Способ измерения флюенса быстрых нейтронов

(61) Дополнительное к авт. свнд-ву(22)Заявлено 10.11.80 (21) 30031 ЬО/18-25с присоединением заявки М(23) Приоритет(5 )М. Кд. С О 1 Т 3/08 Ввударетвеицб кеивтат СССР вв делен взебретеяяВ и ютерытийДата опубликования описания 07.0 б.82(72) Автор изобретен Кульгавчук 7) Заявитель 5 Й) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ФЛЮ НЕЙТРОНОВБЫСТРЫХ то соб Изобретение относится к технике измерения излучений.Полупроводниковые дозиметры быстрых нейтронов измеряют эффективный флюенс быстрых нейтронов с энер" гией нейтронов выше порога Е, при котором в полупроводнике создаются устойчивые дефекты структуры кристаллической решетки, иэ-за которых изме-. няются электрофизические свойства полупроводника, для кремний Ет пример но равен 0,1 ИэВ,Работа полупроводниковых дозиметров быстрых нейтронов основана на нескольких принципах: на изменении коэффициента усиления кремниевого биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером при облучении транзистора 1) и на йзменении прямого падения напряжения или обратного тока или барьерной емкости в кремниевом диоде при его облучении 2.Недостаток таких способов - значительный разброс чувствительности при использовании однотипных транзисторов или диодов Это объясняется двумя независимыми причинами: неодинаковостью материала (легированного кремния) в однотипных транзисторах или диодах и неодинаковостью р-и-переходов вследствие несовершенства технологии их иэ" готовления,Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является споиэмерения Флюенса быстрых нейтронов, заключающийся в измерении сопротивления и". кремния, изменяющегося под действием облучения 1.31.Для уменьшения разброса и упрощения измерений в качестве дозиметров быстрых нейтронов используются полупроводниковые материалы, например легированный кремний, без р-и-переходов, в которых облучение быстрыми нейтронами приводит к увеличению электрического сопротивления вследствие образования устойчивых дефектов кристаллической структуры. Способ934402 20 45 50 55 измерения заключается в том, что фпюенс быстрых нейтронов определяют по увеличению электрического сопротивления кремниевого образца, а также известной зависимости сопротивления от флюенса быстрых нейтронов и чувствительности, полученных при та" рировке, т.е. при предварительном облучении образца известным флюенсом быстрых нейтронов. Погрешность изме" рения флюенса складывается (по правилам теории ошибок) из аппаратурной и температурной погрешностей измеренния сопротивления кремния и погрешности тарировки.Недостатком этого способа является значительная температурная погрешность (ТП ) флюенса, возникающая из-за ТП в определении сопротивления кремниевого образца, вызванной неточностью ( неопределенностью) измерения разности температуры кремния до и после облучения, когда температурные измерения разделены во времени,так как они менее точны, нежели измерения сопротивления, в частности., иэза разной тепловой инерции кремниевого образца и датчика температуры.Ввиду того, что ТП измерения сопротивления равна произведению температурного коэффициента сопротивления (ТКС), на неточносТь измерения разности температур, то большой ТП флюенса способствует большой ТКС кремния и относительно малое изменение его сопротивления при облучении быстрыми нейтронами, Так как ТО из" .мерения флюенса в большинстве случаев превышает остальные погрешности, .то очевидно, она ограничивает нижний предел измеряемых флюенсов. Цель изобретения - уменьшение температурной погрешности флюенса и его нижнего предела.Поставленная цель достигается. тем, что согласно способу измерения флюенса быстрых нейтронов, заключающемуся в измерении сопротивления п-кремния, изменяющегося под действием облучения, и-кремний предварительно подвергают облучению быстрыми нейтронами флюенсом ( 6-10) 10 фн/см .2Способ измерения флюенса быстрых нейтронов реализуют следующим образом.Сначала производится первое облучение образца из и-кремния флюенсом быстрых нейтронов (,6- 10)- 1 О"н/см,4что позволяет его ТКС уменьшить в 5" 1 О раз. Затем для определения чувствительности образец облучают второй раз татировочным флюенсом, Причем,5 .тарировочный Флюенс в несколько раз меньше флюекса, предназначенногодля уменьшения ТКС. Увеличить тарировочный флюенс с тем, чтобы заменить им первое облучение нельзя,так как максимальная величина тарировочного флюенса определяетсяточкой на оси флюенсов, выше которойнарушается экспоненциальный законроста сопротивления и-кремния отфлюенса. После этого и-кремний облучают неизвестным флюенсом быстрыхнейтронов и, пользуясь известнойзависимостью сопротивления данноготипа материала из и-кремния от флюенса и известной чувствительностью,определяют неизвестный Флюенс. Ввиду сложной технологии легирования и сложного оборудования лабо" раторное изготовление, кремниевых резисторов не получило распространения. Более удобным и дешевым для дозиметрии оказалось применение готовыхкремниевых резисторов. Например,в качестве такового можно использовать участок легированного кремниямежду базами первой Б 1 и второй Б 2(эмиттер остается не подключенным) воднопереходном транзисторе (ОПТ), иначе называемым двухбаэовым диодом. ВОПТ КТ 117 в качестве материала используется кремний и"типа (и-кремний) судельным сопротивлением около 100 Ом си.Температурный коэффициент межбазовогосопротивления (ТКС) с(. довольно велик 40 (он примерно равен 7101/К). Проведенные с ОПТ КТ 117 исследования напредмет использования его в качестведозиметра быстрых нейтронов показалиследующее,При облучении КТ 117 флюенсом быстрых нейтронов реакторного спектра до (1"1,5)10"н/си межбазовое сопротив-. ление зависит от флюенса ф экспонен- циально гф= геКф (1) где го, г" межбазовое сопротивление К 1117 соответственно до и после облучения, К - константа, подлежащая определению при тарировке. При флюенсе 1"10" н/см межбазовое.сопротивление2.возрастает на 5- 10; отсюда константа К находится в пределах ( 5 -гф=г (1+Кф) эквивалентную Формуле (1 ) Константу К определяем из соотношения (1 ) Гф Ви Кщей ф.(3) либо из соотношения (2) 1"Ф к=Д -Ф(2) так как при Кфразница между ре" зультатами, полученными по формулам (3 ) и (4), мала,Обнаружено неизвестное свойство ОПТ ЕТ 117: уменьшение ТКС с(, с увеличением флюенса. Средняя величина убывания КС на единицу Флюенса составляет 8 10см/н.К. При воздействии на КТ 117 флюенсом (,6- 10) 10 " н/см2 ТКС уменьшается до нуля (а сопротивление увеличивается в 2-3 раза). При облуцении еще большим Флюенсом ТКС становится отрицательным и возрастает по абсолютной величине с увеличением флюенса. Из приведенных Фактов и данных вытекает существенный вывод: если производить определение флюенса предварительно облученным ОПТ К 1117 флюенсом,(6- 1 О) 10" н/см , то из-за уменьшения ТКС температурная погрешность измерения межбазового сопротивления 5 910)1 0 и/см д. Средне квадрати чная ошибкаконстанты К, полученная при исследовании партии ОПТ К 1117, состоящей из8 штук, находится в пределах 5-10,При облучении К 1117 флюенсами большими 1,5100- н/см- и, вызванномэтим облучением увеличении гф/го неболее 5-10, экспоненциальная зависимость г от ф нарушается, но, что су"щественно, чувствителыюсть после облучения сохраняется. Это означает,цто при повторном облучении флюенсомменьшим или равным 1,5 1 Офн/см можно использовать соотношение (1) дляопределения флюенса.Таким образом, рабочий диапазонизмеряемых и тарировочных Флюенсовограничен сверху величиной (1"1, 5) 1 Ф н/см,Ввиду того, что при указанномверхнем пределе флюенса К соотношение,Видно, что в этом случае диапазон измеряемых флюенсов от 1,210 до 1,510"н/см или доз от 300 до 3650 рад относительно невелик. Его (диапазон) можно увеличить в сторону меньших флюенсов в 5-10 раз, если измерение Флюенсов (доз) производить предварительно облученным ОП КТ 117 Флюенсом (6-10)1 Фн/см, так как в этом случае ТКС О- п-кремния снижает" ся в 5- 1 О раз и поэтому во столько 5055 1 О 15 20 25 Эо 35 .40 45 КТ 117 может быть снижена в 5-О раз и, следовательно, уменьшатся погреш" ность измерения флюенса и измеряемый нижний предел его.Рассмотрим одно из возможных применений дозйметра.Ввиду относительно высокой чувствительности ОПТ КТ 117 можно исполь" зовать в качестве дозиметра быстрых нейтронов при облучении биологических объектов, в том числе и для человека, например, в качестве аварийного до" зиметра. Покажем это.Известно, что для нейтронов с энергией 1 ИэВ биологическая доза 1 рад=4,11 ф 10 В н/см. (Для упрощения расчета считаем, что все быстрые ней" троны имеют энергию 1 ИэВ), Поэтому флюенсу 1,5 10"н/смсоответствует нейтронная доза в биологических объектах 3650 рад, т,е, до такой макси" мальной дозы возможно применение описываемого доз 14 метра.Оценим нижний предел измерения флюенса и биологической дозы при погрешности их измерения30 и в предположении, что разность температур измерения сопротивления дозиметра до и после облучения известна с погреш" ностью ЬТ=+0,5 К, пренебрегая остальными погрешностями.Если использовать ОПТ КТ 117 без предварительного облучения флюенсом (6-10)10 ф 2 н/смто при ТКС К 1117 д=7 10 1/К неопределенность в изменении относительного сопротивления КТ 117 составляет д =с. ЬТ=7 100,5= =3,5 10 . По предположению это долж" но составить 30 от изменения сопро)"фтивления ,ф- -1 за счет облучения. Поэтому -- -1= - - 12 10 : Этой1"О ж Овеличине - -1 соответствует нижний1"определ Флюенса (по формре (4) и при К=1 10 н/см ) Ф= з = 1 2 "934402 Формула изобретения Составитель Б.Рахманов Редактор А.Мотыль Техред А. Бабинеч Корректор А.ГриценкоЗаказ 3929/41 Тираж 717 . Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Н, Раушская наб., д.4/5а Филиал ППП "Патент", г.ужгород, ул,Проектная,7же раз уменьшится температурная погрешность флюенса (дозы), а также нижний предел флюенсов (доз) при заданной погрешности, если пренебречь остальными погрешностями. Способ измерения Флюенса быстрыхнейтронов, заключающийся в измерениисопротивления п-кремния, изменяющегося под действием облучения, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что, сцелью уменьшения температурной погрешности флюенса и его нижнего предела,и-кремний предварительно подвергаютаблучению быстрыми нейтронами флюен"сом (6-10) 10 н/смф.Источники инФормации,принятые во внимание при экспертизе 81, РоЬ 1 ем Г.У., ТацЬег С. О.,ЪРа 13 сег й Арр 11 сай 1 оп оЮ 511 соп Оаааяе йо йецйгоп Ехрозцге Меазцгшепй 1 ЕЕЕ (дцзО йцй оГ Еесйгса 1 апд 5 Е 1 ес 1 гопсз Епд 1 пегз). Тгацзасс 1 опзап пцс 1 еаг 5 с 1 епзе 1967, чо 1. й 5-14, Н 6, р.147-152. (Репродуцированный журнал 91597. Вестний института радиоинженеров. Серия й 5. Ядерная Фиэи ка 1 г Т)е2. Вашкин В.И., Кондратенков Ю.Б.Полупроводниковые дозиметры быстрых нейтронов. Сборник. Атомная техника за рубежом. М., Атомиздат, 1977, М 6, 1 ф .3-43.3. Патрикеев Л.й Одлепецкий Б.И.,Федчин В,М. Измерение интегральной плотности потока быстрых нейтронов кремниевым резистором. - "Приборы и го техника эксперимента", 1974 г, с.62