RU2472181C1 - Method of measuring fluence of slow neutrons using monocrystalline silicon - Google Patents

Method of measuring fluence of slow neutrons using monocrystalline silicon Download PDF

Info

Publication number
RU2472181C1
RU2472181C1 RU2011129181/28A RU2011129181A RU2472181C1 RU 2472181 C1 RU2472181 C1 RU 2472181C1 RU 2011129181/28 A RU2011129181/28 A RU 2011129181/28A RU 2011129181 A RU2011129181 A RU 2011129181A RU 2472181 C1 RU2472181 C1 RU 2472181C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
silicon
cadmium
irradiation
fluence
screen
Prior art date
Application number
RU2011129181/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Валерий Александрович Варлачев
Евгений Геннадьевич Емец
Евгений Семенович Солодовников
Original Assignee
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" filed Critical Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет"
Priority to RU2011129181/28A priority Critical patent/RU2472181C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2472181C1 publication Critical patent/RU2472181C1/en

Links

Landscapes

  • Measurement Of Radiation (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: method involves measuring resistivity of monocrystalline silicon before and after irradiation, irradiation with an unknown neutron fluence, annealing radiation defects in silicon after each irradiation, wherein the silicon is irradiated in a cadmium screen with thickness of 0.5-1.5 mm and without a cadmium screen; cadmium ratio is calculated based on changes in specific conductance Rcd = (σ - σ0)/( σCd - σ0,cd), where σ0,cd, σ0 denote specific conductance before irradiation in the cadmium screen and without the cadmium screen, σcd, σ denote corresponding specific conductance of cadmium in the cadmium screen and without the cadmium screen after irradiation and annealing, and the absolute effective fluence of slow neutrons
Figure 00000020
is determined, where e, µp denote charge and mobility of electrons in silicon monocrystals, χt denotes the self-screening coefficient of slow neutrons in a silicon disc, Σt denotes the macroscopic reaction cross-section of radiation capture of slow neutrons of silicon-30, FCd is a compensation factor which takes into account absorption of epithermal neutrons in cadmium.
EFFECT: change in absolute values of fluence of slow neutrons without additional calibration, independence of measurement results from the neutron spectrum.

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.

Известны способы измерения флюенса тепловых нейтронов с помощью ионизационных камер и пропорциональных счетчиков [Ломакин С.С., Петров В.И., Самойлов П.С. Радиометрия нейтронов активационным методом. М.: Атомиздат, 1975, 208 с.]. Их достоинством является то, что информация о плотности потока нейтронов выводится непрерывно, что позволяет контролировать флюенс нейтронов непосредственно в процессе облучения. Их недостатки: а) значительное выгорание нейтроночувствительного элемента, которое зависит от спектра нейтронов; б) повышенные требования к термической и радиационной стойкости изоляторов; в) относительная сложность конструкции; г) необходимость калибровки этих детекторов для измерения абсолютных значений плотности потока (флюенса) тепловых нейтронов с помощью других, более универсальных методов, например активационных.Known methods for measuring the fluence of thermal neutrons using ionization chambers and proportional counters [Lomakin SS, Petrov VI, Samoilov PS Neutron radiometry by the activation method. M .: Atomizdat, 1975, 208 p.]. Their advantage is that information on the neutron flux density is continuously output, which allows you to control the neutron fluence directly during irradiation. Their disadvantages: a) significant burn-out of a neutron-sensitive element, which depends on the neutron spectrum; b) increased requirements for thermal and radiation resistance of insulators; c) the relative complexity of the design; d) the need to calibrate these detectors to measure the absolute values of the flux density (fluence) of thermal neutrons using other, more universal methods, for example, activation ones.

Известен также способ измерения флюенса нейтронов полупроводниковым детектором, включающий в себя калибровку детектора, измерение электрического сопротивления детектора до облучения, облучение неизвестным флюенсом нейтронов, измерение электрического сопротивления детектора после его облучения [а.с. №934402, опубликовано 07.06.82, БИ №21]. При этом в качестве детектора используют кремний n-типа. Основной недостаток этого способа 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. Кроме того, для измерения абсолютных значений плотности потока тепловых нейтронов также требуется их калибровка.There is also a method of measuring neutron fluence with a semiconductor detector, which includes calibrating the detector, measuring the electrical resistance of the detector before irradiation, irradiating with an unknown neutron fluence, measuring the electrical resistance of the detector after irradiation [a.c. No. 934402, published 07.06.82, BI No. 21]. In this case, n-type silicon is used as a detector. The main disadvantage of this method 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. In addition, to measure the absolute values of the flux density of thermal neutrons, their calibration is also required.

Среди всех известных методов наиболее универсальными, позволяющими определять плотность потока тепловых нейтронов как в относительных, так и в абсолютных единицах без дополнительной калибровки, являются активационные способы [Крамер-Агеев Е.А., Трошин В.С., Тихонов Е.Г. Активационные методы спектрометрии нейтронов. М.: Атомиздат, 1976, 232 с.]. Их часто используют для калибровки других, более простых, способов измерения флюенса нейтронов. Однако эти способы трудоемки и требуют специальной аппаратуры. Кроме того, при облучении образцов они не всегда могут быть использованы в качестве детекторов сопровождения по двум причинам. Во-первых, из-за того что активность детектора после облучения зависит не от флюенса в течение всего времени облучения, а лишь от флюенса за последнее время, равное 5-10 периодам полураспада. Во-вторых, не всегда возможно определить флюенс нейтронов при меняющемся за время облучения потоке нейтронов, например, за счет остановок реактора при длительном облучении. В меньшей степени это касается кобальтового детектора, который имеет большой период полураспада (5,28 года). Однако из-за длительного периода полураспада после облучения требуется его утилизация как радиоактивного материала.Among all the known methods, the most universal methods for determining the thermal neutron flux density in both relative and absolute units without additional calibration are activation methods [Kramer-Ageev EA, Troshin VS, Tikhonov EG Activation methods of neutron spectrometry. M .: Atomizdat, 1976, 232 p.]. They are often used to calibrate other, simpler methods of measuring neutron fluence. However, these methods are laborious and require special equipment. In addition, when samples are irradiated, they cannot always be used as tracking detectors for two reasons. Firstly, due to the fact that the activity of the detector after irradiation does not depend on the fluence during the entire exposure time, but only on the fluence in recent times, equal to 5-10 half-lives. Secondly, it is not always possible to determine the neutron fluence when the neutron flux changes during the irradiation, for example, due to reactor shutdowns during prolonged irradiation. To a lesser extent, this applies to a cobalt detector, which has a long half-life (5.28 years). However, due to the long half-life after irradiation, its disposal as a radioactive material is required.

Наиболее близким к заявляемому является способ измерения флюенса тепловых нейтронов монокристаллическим кремнием [RU №2379713, опубликован 10.01.2010, БИ №2], включающий измерение удельного электрического сопротивления (у.э.с.) монокристаллического кремния до и после облучения, облучение неизвестным флюенсом нейтронов, отжиг радиационных дефектов в кремнии после каждого облучения.Closest to the claimed is a method of measuring the fluence of thermal neutrons with monocrystalline silicon [RU No. 2379713, published January 10, 2010, BI No. 2], including measuring the electrical resistivity (USE) of monocrystalline silicon before and after irradiation, irradiation with an unknown fluence neutrons, annealing of radiation defects in silicon after each exposure.

При облучении кремния тепловыми нейтронами за счет (n, γ)-реакции образуется фосфорWhen silicon is irradiated with thermal neutrons, phosphorus is formed due to the (n, γ) reaction

Figure 00000001
Figure 00000001

При этом концентрация трансмутационных ядер фосфора Np пропорциональна флюенсу Ф тепловых нейтроновThe concentration of transmutation nuclei of phosphorus N p is proportional to the fluence f of thermal neutrons

Figure 00000002
Figure 00000002

где Σ - макроскопическое сечение реакции (1). Фосфор в монокристаллическом кремнии является донорной примесью, поэтому в кремнии n-типа он увеличивает проводимость (проводимость, по определению, является обратной величиной сопротивления), а в кремнии p-типа - уменьшает. В этом способе между изменением удельной электрической проводимости (у.э.п.) и флюенсом нейтронов существует линейная связь. При этом коэффициент пропорциональности один и тот же для любого исходного у.э.с. Отжиг кремния после облучения необходим для того, чтобы убрать радиационные дефекты, которые влияют на изменение у.э.п. Этим способом можно измерять флюенс тепловых нейтронов в широком диапазоне значений, от 1015 до 1018 см-2, а детекторы по этому способу можно использовать в качестве детекторов сопровождения при облучении образцов. Кроме того, физическая информация (у.э.с.), в отличие, например, от активационного метода, сохраняется бесконечно долго, что позволяет в любой момент времени перепроверить полученный результат измерения флюенса тепловых нейтронов. Недостатком этого способа является то, что для измерения абсолютных значений флюенса тепловых нейтронов требуется его калибровка с помощью других, более универсальных методов, например активационных.where Σ is the macroscopic cross section of reaction (1). Phosphorus in monocrystalline silicon is a donor impurity; therefore, in n-type silicon it increases conductivity (conductivity, by definition, is the inverse of resistance), and in p-type silicon it decreases. In this method, there is a linear relationship between the change in electrical conductivity (usp) and the neutron fluence. Moreover, the coefficient of proportionality is the same for any initial c.u.s. Annealing of silicon after irradiation is necessary in order to remove radiation defects that affect the change in the energy factor In this way, the flux of thermal neutrons can be measured in a wide range of values, from 10 15 to 10 18 cm -2 , and detectors using this method can be used as tracking detectors during irradiation of samples. In addition, physical information (c.u.s.), unlike, for example, the activation method, is stored indefinitely, which allows one to double-check the obtained measurement result of thermal neutron fluence at any time. The disadvantage of this method is that to measure the absolute values of the thermal neutron fluence, it needs to be calibrated using other, more universal methods, for example, activation ones.

Техническим результатом изобретения является: 1) использование монокристаллического кремния для измерения абсолютных значений флюенса тепловых нейтронов без всякой дополнительной калибровки; 2) независимость результатов измерений от спектра нейтронов. При этом сохраняются все достоинства прототипа.The technical result of the invention is: 1) the use of single-crystal silicon for measuring the absolute values of the flux of thermal neutrons without any additional calibration; 2) the independence of the measurement results from the neutron spectrum. At the same time, all the advantages of the prototype are preserved.

Это достигается тем, что в известном способе измерения флюенса тепловых нейтронов монокристаллическим кремнием, включающем измерение удельного электрического сопротивления монокристаллического кремния до и после облучения, облучение неизвестным флюенсом нейтронов, отжиг радиационных дефектов в кремнии после каждого облучения, отличающемся тем, что облучение кремния проводят в кадмиевом экране толщиной 0,5-1,5 мм и без кадмиевого экрана, вычисляют кадмиевое отношение по изменениям удельных электрических проводимостейThis is achieved by the fact that in the known method for measuring the thermal neutron fluence with monocrystalline silicon, including measuring the electrical resistivity of single crystal silicon before and after irradiation, irradiating with an unknown neutron fluence, annealing radiation defects in silicon after each irradiation, characterized in that the irradiation of silicon is carried out in cadmium screen thickness of 0.5-1.5 mm and without a cadmium screen, calculate the cadmium ratio for changes in specific electrical conductivities

Figure 00000003
Figure 00000003

где σ0,Cd, σ0 - удельные электрические проводимости перед облучением в кадмиевом экране и без него, σCd, σ - соответствующие удельные электрические проводимости кремния в кадмиевом экране и без него после облучения и отжига, и определяют абсолютный эффективный флюенс тепловых нейтроновwhere σ 0, Cd , σ 0 are the specific electrical conductivities before and after irradiation in a cadmium screen, σ Cd , σ are the corresponding electrical conductivities of silicon in and without a cadmium screen after irradiation and annealing, and the absolute effective thermal neutron fluence is determined

Figure 00000004
Figure 00000004

где е, µn - заряд и подвижность электронов в монокристаллах кремния, χt - коэффициент самоэкранировки тепловых нейтронов в шайбе кремния, ∑t - макроскопическое сечение реакции радиационного захвата тепловых нейтронов кремнием-30, FCd - поправочный коэффициент, учитывающий поглощение надтепловых нейтронов в кадмии.where e, μ n is the electron charge and mobility in silicon single crystals, χ t is the thermal neutron self-screening coefficient in the silicon washer, ∑ t is the macroscopic cross section of the radiation capture of thermal neutrons by silicon-30, F Cd is the correction coefficient taking into account the absorption of epithermal neutrons in cadmium.

Для измерения абсолютных значений флюенса тепловых нейтронов предлагается облучать кремний в кадмиевом экране и без него, как это делается в активационном способе, используя его наработки по методу кадмиевой разности. Применительно к кремнию суть метода состоит в следующем. Можно представить концентрацию фосфора-31, генерированную за время облучения кремния без кадмиевого фильтра, в виде двух составляющих: генерированную тепловыми (Ct) и надтепловыми (Cnt) нейтронамиTo measure the absolute values of the thermal neutron fluence, it is proposed to irradiate silicon in the cadmium screen and without it, as is done in the activation method, using its experience using the cadmium difference method. With regard to silicon, the essence of the method is as follows. One can imagine the concentration of phosphorus-31 generated during the irradiation of silicon without a cadmium filter in the form of two components: generated by thermal (C t ) and epithermal (C nt ) neutrons

Figure 00000005
Figure 00000005

Нами было показано [Варлачев В.А., Емец Е.Г. Солодовников Е.С. // Изв. вузов. Физика. - 2009. - №11/2. - С.409-412], что С линейно связана с изменением у.э.п.:We have shown [Varlachev V.A., Emets E.G. Solodovnikov E.S. // Izv. universities. Physics. - 2009. - No. 11/2. - S.409-412], that C is linearly associated with a change in the economic coefficient:

Figure 00000006
Figure 00000006

где σ0, σ - у.э.п. кремния до и после облучения, е, µn - заряд и подвижность электронов соответственно. Следует отметить, что измерение σ проводят после отжига радиационных дефектов, тем самым исключают влияние радиационных дефектов от быстрых нейтронов на изменение у.э.п. В настоящее время в качестве поглотителя принято использовать кадмий-113 из-за большого сечения поглощения в тепловой области и его быстрого убывания в эпитепловой. Однако сечение поглощения кадмия не является ступенчатой функцией. Поэтому в активационном методе кадмиевой разности введено понятие граничной энергии поглощения в кадмии ЕCd, которая зависит от толщины и формы фильтра. Считают, что нейтроны с энергией ниже ЕCd полностью поглощаются фильтром, а выше этой энергии - не поглощаются. Возникающая при этом ошибка (1-4%) компенсируется кадмиевой поправкой FCd. В таком приближении при облучении кремния в кадмиевом фильтреwhere σ 0 , σ is the.e.p. silicon before and after irradiation, e, µ n are the charge and mobility of electrons, respectively. It should be noted that the measurement of σ is carried out after annealing of radiation defects, thereby excluding the effect of radiation defects from fast neutrons on the change in the electron beam At present, it is customary to use cadmium-113 as an absorber because of the large absorption cross section in the thermal region and its rapid decrease in the epithermal region. However, the cadmium absorption cross section is not a step function. Therefore, in the activation method of the cadmium difference, the concept of the boundary absorption energy in cadmium E Cd is introduced, which depends on the thickness and shape of the filter. It is believed that neutrons with energies below E Cd are completely absorbed by the filter, and above this energy they are not absorbed. The resulting error (1-4%) is compensated by the cadmium correction F Cd . In this approximation, when silicon is irradiated in a cadmium filter

Figure 00000007
Figure 00000007

где FCd - поправочный коэффициент, учитывающий поглощение надтепловых нейтронов в кадмии. Концентрация фосфора-31 (СCd) определяется по значениям у.э.п. кремния до (σ0,Cd) и после (σCd) облучения:where F Cd is a correction factor that takes into account the absorption of epithermal neutrons in cadmium. The concentration of phosphorus-31 (C Cd ) is determined by the values of.e. silicon before (σ 0, Cd ) and after (σ Cd ) irradiation:

Figure 00000008
Figure 00000008

Для реакторных нейтронных полей, формирующихся в присутствии хороших замедлителей (вода, графит, бериллий и др.), спектр тепловых нейтронов приближенно описывается распределением Максвелла. В этом случае при использовании детектора, сечение реакции которого в тепловой области спектра меняется по закону 1/v (v - скорость нейтрона)For reactor neutron fields formed in the presence of good moderators (water, graphite, beryllium, etc.), the spectrum of thermal neutrons is approximately described by the Maxwell distribution. In this case, when using a detector whose reaction cross section in the thermal region of the spectrum varies according to the law 1 / v (v is the neutron velocity)

Figure 00000009
Figure 00000009

где Сt - концентрация фосфора-31, генерированная тепловыми нейтронами; Фэф - эффективный флюенс тепловых нейтронов; ∑t - макроскопическое сечение реакции при энергии нейтрона, соответствующей некоторой эффективной температуре Тэф, отличной от температуры среды T0; gt - фактор Весткотта, учитывающий отличие зависимости сечения тепловых нейтронов (n, γ)-реакции на кремнии-31 от закона 1/v, χt - коэффициент самоэкранировки тепловых нейтронов. По данным работы [Evaluated nuclear reaction libraries (ENDF). IAEA Nuclear Data Service, www-nds.iaea.org] сечение (n, γ)-реакции на кремнии-30 в тепловой области строго следует закону 1/v, то есть gt=1. Из-за утечки и поглощения нейтронов Тэф0, т.е. не все нейтроны достигают термодинамического равновесия с окружающей средой. В частности [Тарновский Г.Б., Ярына В.П. Учет влияния кадмиевых экранов в нейтронно-активационных измерениях. // Тезисы докладов 3-го Всесоюз. Совещания по метрологии нейтронного излучения на реакторах и ускорителях, М., изд. ЦНИИатоминформ, 1982, с.77], приwhere C t is the concentration of phosphorus-31 generated by thermal neutrons; Ф eff - effective thermal neutron fluence; ∑ t is the macroscopic cross section of the reaction at a neutron energy corresponding to a certain effective temperature T eff different from the temperature of the medium T 0 ; g t is the Westcott factor, which takes into account the difference in the dependence of the cross section of thermal neutrons of the (n, γ) reaction on silicon-31 from the 1 / v law, χ t is the self-screening coefficient of thermal neutrons. According to [Evaluated nuclear reaction libraries (ENDF). IAEA Nuclear Data Service, www-nds.iaea.org] the cross section of the (n, γ) reaction on silicon-30 in the thermal region strictly follows the law 1 / v, that is, g t = 1. Due to neutron leakage and absorption, T eff > T 0 , i.e. not all neutrons achieve thermodynamic equilibrium with the environment. In particular [Tarnovsky GB, Yaryna V.P. Taking into account the influence of cadmium screens in neutron activation measurements. // Abstracts of the 3rd All-Union. Meetings on metrology of neutron radiation at reactors and accelerators, M., ed. TSNIIatominform, 1982, p.77], with

Figure 00000010
Figure 00000010

где среднелогарифмическая потеря энергииwhere is the average logarithmic loss of energy

Figure 00000011
Figure 00000011

a, ∑s - макроскопические сечения поглощения и рассеяния замедлителя; k - постоянная Больцмана; А - массовое число ядер замедлителяa , ∑ s are the macroscopic absorption and scattering cross sections of the moderator; k is the Boltzmann constant; A is the mass number of moderator cores

Figure 00000012
Figure 00000012

Например, для бериллиевого замедлителя Тэф=1.0066 Т0, т.е Тэф0 примерно на 2K.For example, for a beryllium moderator T eff = 1.0066 T 0 , i.e. T eff > T 0 by about 2K.

Из выражений (5, 7, 9)From the expressions (5, 7, 9)

Figure 00000013
Figure 00000013

Тогда с учетом выражения (6, 8) получим эффективный флюенс тепловых нейтронов, которым облучался кремний без кадмиевого фильтраThen, taking into account expression (6, 8), we obtain the effective fluence of thermal neutrons, which irradiated silicon without a cadmium filter

Figure 00000014
Figure 00000014

гдеWhere

Figure 00000015
Figure 00000015

есть кадмиевое отношение, которое определяется по измеренным значениям у.э.п. От эффективного флюенса тепловых нейтронов легко перейти к среднему (за время облучения τ) значению эффективной плотности потока тепловых нейтронов (φэф). По определению φэфэф/τ. При этом φэф является произведением объемной плотности нейтронов с энергией ниже граничной энергии кадмия на скорость нейтронов с энергией kТэф.there is a cadmium ratio, which is determined by the measured values of It is easy to switch from the effective thermal neutron fluence to the average (during the irradiation time τ) value of the effective thermal neutron flux density (φ eff ). By definition, φ eff = Φ eff / τ. Moreover, φ eff is the product of the bulk density of neutrons with energies below the boundary energy of cadmium and the velocity of neutrons with energy kT eff .

Определим значения FCd, χt и ЕCd для кремния. Обычно FCd принимают равным 1,01-1,04 [Экспериментальные методы нейтронных исследований: Учеб. Пособие для вузов / Е.А.Крамер-Агеев, В.Н.Лавренчик, В.Т.Самосадный, В.П.Протасов. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 272 с.]. Поэтому с погрешностью до 2% можно принять FCd=1,02.We define the values of F Cd , χ t and Е Cd for silicon. Typically, F Cd is assumed to be 1.01-1.04 [Experimental methods of neutron research: Textbook. A manual for universities / E.A. Kramer-Ageev, V.N. Lavrenchik, V.T. Samosadny, V.P. Protasov. - M .: Energoatomizdat, 1990. - 272 p.]. Therefore, with an error of up to 2%, one can take F Cd = 1.02.

Коэффициент самоэкранирования χt тепловых нейтронов (отношение числа нейтронов, вылетевших из шайбы кремния, к числу нейтронов, влетевших в кремний) в изотропном нейтронном поле определялся расчетами. Расчеты были выполнены методом Монте-Карло путем прямого моделирования нейтронных траекторий в природном кремнии. История нейтрона заканчивалась либо его поглощением, либо вылетом из кремния. Варьируемыми параметрами были радиус и толщина шайбы. Для каждого варианта разыгрывалось 107 нейтронных историй. Результаты расчетов приведены в таблице. Там же приведены эффективные оптические толщины, т.е. средние значения отрезков в пластине кремния по траектории влета в нее нейтрона.The self-shielding coefficient χ t of thermal neutrons (the ratio of the number of neutrons emitted from a silicon washer to the number of neutrons emitted into silicon) in an isotropic neutron field was determined by calculations. The calculations were performed by the Monte Carlo method by direct modeling of neutron trajectories in natural silicon. The history of the neutron ended either in its absorption or in the escape from silicon. Variable parameters were the radius and thickness of the washer. For each variant 10 7 neutron stories were played out. The calculation results are shown in the table. Effective optical thicknesses, i.e. average values of segments in a silicon wafer along the path of neutron entry into it.

Коэффициент самоэкранировки (χt) и эффективная оптическая толщина dэф кремниевой пластины радиусом r и толщиной d для тепловых нейтронов.Self-shielding coefficient (χ t ) and effective optical thickness d eff of a silicon wafer of radius r and thickness d for thermal neutrons. r, смr, cm 0,50.5 0,60.6 0,70.7 d, смd cm 0,40.4 0,50.5 0,60.6 0,40.4 0,50.5 0,60.6 0,40.4 0,50.5 0,60.6 χt χ t 0,9960,996 0,9950,995 0,9950,995 0,9960,996 0,9950,995 0,9940,994 0,9950,995 0,9950,995 0,9940,994 dэф, см d eff cm 0,5830.583 0,6570.657 0,7170.717 0,6340.634 0,7200.720 0,7930.793 0,6770.677 0,7740.774 0,8590.859 r, смr, cm 0,80.8 0,90.9 1,01,0 d, смd cm 0,40.4 0,50.5 0,60.6 0,40.4 0,50.5 0,60.6 0,40.4 0,50.5 0,60.6 χt χ t 0,9950,995 0,9940,994 0,9940,994 0,9950,995 0,9940,994 0,9930,993 0,9950,995 0,9940,994 0,9930,993 dэф, смd eff cm 0,71450.7145 0,8210.821 0,9170.917 0,7470.747 0,8630.863 0,9670.967 0,7770.777 0,9020.902 1,0131.013 r, смr, cm 1,11,1 1,21,2 1,31.3 d, смd cm 0,40.4 0,50.5 0,60.6 0,40.4 0,50.5 0,60.6 0,40.4 0,50.5 0,60.6 χt χ t 0,9940,994 0,9940,994 0,9930,993 0,9940,994 0,9930,993 0,9930,993 0,9940,994 0,9930,993 0,9920,992 dэф, смd eff cm 0,8030.803 0,9360.936 1,0541,054 0,8280.828 0,9660.966 1,0921,092 0,8500.850 0,9940,994 1,1261,126

В.П.Ярына и Г.Б.Тарновский [Тарновский Г.Б., Ярына В.П. Учет влияния кадмиевых экранов в нейтронно-активационных измерениях. // Тезисы докладов 3-го Всесоюз. Совещания по метрологии нейтронного излучения на реакторах и ускорителях, М., изд. ЦНИИатоминформ, 1982, с.77] предложили эмпирическую формулу для расчета ECd кадмиевого цилиндрического фильтра, помещенного в изотропное поле:V.P. Yaryna and G. B. Tarnovsky [Tarnovsky G. B., Yaryna V. P. Taking into account the influence of cadmium screens in neutron activation measurements. // Abstracts of the 3rd All-Union. Meetings on metrology of neutron radiation at reactors and accelerators, M., ed. TSNIIatominform, 1982, p.77] proposed an empirical formula for calculating the E Cd of a cadmium cylindrical filter placed in an isotropic field:

Figure 00000016
Figure 00000016

Figure 00000017
Figure 00000017

где h и d - высота и диаметр цилиндрического фильтра в мм. Например, в стандартном наборе детекторов АКН-Т есть фильтр диаметром 15 мм, высотой 10 мм и толщиной стенки 1 мм. При использовании этого фильтра ECd=0,55 эВ.where h and d are the height and diameter of the cylindrical filter in mm. For example, in the standard set of AKN-T detectors there is a filter with a diameter of 15 mm, a height of 10 mm and a wall thickness of 1 mm. When using this filter, E Cd = 0.55 eV.

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. Измерения удельного электрического сопротивления проводились 4-зондовым методом. Погрешность измерения среднего по торцу шайбы удельного сопротивления не превышала 3%. Измерения сопротивлений проводились до и после облучения и отжига радиационных дефектов при температуре 800°С в течение 2 часов. Непрерывный контроль за флюенсом тепловых нейтронов осуществляли с помощью штатных камер деления типа КтВ-4, используемых в технологии нейтронно-трансмутационного легирования кремния.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, the 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. The electrical resistivity was measured using the 4-probe method. The error in measuring the average resistivity at the end of the washer did not exceed 3%. Resistance was measured before and after irradiation and annealing of radiation defects at a temperature of 800 ° C for 2 hours. The thermal neutron fluence was continuously monitored using standard KtV-4 fission chambers used in the technology of neutron transmutation doping of silicon.

Определялись, как это описано, кадмиевые отношения для кремния RCd(Si) и для золота RCd(Au). Для этого образцы кремния, в кадмиевом цилиндрическом пенале и без него, располагались на оси канала ГЭК-4 симметрично относительно центра активной зоны реактора. Использовался цилиндрический пенал высотой 10 мм, диаметром 15 мм и толщиной стенки 1 мм. Расстояние между образцами составляло 15 см. Облучение проводили в течение 4 часов на мощности реактора 6 мВт. Исходное сопротивление образца, облучавшегося в Cd фильтре, - 857 Ом·см, а без фильтра - 772 Ом·см. Конечные сопротивления - 593,5 Ом·см и 99,5 Ом·см соответственно. Из этого следует RCd(Si)=16,9, Ф=2,14·1017 см-2 и φ=1,49·1013 см-2 с-1. Температура бака воды в бассейне реактора равна 42°С, что соответствует температуре среды Тэф=315K, а kТэф=0,0292 эВ. При этой энергии макроскопическое сечение реакции равно 1,66·10-4 см-1. Детекторы из золота в том же кадмиевом пенале и без него облучали на мощности 100 кэВ в течение 10 минут. Они располагались точно так же, как и образцы кремния. Кадмиевое отношение по золоту составило 4,36, а эффективная плотность потока тепловых нейтронов, приведенная к мощности реактора 6 мэВ, была равна 1,44·1013 см-2 с-1.The cadmium ratios for silicon R Cd (Si) and for gold R Cd (Au) were determined as described. For this, silicon samples, in and without a cadmium cylindrical pencil case, were located on the axis of the GES-4 channel symmetrically with respect to the center of the reactor core. A cylindrical pencil case with a height of 10 mm, a diameter of 15 mm and a wall thickness of 1 mm was used. The distance between the samples was 15 cm. Irradiation was carried out for 4 hours at a reactor power of 6 mW. The initial resistance of the sample irradiated in a Cd filter is 857 Ohm · cm, and without a filter - 772 Ohm · cm. Final resistance - 593.5 Ohm · cm and 99.5 Ohm · cm, respectively. It follows that R Cd (Si) = 16.9, Φ = 2.14 · 10 17 cm -2 and φ = 1.49 · 10 13 cm -2 s -1 . The temperature of the water tank in the reactor pool is 42 ° C, which corresponds to the temperature of the medium T eff = 315 K, and kT eff = 0.0292 eV. At this energy, the macroscopic cross section of the reaction is 1.66 · 10 -4 cm -1 . Gold detectors in the same cadmium pencil case and without it were irradiated at a power of 100 keV for 10 minutes. They were located exactly like the samples of silicon. The cadmium ratio for gold was 4.36, and the effective thermal neutron flux density, reduced to a reactor power of 6 meV, was 1.44 · 10 13 cm -2 s -1 .

Полезный результат заключается в том, что детектор позволяет определять абсолютные значения плотности потока тепловых нейтронов при любом реакторном спектре нейтронов. При этом не требуется никакой калибровки с помощью других методов, например активационных. Каждый монокристалл можно использовать многократно, в том числе в качестве детектора сопровождения для контроля за флюенсом тепловых нейтронов в диапазоне 1015-1018 см-2.A useful result is that the detector allows you to determine the absolute values of the thermal neutron flux density for any reactor neutron spectrum. In this case, no calibration is required using other methods, such as activation. Each single crystal can be used repeatedly, including as an tracking detector for monitoring the thermal neutron fluence in the range 10 15 -10 18 cm -2 .

Claims (1)

Способ измерения флюенса тепловых нейтронов монокристаллическим кремнием, включающий измерение удельного электрического сопротивления монокристаллического кремния до и после облучения, облучение неизвестным флюенсом нейтронов, отжиг радиационных дефектов в кремнии после каждого облучения, отличающийся тем, что облучение кремния проводят в кадмиевом экране толщиной 0,5-1,5 мм и без кадмиевого экрана, вычисляют кадмиевое отношение по изменениям удельных электрических проводимостей
RCd=(σ-σ0)/(σCd0,Cd),
где σ0,Cd, σ0 - удельные электрические проводимости перед облучением в кадмиевом экране и без него; σCd, σ - соответствующие удельные электрические проводимости кремния в кадмиевом экране и без него после облучения и отжига, и определяют абсолютный эффективный флюенс тепловых нейтронов
Figure 00000018

где е, µn - заряд и подвижность электронов в монокристаллах кремния; χt - коэффициент самоэкранировки тепловых нейтронов в шайбе кремния; Σt -макроскопическое сечение реакции радиационного захвата тепловых нейтронов кремнием-30; FCd - поправочный коэффициент, учитывающий поглощение надтепловых нейтронов в кадмии.
A method for measuring thermal neutron fluence with monocrystalline silicon, including measuring the electrical resistivity of monocrystalline silicon before and after irradiation, irradiating with an unknown neutron fluence, annealing radiation defects in silicon after each irradiation, characterized in that the irradiation of silicon is carried out in a 0.5-1 cadmium screen 5 mm and without a cadmium screen, the cadmium ratio is calculated from changes in the specific electrical conductivities
R Cd = (σ-σ 0 ) / (σ Cd- σ 0, Cd ),
where σ 0, Cd , σ 0 - specific electrical conductivity before irradiation in the cadmium screen and without it; σ Cd , σ are the corresponding electrical conductivities of silicon in the cadmium screen and without it after irradiation and annealing, and determine the absolute effective fluence of thermal neutrons
Figure 00000018

where e, µ n is the charge and mobility of electrons in silicon single crystals; χ t is the coefficient of self-screening of thermal neutrons in the silicon washer; Σ t is the macroscopic section of the reaction of radiation capture of thermal neutrons by silicon-30; F Cd is a correction factor that takes into account the absorption of epithermal neutrons in cadmium.
RU2011129181/28A 2011-07-13 2011-07-13 Method of measuring fluence of slow neutrons using monocrystalline silicon RU2472181C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011129181/28A RU2472181C1 (en) 2011-07-13 2011-07-13 Method of measuring fluence of slow neutrons using monocrystalline silicon

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011129181/28A RU2472181C1 (en) 2011-07-13 2011-07-13 Method of measuring fluence of slow neutrons using monocrystalline silicon

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2472181C1 true RU2472181C1 (en) 2013-01-10

Family

ID=48806216

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2011129181/28A RU2472181C1 (en) 2011-07-13 2011-07-13 Method of measuring fluence of slow neutrons using monocrystalline silicon

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2472181C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2006881C1 (en) * 1991-04-19 1994-01-30 Войсковая часть 51105 Method for determining fluency rate of neutrons
RU2339975C1 (en) * 2007-07-04 2008-11-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский политехнический университет" Method of measuring fluence of high-speed neutrons using semiconductor detector
US7514694B2 (en) * 2007-06-19 2009-04-07 Material Innovations, Inc. Neutron detector
RU2379713C1 (en) * 2008-11-10 2010-01-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский политехнический университет Method of measuring neutron fluence using detector made from single-crystalline silicon

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2006881C1 (en) * 1991-04-19 1994-01-30 Войсковая часть 51105 Method for determining fluency rate of neutrons
US7514694B2 (en) * 2007-06-19 2009-04-07 Material Innovations, Inc. Neutron detector
RU2339975C1 (en) * 2007-07-04 2008-11-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский политехнический университет" Method of measuring fluence of high-speed neutrons using semiconductor detector
RU2379713C1 (en) * 2008-11-10 2010-01-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский политехнический университет Method of measuring neutron fluence using detector made from single-crystalline silicon

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Alenkov et al. First results from the AMoRE-Pilot neutrinoless double beta decay experiment
Nanal Search for neutrinoless double beta decay in 124Sn
Dokania et al. Characterization and modeling of a low background HPGe detector
Angelone et al. High temperature response of a single crystal CVD diamond detector operated in current mode
Alexeyev et al. Experimental test of the time stability of the half-life of alpha-decay 214Po nuclei
Yan et al. Feasibility studies on the burnup measurement of fuel pebbles with HPGe gamma spectrometer
Brai et al. ESR response to γ-rays of alanine pellets containing B (OH) 3 or Gd2O3
Abdi Prompt gamma radiation as a new tool to measure reactor power
Pohorecki et al. Novel methods of tritium production rate measurements in HCLL TBM mock-up experiment with liquid scintillation technique
RU2472181C1 (en) Method of measuring fluence of slow neutrons using monocrystalline silicon
Hu et al. Neutron field measurement at the Experimental Advanced Superconducting Tokamak using a Bonner sphere spectrometer
CN113838588B (en) Application of germanium material in detection of reactor thermal neutron average flux density and detection method of reactor thermal neutron average flux density
Abbas et al. Use of miniature CdZnTe Xγ detector in nuclear safeguards: Characterisation of spent nuclear fuel and uranium enrichment determination
Tonigan et al. Correlation of a bipolar-transistor-based neutron displacement damage sensor methodology with proton irradiations
Ďuran et al. Investigation of impact of neutron irradiation on properties of InSb-based Hall plates
Wonders et al. Assessment of modern silicon photomultiplier radiation hardness in a nuclear security context
Okuno et al. Detection characteristics for neutrons in an InGaP solar cell under high-temperature conditions
Baffa et al. Alanine/electron spin resonance dosimetry for environmental qualification of electric equipment in a nuclear power plant
Maghraby et al. Investigation of the dosimetric properties of potassium hydrogen tartrate using EPR
Matsson et al. LOKET—a gamma-ray spectroscopy system for in-pool measurements of thermal power distribution in irradiated nuclear fuel
Zhao et al. Measuring the thermal neutron fluence of NTD-Ge using the self-monitoring method
Varlachev et al. Determining absolute value of thermal neutron flux density based on monocrystalline silicon in nuclear reactors
Payne et al. Diamond dose rate detector testing at KURRI-A joint UK-Japan research project-17126
Lin et al. Thin film alanine-PE dosimeter for electron beam transfer dosimetry
RU2553840C1 (en) Measurement of fast neutron fluence by semiconductor detector

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20170714