Результат интеллектуальной деятельности: АЛМАЗНЫЙ ДЕТЕКТОР ТЕПЛОВЫХ НЕЙТРОНОВ

Изобретение относится к полупроводниковым детекторам для регистрации корпускулярных излучений, в частности к алмазным детекторам тепловых нейтронов, и может использоваться в устройствах регистрации тепловых нейтронов, работающих в условиях повышенных температур и в полях гамма-излучения большой интенсивности.

Основными отраслями применения алмазных детекторов тепловых нейтронов являются ядерная, космическая, а также медицинская.

В настоящее время алмаз является перспективным материалом для создания термостойких и радиационно-стойких детекторов ионизирующих излучений, способных работать при температурах до 250°C, в потоках ионизирующих излучений нейтральных и заряженных частиц с большой плотностью. Такие возможности алмазных детекторов объясняются большим значением ширины запрещенной зоны (5.47 эВ) и большой энергией, необходимой для смещения атома углерода из решетки (>45 эВ).

Известно устройство [1], состоящее из алмазной пластины, на которую нанесены контактные электроды. Алмазная пластина с контактными площадками крепится к основанию, причем сверху контактной площадки установлен конвертор из чувствительного к тепловым нейтронам материала, например В¹⁰. Напряжение смещения на алмазную пластину подается через вывод, а съем сигнала осуществляется с другого вывода.

При попадании теплового нейтрона в радиатор, в радиаторе происходит реакция, в результате которой образуется высокоэнергетические частицы. В частности, изотоп бора В¹⁰ распадается на альфа-частицу и Li⁷. Эти частицы, попадая в алмазную пластинку, генерируют в ней заряд в виде электрон - дырочных пар. Под действием электрического поля смещения, заряды, образовавшиеся в алмазной пластине, собираются на контактный электрод и через основание и вывод поступают на вход измерительного блока.

Такой алмазный детектор чувствителен к гамма-излучению, которое практически всегда сопутствует нейтронному излучению, и вносит свой вклад в сигнал детектора. Наличие чувствительности к гамма-излучению приводит к значительным ошибкам измерения интенсивности нейтронного потока, а это является существенным недостатком детектора.

Прототипом предлагаемого изобретения является устройство алмазного детектора для регистрации тепловых нейтронов [2], который состоит из алмазной подложки, чувствительного алмазного слоя, проводящего алмазного слоя, легированного бором, играющего роль контактного электрода, к которому подсоединен сигнальный вывод, конвертора тепловых нейтронов и выводов для подачи напряжения смещения.

Для изготовления данного устройства, на алмазной подложке методом эпитаксии из газовой фазы (CVD, chemical vapor deposition) производится выращивание проводящего алмазного слоя, легированного бором, на котором методом газофазной эпитаксии производится выращивание низкопримесного алмазного слоя. На поверхность слоя наносится металлический контактный электрод, на которой устанавливается конвертор тепловых нейтронов, например из В¹⁰.

Регистрации тепловых нейтронов в данном устройстве осуществляется таким же образом, как и в устройстве [1].

Преимущество данного устройства заключается в том, что чувствительный алмазный слой может быть выращен достаточно тонким 5-10 мкм. Такая толщина алмазного слоя достаточна для регистрации вылетающих из конвертора под действием тепловых нейтронов альфа-частиц. При этом сопутствующие нейтронному излучению гамма-кванты, проходя через слой алмаза в 10 мкм, будут оставлять в этом слое незначительную энергию, тем самым практически не создавая сигнала в алмазном детекторе.

Существенным недостатком прототипа является сложность и высокая стоимость изготовления алмазного детектора описанной конструкции, что связано с особенностями выращивания чувствительных эпитаксиальных слоев: легированного бором слоя и следующего нелегированного слоя CVD-алмаза. Для выращивания указанных слоев требуется использование двух различных плаз-мохимических реакторов, что существенно увеличивает стоимость производственного оборудования. Кроме того, изготовление таких алмазных детекторов невозможно с использованием монокристаллических пластин из природного алмаза, которые часто используются для изготовления алмазных полупроводниковых приборов.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является снижение его чувствительности к фоновому гамма-излучению, которое приводит к значительным ошибкам измерения интенсивности нейтронного потока, а также возможность использования как синтетических, так и природных алмазов.

Технический результат достигается тем, что один из контактных электродов детектора выполнен в виде набора проводящих графитовых столбиков, расположенных в объеме алмазной пластины, основания которых параллельно подсоединены к выводу для подачи напряжения смещения, а торцы располагаются на расстоянии 5-10 мкм до второго электрода детектора, над которым расположен конвертор тепловых нейтронов.

Технических решений, содержащих совокупность признаков, сходных сотличительными, не выявлено, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию новизна.

Конструкция алмазного детектора тепловых нейтронов представлена на рисунке 1, где 1 - алмазная пластина, 2 - графитовые столбики, 3 - верхний контактный электрод, 4 - нижний контактный электрод, 5 - конвертор тепловых нейтронов, выводы для подачи напряжения смещения и съема сигнала 6.

В алмазном детекторе графитовые столбики 2 изготавливаются путем локального нагрева участка алмазной пластины, сфокусированным лазерным излучением до температуры, при которой происходит графитизация алмаза, то есть фазовый переход алмаза в электропроводящий графит [3, 4]. Столбики формируются таким образом, чтобы зазор между их торцами и верхним контактным электродом 3 составлял величину 5-10 мкм. Столбики располагаются периодически на протяжении всей рабочей площади пластины, на малом расстоянии друг от друга и находятся в контакте с нижним электродом 4.

Для работы детектора к выводам 6 подводится напряжение смещения, которое создает электрическое поле между торцами графитовых столбиков и верхним контактным электродом 3. При этом в области ниже торцов графитовых столбиков электрическое поле отсутствует.

При регистрации нейтронного потока, нейтроны реагируют с ядрами конвертера, образуя альфа частицы и ядра дочернего продукта, например при использовании в качестве конвертора изотопа ¹⁰В, из конвертора вылетает альфа-частица и ядро изотопа ⁷Li, которые проходят через электрод 3 и полностью тормозятся в поверхностном слое алмазной пластины 1. При этом в поверхностном слое алмазной пластины, толщина которого составляет от 5 до 10 мкм, возникают электронно-дырочные пары. Электроны и дырки дрейфуют под действием электрического поля, собираясь на торцах графитовых столбиков и контактном электроде 3. При этом создается импульс тока, регистрируемый внешней электронной аппаратурой, подключенной к выводам 6.

При попадании в детектор гамма-квантов фонового гамма-излучения, которое практически всегда сопутствует нейтронному излучению, в зазоре между торцами столбиков и контактным электродом 3 рождается лишь незначительное количество электронно-дырочных пар. Это объясняется тем, что толщина слоя алмаза, в котором происходит взаимодействие гамма-излучения с материалом детектора, составляет 5-10 мкм, при этом сечение взаимодействия гамма-квантов с алмазом на четыре-пять порядков меньше, чем сечение взаимодействия с алмазом альфа-частиц и дочерних ядер, вылетающих из материала конвертора тепловых нейтронов. Таким образом, обеспечивается существенное на 4-5 порядков превышение сигнала от нейтронного потока над сигналом гамма-фона.

Предлагаемое изобретение имеет изобретательский уровень, так как сочетание новых признаков с уже известными не очевидно для специалиста.

Предлагаемое изобретение по сравнению с известными техническими решениями позволяет изготовить алмазный детектор тепловых нейтронов, нечувствительный к гамма-фону, основой которого может быть как природный, так и искусственный алмаз. Цена изготовления таких алмазных детекторов тепловых нейтронов будет на 30-50% ниже, чем у известных алмазных детекторов.

Литература

1. Патент US 3723726 от 27 марта 1973 г. Kozlov S.F. Device with diamond detector with neutron detection.

2. M. Marinelli et al., High performance ⁶LiF-diamond thermal neutron detectors, Applied Physics Letters 89 (2006) 143509.

3. A. Oh et al., A novel detector with graphitic electrodes in CVD diamond, Diamond Relat. Mater. 38 (2013) 9.

4. T.V. Kononenko, et al. Microstructuring of diamond bulk by IR femtosecond laser pulses. Applied Physics A, 90 (2008) 645.