RU80070U1

RU80070U1 - NUCLEAR DETECTOR

Info

Publication number: RU80070U1
Application number: RU2007144928/22U
Authority: RU
Inventors: Игорь Васильевич Алексеев; Сергей Владимирович Розов
Original assignee: Игорь Васильевич Алексеев; Сергей Владимирович Розов
Priority date: 2007-12-05
Filing date: 2007-12-05
Publication date: 2009-01-20

Abstract

Предложен детектор ядерного излучения, содержащий чувствительный элемент в виде полупроводникового кристалла с электрическими контактами. Чувствительный элемент выполнен из полупроводникового кристалла Tl In Se₂, при этом в состав кристалла введен дополнительный химический элемент, преобразующий нейтронное излучение в гамма излучение или в поток заряженных частиц, в качестве которого применен изотоп лития ⁶Li. Предложенный детектор имеет увеличенную чувствительность к тепловым нейтронам при сохранении неизменной чувствительности к гамма-излучению. 4 з.п. ф-лы 3 ил.A nuclear radiation detector is proposed that contains a sensitive element in the form of a semiconductor crystal with electrical contacts. The sensitive element is made of a Tl In Se ₂ semiconductor crystal, and an additional chemical element is introduced into the crystal, which converts neutron radiation into gamma radiation or into a stream of charged particles, which is used as a lithium isotope ⁶ Li. The proposed detector has an increased sensitivity to thermal neutrons while maintaining a constant sensitivity to gamma radiation. 4 s.p. f-ly 3 ill.

Description

Полезная модель относится к области измерения ионизирующих излучений, а точнее - к полупроводниковым детекторам нейтронного излучения.The utility model relates to the field of measuring ionizing radiation, and more precisely, to semiconductor neutron radiation detectors.

Известны детекторы тепловых нейтронов типа камер деления, представляющие собой ионизационную камеру, внутренняя поверхность которой покрыта тонким слоем делящегося вещества (²³⁵U, ²³⁸U, ²³⁹Pu, ²³²Th). В камерах деления используется реакция деления (n, f). Под действием нейтронного излучения происходит реакция деления атомов вещества на осколки, которые производят ионизацию воздуха в камере. Генерируемый при этом ионизационный ток и является мерой измерения интенсивности нейтронного излучения.Known thermal neutron detectors such as fission chambers, which are an ionization chamber, the inner surface of which is covered with a thin layer of fissile material ( ²³⁵ U, ²³⁸ U, ²³⁹ Pu, ²³² Th). In the division chambers, the division reaction (n, f) is used. Under the influence of neutron radiation, the reaction of fission of atoms of a substance into fragments that produce ionization of air in the chamber occurs. The ionization current generated in this case is a measure of the intensity of neutron radiation.

Недостаток известного детектора ядерного излучения состоит в сложности выделения нейтронной компоненты сигнала из его общей величины.A disadvantage of the known nuclear radiation detector is the difficulty of separating the neutron component of the signal from its total value.

Этот недостаток обусловлен тем, что параметры селективной чувствительности известного детектора к тепловым нейтронам сравнимы с параметрами его селективной чувствительности к реакторному гамма-излучению. Вследствие этого в смешанных гамма-нейтронных полях затруднено выделение нейтронной компоненты сигнала, что снижает точность измерения плотности потока тепловых нейтронов.This disadvantage is due to the fact that the parameters of the selective sensitivity of the known detector to thermal neutrons are comparable with the parameters of its selective sensitivity to reactor gamma radiation. As a result, in mixed gamma-neutron fields it is difficult to isolate the neutron component of the signal, which reduces the accuracy of measuring the thermal neutron flux density.

Известен детектор ядерного излучения, содержащий чувствительный элемент в виде полупроводникового кристалла с электрическими контактами, для чего кристалл с приложенным к нему напряжением помещают в поток нейтронов, и по току судят о величине потока нейтронов, см. патент РФ №2091814.A known nuclear radiation detector containing a sensing element in the form of a semiconductor crystal with electrical contacts, for which a crystal with a voltage applied to it is placed in a neutron flux, and the current is used to judge the magnitude of the neutron flux, see RF patent No. 2091814.

Недостаток этого детектора заключается в его малой эффективности.The disadvantage of this detector is its low efficiency.

Технической задачей на решение которой направлена данная полезная модель - является увеличение чувствительности детектора к тепловым нейтронам при сохранении неизменной чувствительности к гамма-излучению.The technical task to be solved by this utility model is to increase the sensitivity of the detector to thermal neutrons while maintaining constant sensitivity to gamma radiation.

Указанный технический результат достигается тем, что детектор ядерного излучения содержит чувствительный элемент в виде полупроводникового кристалла с электрическими контактами, при этом чувствительный элемент выполнен из полупроводникового кристалла Tl In Se₂, а в состав кристалла введен дополнительный химический элемент, преобразующий нейтронное излучение в гамма излучение или в поток заряженных частиц, в качестве которого применен изотоп лития ⁶Li.The specified technical result is achieved in that the nuclear radiation detector contains a sensitive element in the form of a semiconductor crystal with electrical contacts, while the sensitive element is made of a Tl In Se ₂ semiconductor crystal, and an additional chemical element is introduced into the crystal that converts neutron radiation into gamma radiation or into the flow of charged particles, which is used as a lithium isotope ⁶ Li.

Количество введенных атомов изотопа ⁶Li составляет не менее 1% атомов-компонентов кристалла Tl In Se₂.The number of introduced atoms of the ⁶ Li isotope is at least 1% of the atomic components of the Tl In Se ₂ crystal.

Изотоп ⁶Li введен в кристалл Tl In Sе₂ методом интеркаляции.The ⁶ Li isotope was introduced into the Tl In Sе ₂ crystal by the intercalation method.

Интеркаляция выполнена путем выдержки кристаллов Tl In Se₂ в откачанной ампуле с парами лития при температуре, находящейся в диапазоне 500÷700°С в течение 150÷250 часов.Intercalation was performed by holding Tl In Se ₂ crystals in an evacuated ampoule with lithium vapor at a temperature in the range 500–700 ° C for 150–250 hours.

Чувствительный элемент помещен в светонепроницаемый корпус.The sensing element is placed in a lightproof housing.

Сущность полезной модели поясняется графическими материалами, где представлено на:The essence of the utility model is illustrated by graphic materials, which are presented on:

фиг.1 - детектор в сборе,figure 1 - detector assembly,

фиг.2 - образец кристалла Tl In Se₂, полученный из монокристаллического слитка,figure 2 - a sample of a crystal of Tl In Se ₂ obtained from a single crystal ingot,

фиг.3 - электрическая схема детектора совместно с измерительными средствами.figure 3 - electrical diagram of the detector in conjunction with measuring means.

Предложенный детектор включает в себя чувствительный элемент 1 - в виде кристалла Tl In Se₂, помещенного в светонепроницаемый корпус 2 с электрическими контактами 3. При этом в состав кристалла Tl In Se₂ способом интеркаляции введен дополнительный химический элемент -изотоп ⁶Li в количестве, составляющем не менее 1% атомов-компонентов основного кристалла.The proposed detector includes a sensing element 1 — in the form of a Tl In Se ₂ crystal placed in a light-tight housing 2 with electrical contacts 3. At the same time, an additional chemical element, the ⁶ Li isotope, is introduced into the Tl In Se ₂ crystal by intercalation method in an amount of not less than 1% of the component atoms of the main crystal.

В состав электрической схемы детектора входит также источник питания 4 напряжением 10 В, нагрузочное сопротивление 5, включенное последовательно с чувствительным элементом, осциллограф 6, с входами которого соединены электрические контакты 3 чувствительного элемента 1.The electric circuit of the detector also includes a power supply 4 with a voltage of 10 V, a load resistance 5 connected in series with the sensor, an oscilloscope 6, with the inputs of which are connected the electrical contacts 3 of the sensor 1.

Предложенный детектор работает следующим образом.The proposed detector operates as follows.

При облучении детектора импульсами гамма-нейтронного излучения ток чувствительного элемента увеличивается за счет: а) ионизации полупроводника падающим гамма-излучением; б) ионизации полупроводника электрически заряженными α-частицей и тритоном из реакции (n, α) на изотопе ⁶Li. Дополнительный ток создает на нагрузочном сопротивлении 5 приращение напряжения, которое регистрируется осциллографом 6.When the detector is irradiated with gamma-neutron radiation pulses, the current of the sensitive element increases due to: a) ionization of the semiconductor by incident gamma radiation; b) ionization of the semiconductor by an electrically charged α-particle and triton from the reaction (n, α) on the ⁶ Li isotope. The additional current creates a voltage increment on the load resistance 5, which is recorded by the oscilloscope 6.

Оценка увеличения чувствительности детектора по тепловым нейтронам в результате интеркаляции литием вытекает из расчета такого параметра, как темп генерации G электрон-дырочных пар в расчете на единичный нейтронный поток.An estimate of the increase in thermal neutron sensitivity of the detector as a result of lithium intercalation follows from the calculation of a parameter such as the rate of generation of G electron-hole pairs per unit neutron flux.

Для случая без лития расчет проводится на основании выражения:For the case without lithium, the calculation is based on the expression:

где σ и n - сечение захвата теплового нейтрона ядром изотопа ¹¹⁵In и концентрация последнего в кристалле, соответственно, ε - энергия where σ and n are the thermal neutron capture cross section for the ¹¹⁵ In isotope nucleus and the concentration of the latter in the crystal, respectively, ε is the energy

образования электрон-дырочной пары в кристалле, d - толщина кристалла, I_iи hν_i- интенсивность и энергия i-ой линии в спектре захватного излучения ¹¹⁵In, и μ_i - линейный коэффициент поглощения в кристалле для i-линии. Суммирование производится по всем линиям линейчатого спектра захватного излучения изотопа ¹¹⁵In.formation of an electron-hole pair in the crystal, d is the thickness of the crystal, I _i and hν _i are the intensity and energy of the i-th line in the spectrum of capture radiation ¹¹⁵ In, and μ _i is the linear absorption coefficient in the crystal for the i-line. Summation is performed over all lines of the line spectrum of the capture radiation of the ¹¹⁵ In isotope.

Для случая с литием расчет проводится на основании выражения:For the case of lithium, the calculation is based on the expression:

где σ - сечение реакции (n, α) на ядре изотопа ⁶Li, n - концентрация лития в кристалле, d - толщина кристалла, ε - энергия образования электрон-дырочной пары в кристалле, Q - суммарная кинетическая энергия заряженных частиц в реакции ⁶Li (n, α) ³H.where σ is the cross section of the reaction (n, α) on the core of the ⁶ Li isotope, n is the concentration of lithium in the crystal, d is the thickness of the crystal, ε is the energy of formation of an electron-hole pair in the crystal, Q is the total kinetic energy of charged particles in the reaction of ⁶ Li (n, α) ³ H.

Расчеты данного параметра показали, что при количестве введенного лития в 25 атомных %, т.е. 0.9·10²² см^-3 темп генерации G увеличится с 0.817·10⁵ cм^-3c^-1 до 7.65·10⁶ см^-3с^-1, т.е. чувствительность детектора по тепловым нейтронам возрастет в ~94 раза.The calculations of this parameter showed that when the amount of lithium introduced is 25 atomic%, i.e. 0.9 · 10 ²² cm ^{-3 the} rate of generation of G will increase from 0.817 · 10 ⁵ cm ^-3 s ^-1 to 7.65 · 10 ⁶ cm ^-3 s ^-1 , i.e. thermal neutron detector sensitivity will increase by ~ 94 times.

Чувствительный элемент 1 детектора изготавливается следующим образом. Монокристаллический слиток полупроводника TlInSe₂, полученный модифицированным методом горизонтальной зонной перекристаллизации, раскалывается по плоскостям спайности с образованием образцов в виде параллепипеда с примерными размерами 1·1·7 мм³ (фиг.2). На две противоположные грани образца наносятся два контакта 3 из металлического сплава. Одним контактом образец припаивается к металлической стойке корпуса 2 детектора, а ко второму контакту припаивается центральный провод экранированного токовывода. Общий вид детектора в сборе приведен на фиг.1.The sensitive element 1 of the detector is made as follows. A single crystalline ingot of the TlInSe ₂ semiconductor obtained by the modified method of horizontal zone recrystallization breaks along cleavage planes to form parallelepiped samples with approximate sizes of 1 · 1 · 7 mm ³ (Fig. 2). Two opposite contacts 3 of a metal alloy are applied to two opposite faces of the sample. With one contact, the sample is soldered to the metal rack of the detector housing 2, and the central wire of the shielded current lead is soldered to the second contact. General view of the detector assembly is shown in figure 1.

В предложенном детекторе введение изотопа ⁶Li в кристалл Tl In Se₂ выполнена способом интеркаляции.In the proposed detector, the introduction of the ⁶ Li isotope into the Tl In Se ₂ crystal is carried out by the intercalation method.

Под термином «интеркаляция» понимается - проникновение (встраивание) небольших молекул.The term "intercalation" refers to the penetration (incorporation) of small molecules.

В предложенном детекторе интеркаляция проводилась путем выдержки кристаллов Tl In Se₂ в откачанной ампуле с парами лития при температуре, находящейся в диапазоне 500÷700°С в течение 150÷250 часов.In the proposed detector, intercalation was carried out by holding Tl In Se ₂ crystals in an evacuated ampoule with lithium vapor at a temperature in the range 500–700 ° C for 150–250 hours.

Описанный детектор, благодаря высокой чувствительности и малым размерам, а также большому ресурсу работоспособности, может с успехом применяться, наряду с камерами деления, для контроля мощностных, временных, а также пространственных распределений гамма-нейтронного излучения импульсных исследовательских реакторов.The described detector, due to its high sensitivity and small size, as well as its long service life, can be successfully used, along with fission cameras, to control the power, time, and spatial distributions of gamma-neutron radiation from pulsed research reactors.

Claims

1. A nuclear radiation detector containing a sensing element in the form of a semiconductor crystal with electrical contacts, characterized in that the sensing element is made of a Tl In Se ₂ semiconductor crystal, while an additional chemical element is added to the crystal that converts neutron radiation to gamma radiation or into the flow of charged particles, which is used as a lithium isotope ⁶ Li.

2. The detector according to claim 1, characterized in that the number of introduced atoms of the Li ⁶ isotope is at least 1% of the atomic components of the Tl In Se ₂ crystal.

3. The detector according to claim 1, characterized in that the ⁶ Li isotope is introduced into the Tl In Se ₂ crystal by intercalation.

4. The detector according to claim 3, characterized in that the intercalation is performed by holding Tl In Se ₂ crystals in an evacuated ampoule with lithium vapors at a temperature in the range of 500–700 ° C for 150–250 h.

5. The detector according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the sensitive element is placed in a lightproof housing.