ДЕТЕКТОР БЫСТРЫХ НЕЙТРОНОВ

Изобретение относится к полупроводниковым детекторам излучений. Область применения - индивидуальный дозиметр быстрых нейтронов для проведения дозиметрического контроля персонала за защитой ядерно-физических установок (ЯФУ), таких как реакторы, ускорители, генераторы нейтронов для медицинских целей и др.

Известен способ регистрации нейтронов, который основан на счете мгновенных гамма-квантов захвата, образующихся при взаимодействии нейтронов с ядрами ¹¹³Cd [Патент РФ 2091814, 1997]. Согласно изобретению, для создания гамма-квантов захвата и их регистрации используют кристалл полупроводникового соединения кадмия, например селенид или теллурид кадмия, к которому приложено напряжение смещения, приводящее к возникновению импульса тока при поглощении в объеме детектора мгновенных гамма-квантов захвата, возникающих при взаимодействии нейтронов с ядрами кадмия. По количеству импульсов судят о величине потока нейтронов. Недостатком данного метода является невозможность регистрации быстрых нейтронов, а также необходимость подачи высокого напряжения смещения (при толщине кристалла в 1 мм это примерно 400-1000 В), что нежелательно в случае персональной дозиметрии. Также недостатком данного метода является высокая чувствительность соединений селенидов и теллуридов кадмия к гамма-излучению, что приводит к необходимости применения энергетической дискриминации на уровне 1-1.5 МэВ для защиты от гамма-фона, и невозможности отличить приходящие извне гамма-кванты с энергиями, близкими к энергиям мгновенных гамма-квантов захвата.

Известен сцинтилляционный детектор для регистрации ионизирующего излучения [Патент РФ №2088952, 1997], способный регистрировать быстрые нейтроны на фоне гамма-излучения. Известный детектор содержит блок датчиков и блок электронной обработки сигналов. Блок датчиков детектора выполнен в виде последовательно соединенных сцинтилляционного кристалла Bi₄Ge₃O₁₂, регистрирующего гамма-излучение, и световода, выполненного из стильбена или пластмассы (СН)_n, чувствительного к быстрым нейтронам, и фотоэлектронного умножителя, преобразующего сцинтилляции в электрические сигналы. Блок электронной обработки сигналов включает в себя схему временной селекции электрических импульсов различной длительности, поступающих в него от фотоэлектронного умножителя. Выходной сигнал фотоэлектронного умножителя соответственно имеет две компоненты: медленную (300 нс) от гамма-сцинтиллятора Bi₄Ge₃O₁₂ и быструю (5-7 нс) от сцинтиллирующего под действием быстрых нейтронов световода, что позволяет раздельно подсчитывать число импульсов от гамма-излучения и быстрых нейтронов. Недостаток данного устройства заключается в больших габаритах и необходимости использования высоковольтного питания от 0.5 до 2 кВ из-за использования фотоэлектронного умножителя в качестве фотоприемника.

Известен детектор нейтронов, содержащий кремниевый поверхностно-барьерный сенсор и использующий полиэтилен в качестве конвертора для регистрации быстрых нейтронов [Т.М. Filho, M.M. Hamada, F. Shiraishi, and C.H. Mesquita, «Development of neutron detector using the surface barrier sensor with polyethylene (n, p) and ¹⁰B (n, α) converters», Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, vol. A-485, pp.441-447, 2001]. Детектор работает по принципу регистрации протонов отдачи, используя в качестве конвертора полиэтилен и регистрируя кремниевым поверхностно-барьерным сенсором непосредственно выбитые протоны. Кремниевый сенсор изготовлен на основе подложек высокоомного кремния толщиной 1 мм с удельным сопротивлением 50 кОм·см и имеет площадь чувствительной области 3.14 см² и толщину обедненного слоя 420 мкм при обратном внешнем смещении -40 В. Недостатком данного детектора является более низкая (на один-два порядка) радиационная стойкость по сравнению с материалами с большей шириной запрещенной зоны, а также значительное ухудшение характеристик кремниевых приборов при температурах выше комнатной.

Известен детектор нейтронов, содержащий сенсор на основе кремниевого p-i-n фотодиода фирмы HAMAMATSU и полиэтиленового конвертора, работающий по принципу регистрации протонов отдачи [C.H. Mesquita, Т.М. Filho, and M.M. Hamada, «Development of Neutron Detector Using the PIN Photodiode With Polyethylene (n, p) Converter», IEEE Transactions On Nuclear Science, vol.50, NO.4, pp.1170-1174, 2003]. Недостатком данного детектора является более низкая (на один-два порядка) радиационная стойкость по сравнению с материалами с большей шириной запрещенной зоны, а также значительное ухудшение характеристик кремниевых приборов при температурах выше комнатной.

Известен датчик нейтронов с ¹⁰В-конвертером, использующий в качестве сенсора детектор на основе эпитаксиального GaAs, работающий при нулевом смещении [D.S. McGregor et.al., «Self-Biased Boron-10 Coated High-Purity Epitaxial GaAs Thermal Neutron Detectors», IEEE Transactions On Nuclear Science, vol.47, NO.4, pp.1364-1370, 2000]. Детектор нейтронов включает в себя подложку GaAs n-типа, содержащую на одной поверхности слои металлизации омического контакта, который в свою очередь заземлен. На другой стороне GaAs подложки методом газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений сформирован слой GaAs n-типа с концентрацией носителей 3·10¹⁴ см^-3 и толщиной 1-5 мкм, представляющий собой активную область. Выпрямляющий контакт к GaAs n-типа сформирован с помощью p⁺-слоя толщиной 0.2 мкм или 200 барьера Шоттки. Встроенный потенциал на границе раздела выпрямляющий контакт/n-тип GaAs обедняет активную область детектора, и поддерживает достаточное встроенное поле для работы прибора. Источник внешнего смещения также может использоваться для питания детектора нейтронов, сигнал с которого поступает на предусилитель. На выпрямляющий контакт сенсора из GaAs осажден тонкий слой конвертера ¹⁰В. Тепловой нейтрон посредством взаимодействия с пленкой ¹⁰В производит альфа частицу и ион ⁷Li, вылетающие в противоположных направлениях. Только одна частица из этого взаимодействия может войти в активную область GaAs сенсора. Недостатком такого детектора является то, что он не способен регистрировать быстрые нейтроны. Малая толщина активной области GaAs сенсора (не более 5 мкм) даже при использовании водородосодержащего конвертера не позволяет регистрировать быстрые нейтроны по методу протонов отдачи.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является детектор нейтронов с покрытием [Патент США №6,479,826 B1, 2002]. Устройство для детектирования нейтронов содержит полуизолирующую подложку объемного GaAs, имеющую противоположные полированные поверхности. На первой поверхности полупроводниковой подложки сформирован барьер Шоттки, который может быть выполнен из серии металлов, таких как Ti, Pt, Au, Ge, Pd и Ni, в то время как контакт с низким сопротивлением (омический), состоящий из металлов, как, например, Au, Ge и Ni, сформирован на второй, противоположной полированной поверхности подложки.

Реагирующая с нейтронами пленка, или покрытие, нанесена на барьер Шоттки, для детектирования быстрых или тепловых нейтронов. Покрытие может состоять из полимера с большим содержанием водорода, как например полиолефин или парафин; может быть использован литий или фторид лития; или делящийся тяжелый металлический материал. Посредством варьирования толщины покрытия и выбора соответствующих режимов работы нейтроны определенных энергий могут быть детектированы. Детектор нейтронов с покрытием способен производить нейтронную радиографию в режиме реального времени в гамма-полях высокой интенсивности, цифровую радиографию быстрых нейтронов, идентификацию делящихся материалов, и стандартное детектирование нейтронов в частности в гамма-полях высокой интенсивности.

Для достижения заявляемых результатов авторы патента, используют свойства объемного полуизолирующего GaAs материала (SI GaAs) - наличие глубокого центра EL2 в концентрации на уровне 10¹⁵-10¹⁶ см^-3. Данный факт обуславливает неравномерное распределение электрического поля в обратно смещенных диодах из SI GaAs, которое разделено на область высокого поля (приблизительно (1-2)·10⁴ В·см^-1) и низкого (ниже 2·10³ В·см^-1). Существующее изобретение основано на том факте, что только небольшая область около выпрямляющего контакта является фактически активной при низких обратных смещениях, с приложением смещения эта область увеличивается линейно с приложенным напряжением в среднем как 1 мкм/В. Это дает некоторые преимущества. Во-первых, рабочее смещение выбирается исходя из требования соразмерности активной области и максимального пробега измеряемых заряженных частиц. Вообще, требуемая ширина активной области - только несколько десятков микрометров. Во-вторых, область низкого электрического поля является бездействующей, следовательно, взаимодействие фоновых гамма-квантов в неактивной области не регистрируется. Другими словами, приборы могут сами «различить» гамма-излучение и более энергетические заряженные частицы и ионы. В-третьих, емкость прибора определяет толщина подложки, а не толщина области пространственного заряда, следовательно, фактический приборный электронный шум может быть сохранен низким посредством минимизации толщины активной области. Однако используемый принцип как раз и определяет основные недостатки изобретения. Высокая концентрация EL2 центров, ответственных за захват электронов, в таком материале приводит к значительному снижению эффективности сбора заряда в рабочей области детектора.

Техническим результатом настоящего изобретения является возможность регистрации быстрых нейтронов детектором без использования внешнего источника питания, повышение эффективности сбора заряда детектора, снижение чувствительности к гамма-фону.

Сущность изобретения заключается в том, что предлагаемый детектор быстрых нейтронов благодаря использованию тонкого эпитаксиального слоя GaAs высокой чистоты регистрирует быстрые нейтроны по методу протонов отдачи и не чувствителен к гамма-фону, а также за счет изготовленного на нем платинового барьера Шоттки способен работать в фотовольтаическом режиме с высокой эффективностью сбора заряда (не менее 50%) и со 100% эффективностью при использовании внешнего смещения. В зависимости от энергии регистрируемых нейтронов эпитаксиальный слой может быть выбран толщиной от 10 до 80 мкм при соответствующих уровнях легирования от 5·10¹² до 1·10¹¹ см^-3. При необходимости на детектор может подаваться внешнее смещение от 5 до 40 В для заявленного диапазона толщин эпитаксиального слоя высокой чистоты.

Изобретение поясняется приведенными ниже чертежами:

На фиг.1 показана принципиальная конструкция детектора быстрых нейтронов 1, который содержит водородосодержащий конвертор 2 и поверхностно-барьерный GaAs сенсор 3, выполненный на подложке арсенида галлия n-типа проводимости 4, на рабочей поверхности которой выращен эпитаксиальный слой GaAs высокой чистоты 5 со сформированным на нем платиновым барьером Шоттки 6, омический контакт 7 сформирован на обратной стороне подложки арсенида галлия n-типа проводимости 4.

Детектор быстрых нейтронов 1 содержит водородосодержащий конвертор 2 и поверхностно-барьерный GaAs сенсор 3, выполненный на подложке арсенида галлия n-типа проводимости 4, на рабочей поверхности которой выращен эпитаксиальный слой GaAs высокой чистоты 5 со сформированным на нем платиновым барьером Шоттки 6, омический контакт 7, сформирован на обратной стороне подложки арсенида галлия n-типа проводимости 4.

Принцип работы детектора описан далее. Быстрые нейтроны с энергией Е_п, благодаря высокому значению сечения упругого рассеяния на атомах водорода, выбивают из водородосодержащего конвертера 2 (например, полиэтилен) протоны. Выбитые протоны в свою очередь регистрируются поверхностно-барьерным GaAs сенсором 3. Энергии протонов отдачи соответственно находятся в диапазоне от 0 до Е_п, что определяется углом между направлениями движения нейтрона до рассеяния и протона отдачи φ и глубиной «рождения» протона отдачи в материале водородосодержащего конвертера 2, а также его толщиной.

Принцип регистрации протонов поверхностно-барьерным сенсором 3 состоит в следующем. При формировании барьера Шоттки, за счет разности работ выхода электронов из металла и полупроводника, на контакте образуется так называемая область пространственного заряда ОПЗ, которая обуславливает встроенное электрическое поле в эпитаксиальном слое GaAs высокой чистоты 5 - чувствительной области поверхностно-барьерного сенсора. С ростом обратного смещения величина электрического поля в ОПЗ увеличивается. Налетающий протон наводит ионизацию в чувствительной области GaAs сенсора. Осажденная энергия в слое зависит от начальной энергии протона и угла, под которым протон попадает в чувствительную область поверхностно-барьерного сенсора (соотношения пробегов протонов соответствующих энергий в GaAs и толщины эпитаксиального слоя GaAs высокой чистоты 5 в направлении пробега). Образующиеся при этом электронно-дырочные пары разделяются электрическим полем и собираются на электродах. Дрейф носителей заряда к соответствующим электродам создает на выходе с детектора импульсы тока, которые считываются внешней электроникой. Количество импульсов соответствует количеству попавших в детектор частиц.

Параметры эпитаксиального слоя GaAs высокой чистоты 5 концентрация примеси N_D и толщина d выбираются таким образом, что при отсутствии внешнего смещения ОПЗ занимает весь слой, а встроенного электрического поля достаточно для сбора неравновесных электронов исходя из соотношений

где ε_п - относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника, ε₀ - электрическая постоянная, φ_к - контактная разность потенциалов, q - заряд электрона, µ_е - подвижность электронов, τ_е - время жизни неравновесных электронов. Исходя из соотношений (1, 2) для различных энергий протонов толщина эпитаксиального слоя GaAs высокой чистоты 5 может быть выбрана от 10 до 80 мкм для соответствующих концентраций примеси N_D от 5·10¹² до 10¹¹ см^-3. Для выбранных толщин от 10 до 80 мкм в фотовольтаическом режиме эффективность сбора заряда будет находиться от 100 до 50% соответственно. Для обратных смещений 5 и 40 В, соответственно для толщин от 10 до 80 мкм эффективность сбора заряда будет равна 100%. В качестве одного из решений настоящего изобретения предлагается к эпитаксиальным слоям высокой чистоты формировать 500 Å платиновый барьер Шоттки 6, использование которого позволяет снизить влияние поверхностного окисла и состояний на границе раздела полупроводник-металл на характеристики выпрямляющего контакта. Это решает проблему формирования равномерного барьера Шоттки большой площади на GaAs (до 1 см²), а также дает возможность увеличить эффективность сбора сенсора в фотовольтаическом режиме по сравнению с использованием стандартных барьеров Шоттки к GaAs (приблизительно на 10-20%).

Причем выбор толщин эпитаксиальных слоев GaAs высокой чистоты 5 от 10 до 80 мкм одновременно позволяет получить GaAs сенсор, нечувствительный к фоновому гамма-излучению. Так, например, минимальная осажденная протоном энергия для углов вылета протонов из конвертера менее 60° составляет 250 кэВ, а максимальная 2.3 МэВ (при использовании 2.2 мм полиэтиленового конвертера и энергии налетающих нейтронов 14 МэВ) [Патент США №6,479,826 В1]. Внутренняя эффективность регистрации γ-квантов с такими энергиями детектором с 10 мкм рабочим слоем достаточно низка, соответственно, 0.07 и 0.02% (соответствующие полные массовые коэффициенты ослабления 0.13 и 0.038 см²/г). Сигналы от квантов с энергиями менее 250 кэВ могут быть отсечены использованием дискриминатора. Для сравнения эффективность регистрации нейтронов таким детектором не менее 0.25%.

Далее представлен один из примеров реализации предлагаемого изобретения. Детектор изготавливается с помощью стандартных технологических операций микроэлектроники на основе 40 мкм эпитаксиальных слоев с концентрацией носителей на уровне 3·10¹¹ см^-3, выращенных методом хлоридной эпитаксии выращенных на n⁺-GaAs подложках, легированных до концентрации 2·10¹⁸ см^-3.

Далее представлены основные технологические операции изготовления детектора:

а) Формирование катодным распылением к эпитаксиальному слою GaAs высокой чистоты 5 платинового барьера Шоттки 6 толщиной не более 500 Å. Предварительно рабочая поверхность обрабатывается в 50% водном растворе HCl: Н₂О и смеси NH₄OH: Н₂О₂: H₂O в соотношении 1:1:160.

б) Формирование Ni/AuGe/Au омического контакта 7 к подложке арсенида галлия n-типа проводимости 4.

в) Формирование меза-структуры с помощью реактивного ионно-лучевого травления и вжигание контактов 1.5 мин при температуре 450°С в атмосфере азота или вакууме при остаточном давлении не ниже 2·10^-6 мм рт.ст.

г) Формирование контактных площадок с помощью гальванического осаждения золота и осаждение пассивирующего покрытия, например Si₃N₄.

д) Посадка поверхностно-барьерного GaAs сенсора 3 в корпус и нанесение (СН₂)_n слоя конвертора 2.

Представленная технология позволяет создавать детекторы быстрых нейтронов с площадью активной области 25-100 мм².