RU2339975C1 - Method of measuring fluence of high-speed neutrons using semiconductor detector - Google Patents
Method of measuring fluence of high-speed neutrons using semiconductor detector Download PDFInfo
- Publication number
- RU2339975C1 RU2339975C1 RU2007125306/28A RU2007125306A RU2339975C1 RU 2339975 C1 RU2339975 C1 RU 2339975C1 RU 2007125306/28 A RU2007125306/28 A RU 2007125306/28A RU 2007125306 A RU2007125306 A RU 2007125306A RU 2339975 C1 RU2339975 C1 RU 2339975C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- fluence
- detector
- measured
- irradiation
- neutrons
- Prior art date
Links
Landscapes
- Measurement Of Radiation (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области радиационных технологий, а также к эксплуатации ядерных установок и ускорителей.The invention relates to the field of radiation technology, as well as to the operation of nuclear installations and accelerators.
Принцип действия полупроводниковых детекторов основан на изменении электрофизических свойств полупроводников под действием излучения. Взаимодействие излучения с полупроводником сопровождается образованием в его кристаллической решетке разного рода структурных нарушений. Это приводит к появлению в запрещенной зоне локальных энергетических уровней и изменению таких параметров полупроводника, как концентрация носителей заряда, фоточувствительность, подвижность, время жизни носителей, оптическое поглощение и т.п. Особенно чувствительны полупроводники к воздействию быстрыми нейтронами, которые создают в кристалле наиболее существенные и устойчивые дефекты структуры решетки. Это свойство полупроводников используют для измерения флюенса быстрых нейтронов.The principle of operation of semiconductor detectors is based on a change in the electrophysical properties of semiconductors under the influence of radiation. The interaction of radiation with a semiconductor is accompanied by the formation of various kinds of structural disturbances in its crystal lattice. This leads to the appearance of local energy levels in the forbidden zone and a change in such parameters of the semiconductor as carrier concentration, photosensitivity, mobility, carrier lifetime, optical absorption, etc. Semiconductors are especially sensitive to the effects of fast neutrons, which create the most significant and stable lattice structure defects in a crystal. This property of semiconductors is used to measure fast neutron fluence.
Известен способ измерения флюенса быстрых нейтронов полупроводниковым детектором, основанный на зависимости тока короткого замыкания диода от флюенса быстрых нейтронов (Крамер-Агеев Е.А., Пархомов А.Г. Применение полупроводниковых детекторов для дозиметрии в интенсивных гамма-нейтронных полях. - ПТЭ, 1976, №3, с.56-57).A known method of measuring the fluence of fast neutrons with a semiconductor detector, based on the dependence of the short circuit current of the diode on the fluence of fast neutrons (Kramer-Ageev EA, Parkhomov AG The use of semiconductor detectors for dosimetry in intense gamma-neutron fields. - PTE, 1976 No. 3, pp. 56-57).
Известен также способ измерения флюенса быстрых нейтронов полупроводниковым детектором, основанный на изменении падения напряжения на прямой ветви вольт-амперной характеристики диода под действием быстрых нейтронов (Крамер-Агеев Е.А., Миронов Ю.А., Синицын А.Д., Трошин B.C. Нейтронные аварийные дозиметры на основе кремниевых промышленных полупроводниковых диодов. «Вопросы дозиметрии и защиты от излучений», Москва, №19, 1980, с.61-66).There is also a method of measuring the fluence of fast neutrons with a semiconductor detector, based on the change in the voltage drop on the straight branch of the current-voltage characteristic of the diode under the action of fast neutrons (Kramer-Ageev EA, Mironov Yu.A., Sinitsyn AD, Troshin BC Emergency neutron dosimeters based on silicon industrial semiconductor diodes. "Questions of dosimetry and radiation protection", Moscow, No. 19, 1980, pp. 61-66).
Наиболее близким к заявляемому является способ измерения флюенса быстрых нейтронов полупроводниковым детектором, включающий в себя калибровку детектора, измерение электрофизических параметров детектора до и после облучения, облучение неизвестным флюенсом быстрых нейтронов (А.С. №934402, опубл. 07.06.82, БИ №21). При этом в качестве электрофизического параметра используют электрическое сопротивление между первой и второй базами в однопереходном транзисторе, иначе называемым двухбазовым диодом, КТ117. Формула, связывающая флюенс быстрых нейтронов с изменением межбазового сопротивления, имеет видClosest to the claimed is a method of measuring the fluence of fast neutrons with a semiconductor detector, which includes calibrating the detector, measuring the electrophysical parameters of the detector before and after irradiation, irradiating with an unknown fluence of fast neutrons (AS No. 934402, publ. 07.06.82, BI No. 21 ) In this case, an electrical resistance between the first and second bases in a single-junction transistor, otherwise called a two-base diode, KT117, is used as an electrophysical parameter. The formula connecting the fast neutron fluence with the change in interbase resistance has the form
где К - коэффициент пропорциональности, который определяют при калибровке каждого конкретного детектора, R0, R - межбазовое сопротивление КТ117 соответственно до и после облучения, F - флюенс быстрых нейтронов.where K is the coefficient of proportionality, which is determined during the calibration of each specific detector, R 0 , R are the interbase resistance of KT117, respectively, before and after irradiation, F is the fluence of fast neutrons.
Основной недостаток всех указанных способов связан со значительным разбросом исходных параметров даже у однотипных приборов серийного выпуска. Поэтому каждый такой прибор требует индивидуальной калибровки, после которой восстановление исходных параметров при высокотемпературном отжиге часто невозможно из-за разрушения внутренней структуры приборов. Например, межбазовое сопротивление КТ117 зависит не только от удельного электрического сопротивления кремния на этом участке, но и от геометрии этого участка и электрических контактов баз. Все это меняется от прибора к прибору.The main disadvantage of all these methods is associated with a significant dispersion of the initial parameters, even for the same type of serial production devices. Therefore, each such device requires individual calibration, after which the restoration of the initial parameters during high-temperature annealing is often impossible due to the destruction of the internal structure of the devices. For example, the interbase resistance of KT117 depends not only on the electrical resistivity of silicon in this section, but also on the geometry of this section and the electrical contacts of the bases. All this changes from device to device.
Техническим результатом изобретения является: 1) использование в качестве детектора простейшего полупроводника без p-n переходов - монокристаллического кремния, 2) широкий диапазон измеряемого флюенса быстрых нейтронов (1010-1018 см-2), 3) одна исходная для данного спектра нейтронов калибровка детектора с любым исходным удельным электрическим сопротивлением, при этом калибровка не меняется при использовании детекторов с любым другим удельным электрическим сопротивлением.The technical result of the invention is: 1) using a simple semiconductor without pn junctions — monocrystalline silicon as a detector, 2) a wide range of measured fast neutron fluence (10 10 -10 18 cm -2 ), 3) one initial calibration of the detector for this neutron spectrum with any initial specific electrical resistance, while the calibration does not change when using detectors with any other specific electrical resistance.
Это достигается тем, что в известном способе измерения флюенса быстрых нейтронов полупроводниковым детектором, включающем калибровку детектора, измерение электрофизических параметров детектора до и после облучения, облучение неизвестным флюенсом быстрых нейтронов, согласно изобретению до и после облучения измеряют удельное электрическое сопротивление монокристаллического кремния, а флюенс быстрых нейтронов определяют по изменению удельной электрической проводимости в монокристаллическом кремнии за счет образования в нем радиационных дефектов от быстрых нейтронов, причем флюенс быстрых нейтронов вычисляют по формуле:This is achieved by the fact that in the known method for measuring the fast neutron fluence with a semiconductor detector, which includes calibrating the detector, measuring the electrophysical parameters of the detector before and after irradiation, irradiating the unknown fast neutron fluence according to the invention, the electrical resistivity of monocrystalline silicon is measured before and after the irradiation, and the fast fluence neutrons are determined by the change in electrical conductivity in single-crystal silicon due to the formation of radiation in it onnyh defects from fast neutrons, the fast neutron fluence is calculated by the formula:
где К - коэффициент пропорциональности, который постоянен для измеряемого спектра нейтронов и не зависит от исходного удельного электрического сопротивления, коэффициент К определяют при калибровке детекторов, ρ0 - исходное удельное электрическое сопротивление, которое измеряют перед облучением детектора, ρ - конечное удельное электрическое сопротивление, которое измеряют после облучения детектора флюенсом F быстрых нейтронов.where K is the proportionality coefficient, which is constant for the measured neutron spectrum and does not depend on the initial specific electrical resistance, the coefficient K is determined during the calibration of the detectors, ρ 0 is the initial electrical resistivity, which is measured before the detector is irradiated, ρ is the final electrical resistivity, which measured after irradiation of the detector with fast neutron fluence F.
Суть изобретения заключается в том, что в предлагаемом способе измеряют удельное электрическое сопротивление в монокристаллическом кремнии до и после его облучения, при этом между изменением проводимости (1/ρ0-1/ρ) и флюенсом нейтронов F существует линейная связь, причем коэффициент пропорциональности К один и тот же для любого исходного сопротивления ρ0. Это, во-первых, снижает трудоемкость калибровки детекторов для каждого конкретного спектра нейтронов, во-вторых, уменьшает погрешность измерений, в-третьих, позволяет измерять широкий диапазон флюенса быстрых нейтронов, от 1010 до 1018 см-2, соответствующим выбором исходного сопротивления монокристаллического кремния.The essence of the invention lies in the fact that in the proposed method, the electrical resistivity in monocrystalline silicon is measured before and after its irradiation, while there is a linear relationship between the change in conductivity (1 / ρ 0 -1 / ρ) and the neutron fluence F, and the proportionality coefficient K the same for any initial resistance ρ 0 . This, firstly, reduces the complexity of calibrating detectors for each specific neutron spectrum, secondly, reduces the measurement error, thirdly, allows you to measure a wide range of fast neutron fluence, from 10 10 to 10 18 cm -2 , the appropriate choice of the initial resistance monocrystalline silicon.
Возможность осуществления способа подтверждается следующими экспериментами, проведенными на исследовательском ядерном реакторе типа ИРТ-Т мощностью 6 МВт в г.Томске. Эксперименты проводились с помощью существующей с 1984 года технологии нейтронно-трансмутационного легирования кремния, базирующейся на горизонтальном экспериментальном канале ГЭК-4. Имеется печь отжига радиационных дефектов типа СУЗН1.6, установки для измерения удельного электрического сопротивления 4-зондовым методом, времени жизни неосновных носителей заряда, типа проводимости, станки для резки и шлифовки слитков, химический участок подготовки кремния к облучению и его дезактивации. С помощью этой технологии были заготовлены шайбы монокристаллического кремния с удельным электрическим сопротивлением от 1,5 Ом·см до 20 кОм·см. Измерения удельного электрического сопротивления проводились 4-зондовым методом по 15 точкам. Погрешность измерения среднего по торцу шайбы удельного сопротивления не превышала 2%. Измерения сопротивлений проводились до и после облучения. При необходимости, облученные шайбы возвращались к исходному сопротивлению путем отжига радиационных дефектов при температуре 800°С в течение 2 часов. Контроль за флюенсом быстрых нейтронов осуществляли с помощью порогового серного активационного детектора, показывающего интегральную плотность потока нейтронов с энергией выше 3 МэВ. Облучение шайб проводили в двух горизонтальных экспериментальных каналах, ГЭК-4 и ГЭК-10. В Гэк-4 шайбы облучали в самом экспериментальном канале, а в ГЭК-10 - за пределами канала, на выведенном пучке нейтронов. Предварительно в этих каналах по методике, рекомендованной Всероссийским научно-исследовательским институтом физико-технических и радиационных измерений, измеряли спектр нейтронов, представленный в таблице 1. Дефектообразование в кремнии становится заметным уже при энергии 10 кэВ. Поэтому интегральные потоки нейтронов свыше 3 МэВ (показания серных активационных детекторов) пересчитывались в интегральные потоки нейтронов с энергией свыше 10 кэВ в соответствии со спектрами нейтронов в каналах ГЭК-4 и ГЭК-10. Так, в ГЭК-4 доля нейтронов с энергией больше 10 кэВ составляет 0,506, а с энергией свыше 3 МэВ - 0,0329, поэтому коэффициент пересчета равен 0,506/0,0329=15,38. Для ГЭК-10 аналогичный коэффициент пересчета равен 0,551/0,0557=9,89. В таблице 2 приведены результаты эксперимента в ГЭК-4, а в таблице 3 - в ГЭК-10. Для канала ГЭК-4 коэффициент пропорциональности равен 1,403·1016 Ом·см-1, а для канала ГЭК-10 - 9,828·1015 Ом·см-1.The possibility of implementing the method is confirmed by the following experiments conducted on a research reactor of the IRT-T type with a capacity of 6 MW in Tomsk. The experiments were carried out using the neutron-transmutation technology of silicon existing since 1984, based on the horizontal experimental channel HES-4. There is an annealing furnace for radiation defects of the SUZN1.6 type, installations for measuring the electrical resistivity by the 4-probe method, lifetime of minority charge carriers, such as conductivity, machines for cutting and grinding ingots, a chemical site for preparing silicon for irradiation and its deactivation. Using this technology, single-crystal silicon washers were prepared with a specific electrical resistance of 1.5 Ohm · cm to 20 kOhm · cm. The electrical resistivity was measured using a 4-probe method using 15 points. The error in measuring the average resistivity at the end of the washer did not exceed 2%. Resistance measurements were performed before and after irradiation. If necessary, the irradiated washers returned to their original resistance by annealing radiation defects at a temperature of 800 ° C for 2 hours. The fast neutron fluence was monitored using a threshold sulfur activation detector showing the integral density of a neutron flux with an energy above 3 MeV. Washers were irradiated in two horizontal experimental channels, HES-4 and HES-10. In Gack-4, the washers were irradiated in the experimental channel itself, and in GEC-10 - outside the channel, on the extracted neutron beam. Preliminarily, in these channels, according to the method recommended by the All-Russian Research Institute of Physicotechnical and Radiation Measurements, the neutron spectrum, shown in Table 1, was measured. Defect formation in silicon becomes noticeable even at an energy of 10 keV. Therefore, the integral neutron fluxes above 3 MeV (readings of sulfur activation detectors) were converted into the integrated neutron fluxes with energies above 10 keV in accordance with the neutron spectra in the GEC-4 and GEC-10 channels. So, in GES-4, the proportion of neutrons with an energy of more than 10 keV is 0.506, and with an energy of more than 3 MeV - 0.0329, so the conversion factor is 0.506 / 0.0329 = 15.38. For GES-10, a similar conversion factor is 0.551 / 0.0557 = 9.89. Table 2 shows the results of the experiment in HES-4, and in table 3 - in HES-10. For the GEK-4 channel, the proportionality coefficient is 1.403 · 10 16 Ohm · cm -1 , and for the GEK-10 channel it is 9.828 · 10 15 Ohm · cm -1 .
В таблицах 2 и 3 представлены также погрешности определения флюенса быстрых нейтронов в соответствии с формулой:Tables 2 and 3 also show the errors in determining the fast neutron fluence in accordance with the formula:
где Fs - флюенс быстрых нейтронов, полученный в эксперименте по показаниям серного активационного детектора и пересчитанный на диапазон энергий 10 кэВ - 19 МэВ в соответствии со спектром нейтронов в канале реактора, где облучался детектор; Fдет - флюенс быстрых нейтронов, полученный в соответствии с формулой (2) по изменению удельного сопротивления и по средним значениям коэффициентов К.where Fs is the fast neutron fluence obtained in the experiment according to the readings of the sulfur activation detector and recalculated to the energy range 10 keV - 19 MeV in accordance with the neutron spectrum in the reactor channel where the detector was irradiated; Fde is the fast neutron fluence obtained in accordance with formula (2) from the change in resistivity and from the average values of the coefficients K.
Положительный результат заключается в том, что при известном спектре нейтронов монокристаллический кремний без p-n-переходов можно с хорошей точностью использовать в качестве детектора быстрых нейтронов. Калибровку детектора можно осуществить даже в одном единственном облучении шайбы кремния с любым исходным удельным сопротивлением. При этом калибровка остается той же самой и для кремния с любым другим исходным удельным сопротивлением. Если же спектр нейтронов не известен, то флюенс нейтронов получают не в абсолютных значениях, а в относительных. Кроме того, каждый монокристалл можно использовать многократно, либо отжигая радиационные дефекты для перевода удельного сопротивления в исходное значение, либо облучая ранее облученную шайбу, принимая за исходное сопротивление то, которое имел облученный монокристалл перед следующим облучением.A positive result is that, with the known neutron spectrum, single-crystal silicon without p-n junctions can be used with good accuracy as a fast neutron detector. Calibration of the detector can be carried out even in one single irradiation of the silicon washer with any initial specific resistance. In this case, the calibration remains the same for silicon with any other initial specific resistivity. If the neutron spectrum is not known, then the neutron fluence is obtained not in absolute values, but in relative values. In addition, each single crystal can be used repeatedly, either by annealing radiation defects to convert the resistivity to its original value, or by irradiating a previously irradiated washer, taking as the initial resistance that which the irradiated single crystal had before the next irradiation.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2007125306/28A RU2339975C1 (en) | 2007-07-04 | 2007-07-04 | Method of measuring fluence of high-speed neutrons using semiconductor detector |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2007125306/28A RU2339975C1 (en) | 2007-07-04 | 2007-07-04 | Method of measuring fluence of high-speed neutrons using semiconductor detector |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2339975C1 true RU2339975C1 (en) | 2008-11-27 |
Family
ID=40193305
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2007125306/28A RU2339975C1 (en) | 2007-07-04 | 2007-07-04 | Method of measuring fluence of high-speed neutrons using semiconductor detector |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2339975C1 (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2447521C1 (en) * | 2010-10-04 | 2012-04-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский технологический институт имени А.П. Александрова" | Method for density control of nuclear reactor neutron flux |
| RU2472181C1 (en) * | 2011-07-13 | 2013-01-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" | Method of measuring fluence of slow neutrons using monocrystalline silicon |
| RU2523611C1 (en) * | 2013-03-15 | 2014-07-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" | Method of measuring fast neutron fluence with semiconductor monocrystalline detector |
| RU2553840C1 (en) * | 2014-02-05 | 2015-06-20 | Объединенный Институт Ядерных Исследований | Measurement of fast neutron fluence by semiconductor detector |
-
2007
- 2007-07-04 RU RU2007125306/28A patent/RU2339975C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2447521C1 (en) * | 2010-10-04 | 2012-04-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский технологический институт имени А.П. Александрова" | Method for density control of nuclear reactor neutron flux |
| RU2472181C1 (en) * | 2011-07-13 | 2013-01-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" | Method of measuring fluence of slow neutrons using monocrystalline silicon |
| RU2523611C1 (en) * | 2013-03-15 | 2014-07-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" | Method of measuring fast neutron fluence with semiconductor monocrystalline detector |
| RU2553840C1 (en) * | 2014-02-05 | 2015-06-20 | Объединенный Институт Ядерных Исследований | Measurement of fast neutron fluence by semiconductor detector |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Han et al. | The performance and long-term stability of silicon concentrator solar cells immersed in dielectric liquids | |
| Kuciauskas et al. | Recombination analysis in cadmium telluride photovoltaic solar cells with photoluminescence spectroscopy | |
| RU2339975C1 (en) | Method of measuring fluence of high-speed neutrons using semiconductor detector | |
| Berger et al. | Contactless electrical defect characterization in semiconductors by microwave detected photo induced current transient spectroscopy (MD‐PICTS) and microwave detected photoconductivity (MDP) | |
| Tobnaghi et al. | Experimental study of gamma radiation effects on the electrical characteristics of silicon solar cells | |
| Boucher et al. | Optical response of deep defects as revealed by transient photocapacitance and photocurrent spectroscopy in CdTe/CdS solar cells | |
| Bergren et al. | Electron transfer in hydrogenated nanocrystalline silicon observed by time-resolved terahertz spectroscopy | |
| Zuschlag et al. | Degradation and regeneration analysis in mc-Si | |
| Reese et al. | Surface passivation of CdTe single crystals | |
| Islam et al. | Carrier dynamics in the potential-induced degradation in single-crystalline silicon photovoltaic modules | |
| Peike et al. | Indoor vs. outdoor aging: polymer degradation in PV modules investigated by Raman spectroscopy | |
| Dlubek et al. | Vacancy defects in as‐grown and neutron irradiated GaP studied by positrons | |
| RU2379713C1 (en) | Method of measuring neutron fluence using detector made from single-crystalline silicon | |
| Tsai et al. | Combined electrical and optical characterisation of recombination mechanisms and minority carrier lifetime in solar cells | |
| Cui et al. | Analysis of the mechanisms of electron recombination in HgCdTe infrared photodiode | |
| Garcia-Linares et al. | Advances on multijunction solar cell characterization aimed at the optimization of real concentrator performance | |
| McClary et al. | Optoelectronic Characterization of Emerging Solar Absorber Cu 3 AsS 4 | |
| Meier et al. | Charge carrier dynamics of multiple-cation mixed-halide perovskite thin films | |
| RU2523611C1 (en) | Method of measuring fast neutron fluence with semiconductor monocrystalline detector | |
| Prządo et al. | The Influence of Metastabilities on the Luminescence in the Cu (In, Ga) Se _2 Solar Cells | |
| Markevich et al. | Recombination centers resulting from reactions of hydrogen and oxygen in n-type Czochralski silicon | |
| Pekárková | Optical methods for characterization of semiconductor radiation detectors | |
| Long | Drift Mobility Measurements and Electrical Characterization in Thin Film Cadmium Telluride Solar Cells | |
| Dubov et al. | PALS and FTIR study of proton irradiated Si upon ageing | |
| Lee et al. | Behavior of deep level defects on voltage-induced stress of Cu (In, Ga) Se2 solar cells |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20160705 |