks to the implementation of the distinguishing features of this utility model, a technical result is achieved consisting in a significant, more than 10-fold increase in the radiation resistance of the detector. This circumstance determines an almost very important new property of the object - the possibility of placing it in a limited space. In addition, in contrast to the known technical solution, the relative noise level not only does not increase with increasing detector temperature, but, on the contrary, decreases, which was a rather unexpected result of the implementation of the distinguishing features of the utility model.

Сущность полезной модели поясняется чертежом, где на фиг.1 схематически изображен детектор в продольном разрезе, на фиг.2 - график зависимости относительного уровня шумов (FWHM) от температуры детектора.The essence of the utility model is illustrated by the drawing, where Fig. 1 schematically shows a detector in longitudinal section, Fig. 2 is a graph of the relative noise level (FWHM) versus detector temperature.

Полупроводниковый детектор для регистрации сопутствующих нейтронам заряженных частиц в нейтронном генераторе со статическим вакуумом включает полупроводниковый регистрирующий элемент размещенный в диэлектрическом корпусе, который состоит из двух частей 1 и 2. В конкретном примере части 1, 2 корпуса выполнены из вакуум-плотной керамики XC-22 (Швеция). Материал диэлектрического корпуса должен обладать газовой десорбционной способностью не более 5·10^-8 мбар·см^-2·с^-1. В ином случае в нейтронном генераторе нарушается статический (неоткачиваемый) вакуум в связи с избыточным газовыделением материала корпуса, что приводит к преждевременной потере работоспособности нейтронного генератора.A semiconductor detector for detecting charged particles associated with neutrons in a neutron generator with a static vacuum includes a semiconductor recording element located in a dielectric housing, which consists of two parts 1 and 2. In a specific example, parts 1, 2 of the case are made of vacuum-tight ceramic XC-22 ( Sweden). The material of the dielectric body should have a gas desorption capacity of not more than 5 · 10 ^-8 mbar · cm ^-2 · s ^-1 . Otherwise, a static (non-pumped) vacuum is violated in the neutron generator due to excessive gas evolution of the case material, which leads to premature loss of operability of the neutron generator.

Полупроводниковый регистрирующий элемент выполнен в виде гетероструктуры, включающей подложку 3 из карбида кремния типа n⁺6H-SiC, на которой выращен эпитаксиальный слой 4 карбида кремния типа n-6H-SiC, который с противоположной подложке стороны снабжен выпрямляющим слоем 5 в виде барьера Шоттки. Регистрирующий элемент закрыт со стороны потока заряженных частиц слоем 6, а с противоположной стороны - слоем 7 металла (алюминия). Слои 6 и 7 выполняют функцию электрических контактов и соединены с токоотводами (на чертеже не показаны).The semiconductor recording element is made in the form of a heterostructure, including an n ⁺ 6H-SiC type silicon substrate 3, on which an n-6H-SiC type silicon carbide epitaxial layer 4 is grown, which is provided with a rectifying layer 5 in the form of a Schottky barrier on the opposite side substrate. The recording element is closed on the side of the flow of charged particles by a layer 6, and on the opposite side by a layer 7 of metal (aluminum). Layers 6 and 7 act as electrical contacts and are connected to down conductors (not shown in the drawing).

Устройство работает следующим образом. Нейтронный генератор со встроенным полупроводниковым детектором размещают в скважинном каротажном приборе, в данном примере, типа MSI C/O, который погружают в обсадную колонну скважины. Мишень нейтронного генератора излучает нейтроны и сопутствующие им α-частицы, вылетающие в противоположном нейтронам направлении, α-частицы попадают на регистрирующий элемент (гетероструктуру) и создают электрический ток между контактными слоями 6 и 7. Указанные электрические сигналы усиливаются и регистрируются наносекундными регистрирующими приборами. Регистрируемый поток α-частиц соответствует направленному зондирующему пучку нейтронов, проходящих через обсадную колонну и попадающих в исследуемую породу. Благодаря направленности зондирующего пучка нейтронов повышается достоверность каротажа породы. При этом весьма важно, что при повышении температуры полупроводникового детектора относительный уровень шумов падает. Сравнительные испытания детектора проведены ООО «Научно-технический центр прикладной физики», Санкт-Петербург. Результаты испытаний отражены графиком, приведенным на фиг.2.The device operates as follows. A neutron generator with an integrated semiconductor detector is placed in a downhole logging tool, in this example, type MSI C / O, which is immersed in a well casing. The target of a neutron generator emits neutrons and their accompanying α-particles flying in the opposite direction to the neutrons, α-particles fall on the recording element (heterostructure) and create an electric current between the contact layers 6 and 7. These electrical signals are amplified and recorded by nanosecond recording devices. The recorded flux of α particles corresponds to a directed probing neutron beam passing through the casing and entering the rock under study. Due to the directivity of the probe neutron beam, the reliability of rock logging increases. Moreover, it is very important that with increasing temperature of the semiconductor detector, the relative noise level decreases. Comparative tests of the detector were carried out by LLC Scientific and Technical Center for Applied Physics, St. Petersburg. The test results are reflected in the graph shown in figure 2.

Для изготовления устройства использованы обычные конструкционные материалы и заводское оборудование. Это обстоятельство, по мнению заявителя, позволяет сделать вывод о том, что данная полезная модель соответствует условию патентоспособности «Промышленная применимость».For the manufacture of the device used conventional structural materials and factory equipment. This circumstance, according to the applicant, allows us to conclude that this utility model meets the patentability condition “Industrial Applicability”.

Claims

A semiconductor detector for detecting charged particles associated with neutrons in a neutron generator with a static vacuum, including a semiconductor recording element placed in a dielectric housing, closed both from the side of the charged particle stream and from the opposite side by metal layers electrically connected to the collectors, while the dielectric case It is made of a vacuum tight material with a gas desorption ability to not more than 5-10 ^-8 mbar · cm ^-2 · s ^-1, characterized in that one measures conductive element formed as a heterostructure comprising a substrate of silicon carbide type n ⁺ 6H-SiC, on which is grown an epitaxial layer of silicon carbide-type n-6H-SiC, provided on the opposite side of the substrate layer in a rectifying Schottky barrier.