RU169457U1

RU169457U1 - NEUTRON DETECTOR BASED ON SYNTHETIC DIAMOND

Info

Publication number: RU169457U1
Application number: RU2016147730U
Authority: RU
Inventors: Сергей Анатольевич Афанасьев; Кирилл Викторович Захарченко; Константин Николаевич Зяблюк; Владимир Александрович Колюбин; Сергей Анатольевич Львов; Павел Геннадиевич Недосекин
Priority date: 2016-12-06
Filing date: 2016-12-06
Publication date: 2017-03-21

Abstract

Полезная модель относится к полупроводниковым детекторам ионизирующих излучений, а именно к алмазному детектору нейтронов, состоящему из алмазной подложки, графитизированного слоя инжекторного электрода тонкого чувствительного алмазного слоя с металлизированным слоем коллекторного электрода и конвертора нейтронов, и в котором на тыльную сторону алмазной подложки нанесен металлизированный слой вспомогательного коллекторного электрода и дополнительно установлена вторая алмазная подложка с металлизированным слоем вспомогательного коллекторного электрода, графитизированным слоем инжекторного электрода, тонким чувствительным алмазным слоем, поверх которого нанесен металлизированный слой коллекторного электрода, причем вторая алмазная подложка установлена вплотную к первой и обращена коллекторным электродом к конвертору нейтронов первой алмазной подложки. Полезная модель обеспечивает снижение чувствительности детектора к фоновому потоку заряженных частиц и гамма-излучению, высокую радиационную стойкость детектора и минимизацию его масса-габаритных характеристик. 2 ил.The utility model relates to semiconductor ionizing radiation detectors, namely, a diamond neutron detector, consisting of a diamond substrate, a graphitized layer of an injection electrode of a thin sensitive diamond layer with a metallized layer of a collector electrode and a neutron converter, and in which a metallized layer of an auxiliary layer is deposited on the back side of the diamond substrate collector electrode and additionally installed a second diamond substrate with a metallized layer auxiliary a collector electrode, graphitized injection electrode layer, a thin diamond-sensitive layer on top which is deposited a metallized layer of collector electrode, wherein the second diamond substrate mounted adjacent to the first collector electrode and facing the neutron converter to the first diamond substrate. The utility model provides a decrease in the sensitivity of the detector to the background flow of charged particles and gamma radiation, high radiation resistance of the detector and minimization of its mass-dimensional characteristics. 2 ill.

Description

Полезная модель относится к полупроводниковым детекторам ионизирующих излучений, в частности к детекторам вторичных нейтронов космического излучения, и может использоваться в дозиметрических приборах нейтронного излучения на пилотируемых космических станциях и дозиметрических приборах нейтронных потоков в ядерной энергетике.The utility model relates to semiconductor detectors of ionizing radiation, in particular to detectors of secondary neutrons of cosmic radiation, and can be used in dosimetric devices of neutron radiation in manned space stations and dosimetric devices of neutron flux in nuclear energy.

Основными отраслями применения детектора ионизирующих излучений на основе алмаза являются космическая и ядерная.The main applications of the diamond-based ionizing radiation detector are space and nuclear.

В настоящее время алмаз является перспективным материалом для создания радиационно-стойких детекторов ионизирующих излучений, способных работать 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).Currently, diamond is a promising material for the creation of radiation-resistant detectors of ionizing radiation, capable of working in flows of ionizing radiation of neutral and charged particles with a high density. Such capabilities of diamond detectors are explained by the large band gap (5.47 eV) and the high energy required to displace the carbon atom from the lattice (> 45 eV).

Из уровня техники [патент US 3723726 А, опубл. 27.03.1973] известно устройство, состоящее из алмазной пластины, на которую нанесены контактные электроды. Алмазная пластина с контактными электродами крепится к основанию, причем сверху контактного электрода установлен конвертор из чувствительного к нейтронам материала, например В¹⁰. Напряжение смещения на алмазную пластину подается через один контактный электрод, а съем сигнала осуществляется с другого контактного электрода.The prior art [patent US 3723726 A, publ. 03/27/1973] a device is known consisting of a diamond plate on which contact electrodes are applied. A diamond plate with contact electrodes is attached to the base, and a converter from a neutron-sensitive material, for example, B ^10, is mounted on top of the contact electrode. The bias voltage on the diamond plate is supplied through one contact electrode, and the signal is taken from another contact electrode.

При попадании теплового нейтрона в конвертор в нем 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 соединительный вывод поступают на вход измерительного блока.When a thermal neutron enters the converter, a reaction occurs in it, as a result of which high-energy particles are formed. In particular, the boron isotope B ¹⁰ decays into an alpha particle and Li ⁷ . When these particles get into a diamond plate, they generate a charge in it in the form of electron - hole pairs. Under the action of the electric field of displacement, the charges formed in the diamond plate are collected on the contact electrode and through the connecting output are fed to the input of the measuring unit.

Такой алмазный детектор чувствителен к гамма-излучению, которое практически всегда сопутствует нейтронному излучению, и к потокам ионизирующих частиц космического излучения, при этом сигнал от гамма-излучения и ионизирующих частиц космического излучения вносит существенный вклад в результирующий сигнал детектора нейтронов. Наличие чувствительности к космическому и гамма-излучению приводит к значительным ошибкам измерения интенсивности нейтронного потока, что является существенным недостатком детектора.Such a diamond detector is sensitive to gamma radiation, which is almost always associated with neutron radiation, and to flows of ionizing particles of cosmic radiation, while the signal from gamma radiation and ionizing particles of cosmic radiation makes a significant contribution to the resulting signal of the neutron detector. The presence of sensitivity to cosmic and gamma radiation leads to significant errors in measuring the neutron flux intensity, which is a significant drawback of the detector.

Из уровня техники [James D. Kinnison et al. High-Energy Neutron Spectroscopy with Thick Silicon Detectors / Radiation Research, 2003, Vol. 159, pp. 154-160] также известно устройство детектора вторичных нейтронов космического излучения, в котором регистрация нейтронов осуществляется кремний-литиевыми p-i-n диодом. В данном детекторе конвертором нейтронов выступает Li⁶, имплантированный в i-область кремниевого диода. Вторичные альфа-частицы, образующиеся за счет распада изотопа Li⁶, регистрируются кремниевым диодом. Для устранения влияния ионизирующих частиц космического излучения кремниевый детектор помещен в цилиндр из пластмассового сцинтиллятора (экран антисовпадений), на торцах которого установлены кремниевые фотоумножители (SPM). Выходной сигнал с кремниевых фотоумножителей подается на управляющий вход схемы ключа. На информационный вход схемы ключа подается выходной сигнал кремниевого детектора. Выход схемы ключа соединяется с входом узла регистрации потока нейтронов. При попадании нейтрона в данный детектор нейтрон не взаимодействует с экраном антисовпадения и, попадая в конвертор Li⁶, вызывает в конверторе реакцию n, α, в результате чего образуется альфа-частица и ядро трития, которые регистрируются p-i-n диодом и фиксируются узлом регистрации. При попадании ионизирующей частицы космического излучения в блок детектирования в сцинтилляторе, окружающем кремниевый детектор, возникает вспышка, которая регистрируется кремниевыми фотоумножителями. При этом выходной сигнал фотоумножителей блокирует схему ключа и тем самым блокирует поступление выходного сигнала кремниевого p-i-n диода на схему узла регистрации потока нейтронов. Таким образом, исключается регистрация сигналов от ионизирующих частиц космического излучения, попадающих в детектор нейтронов.From the prior art [James D. Kinnison et al. High-Energy Neutron Spectroscopy with Thick Silicon Detectors / Radiation Research, 2003, Vol. 159, pp. 154-160] also known device of the detector of secondary neutrons of cosmic radiation, in which neutrons are detected by a silicon-lithium pin diode. In this detector, the neutron converter is Li ⁶ implanted in the i-region of a silicon diode. Secondary alpha particles resulting from the decay of the Li ⁶ isotope are detected by a silicon diode. To eliminate the influence of ionizing particles of cosmic radiation, a silicon detector is placed in a cylinder made of a plastic scintillator (anti-coincidence screen), at the ends of which silicon photomultipliers (SPMs) are installed. The output signal from the silicon photomultipliers is fed to the control input of the key circuit. The output signal of the silicon detector is fed to the information input of the key circuit. The output of the key circuit is connected to the input of the neutron flux registration unit. When a neutron enters this detector, the neutron does not interact with the anti-coincidence screen and, falling into the Li ⁶ converter, causes an n, α reaction in the converter, as a result of which an alpha particle and a tritium nucleus are formed, which are detected by a pin diode and fixed by a registration unit. When an ionizing particle of cosmic radiation enters the detection unit in a scintillator surrounding a silicon detector, a flash arises, which is detected by silicon photomultipliers. In this case, the output signal of the photomultipliers blocks the key circuit and thereby blocks the output of the silicon pin diode output signal to the circuit of the neutron flux registration unit. Thus, the registration of signals from ionizing particles of cosmic radiation entering the neutron detector is excluded.

К недостаткам данного устройства следует отнести наличие объемного и, следовательно, обладающего большой массой экрана антисовпадения. Кроме того, сцинтилляционный экран является не радиационностойким и существенно ограничивает рабочий ресурс блока детектирования.The disadvantages of this device include the presence of volumetric and, therefore, having a large mass anti-coincidence screen. In addition, the scintillation screen is not radiation resistant and significantly limits the working life of the detection unit.

Ближайшим аналогом (прототипом) полезной модели является устройство алмазного детектора для регистрации нейтронов [М. Marinelli et al. High performance ⁶LiF-diamond thermal neutron detectors / Applied Physics Letters, 2006, Vol. 89, pp. 143509(1-3)], которое 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 чувствительного алмазного слоя. На поверхность низкопримесного слоя наносится металлический контактный электрод, на котором устанавливается конвертор тепловых нейтронов, например из В¹⁰. Регистрации нейтронов в данном устройстве осуществляется таким же образом, как и в устройстве [патент US 3723726 А, опубл. 27.03.1973].The closest analogue (prototype) of the utility model is the device of a diamond detector for detecting neutrons [M. Marinelli et al. High performance ⁶ LiF-diamond thermal neutron detectors / Applied Physics Letters, 2006, Vol. 89, pp. 143509 (1-3)], which consists of a diamond substrate, a sensitive diamond layer, a conductive diamond layer doped with boron, playing the role of a contact electrode to which a signal terminal is connected, a thermal neutron converter and terminals for supplying a bias voltage. For the manufacture of this device on a diamond substrate by the method of epitaxy from the gas phase (CVD, chemical vapor deposition), a conductive diamond layer doped with boron is grown on which a low impurity sensitive diamond layer is grown by gas-phase epitaxy. A metal contact electrode is deposited on the surface of the low-impurity layer, on which a thermal neutron converter is installed, for example, of B ¹⁰ . The neutron registration in this device is carried out in the same manner as in the device [patent US 3723726 A, publ. 03/27/1973].

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 тонкий (5-10 мкм) чувствительный слой алмаза, будут оставлять в этом слое незначительную энергию, тем самым практически не создавая сигнала в алмазном детекторе. Преимуществом данного устройства также является радиационная стойкость алмазного детектора.The advantage of this device is that the sensitive diamond layer can be grown sufficiently thin 5-10 microns. This thickness of the diamond layer is sufficient to detect alpha particles emitted from the converter under the influence of thermal neutrons. At the same time, gamma rays accompanying neutron radiation passing through a thin (5-10 μm) sensitive layer of diamond will leave negligible energy in this layer, thereby practically creating no signal in the diamond detector. The advantage of this device is also the radiation resistance of the diamond detector.

Существенным недостатком прототипа при его использовании для регистрации вторичных нейтронов в потоках космического излучения является то, что не смотря на малую толщину активного алмазного слоя, тяжелые ионы галактических и солнечных космических лучей, которые обладают высоким значением линейной передачи энергии (ЛПЭ), лежащим в диапазоне от 10 до 100 МэВ/(мг/см²), будут порождать выходной сигнал тонкого алмазного детектора, сопоставимый с сигналом, возникающим при регистрации нейтрона, что приводит к невозможности использовать такой детектор для регистрации вторичных нейтронов космического излучения.A significant disadvantage of the prototype when it is used to detect secondary neutrons in cosmic radiation fluxes is that, despite the small thickness of the active diamond layer, heavy galactic and solar cosmic ray ions, which have a high linear energy transfer (LET), ranging from 10 to 100 MeV / (mg / cm ² ), they will generate the output signal of a thin diamond detector, comparable with the signal that occurs when a neutron is detected, which makes it impossible to use such a de a tector for recording secondary neutrons of cosmic radiation.

Технический результат полезной модели заключается в снижении чувствительности детектора к фоновому потоку заряженных частиц и гамма-излучению, обеспечении высокой радиационной стойкости детектора и минимизации его масса-габаритных характеристик.The technical result of the utility model is to reduce the sensitivity of the detector to the background flow of charged particles and gamma radiation, ensuring high radiation resistance of the detector and minimizing its mass-dimensional characteristics.

Технический результат достигается тем, что в алмазном детекторе нейтронов, состоящем из алмазной подложки, графитизированного слоя инжекторного электрода тонкого чувствительного алмазного слоя с металлизированным слоем коллекторного электрода и конвертора нейтронов, на тыльную сторону алмазной подложки нанесен металлизированный слой вспомогательного коллекторного электрода и дополнительно установлена вторая алмазная подложка с металлизированным слоем вспомогательного коллекторного электрода, графитизированным слоем инжекторного электрода, тонким чувствительным алмазным слоем, поверх которого нанесен металлизированный слой коллекторного электрода, причем вторая алмазная подложка установлена вплотную к первой и обращена коллекторным электродом к конвертору нейтронов первой алмазной подложки.The technical result is achieved in that in a diamond neutron detector, consisting of a diamond substrate, a graphitized layer of an injection electrode of a thin sensitive diamond layer with a metallized layer of a collector electrode and a neutron converter, a metallized layer of an auxiliary collector electrode is deposited on the back side of the diamond substrate and an additional diamond substrate is installed with a metallized layer of an auxiliary collector electrode, a graphitized layer of an injector th electrode, a thin diamond-sensitive layer on top which is deposited a metallized layer of collector electrode, wherein the second diamond substrate mounted adjacent to the first collector electrode and facing the neutron converter to the first diamond substrate.

Устройство алмазного детектора нейтронов представлено на фиг. 1, где: 1, 10 - алмазные подложки; 2, 11 - металлические обкладки вспомогательных коллекторных электродов; 4, 8 - тонкие эпитаксиальные алмазные слои; 3, 9 - графитизированные слои инжекторных электродов; 5, 7 - металлические обкладки основных коллекторных электродов; 6 - конвертор нейтронов.A diamond neutron detector device is shown in FIG. 1, where: 1, 10 - diamond substrates; 2, 11 - metal plates of auxiliary collector electrodes; 4, 8 - thin epitaxial diamond layers; 3, 9 - graphitized layers of injection electrodes; 5, 7 - metal plates of the main collector electrodes; 6 - neutron converter.

Алмазный детектор нейтронов изготавливается на основе двух алмазных подложек с малым количеством примесей (пластины электронного качества), выращенных CVD способом. На одной из граней подложек на глубину около 0,3 мкм проводится ионная имплантация атомов гелия [Alexander Oh et al. A novel detector with graphitic electrodes in CVD diamond/ Diamond & Related Materials, 2013, Vol. 38, pp. 9-13] с энергией до 350 кэВ. В результате чего в подложках формируются проводящие графитизированные слои, которые выполняют роль инжекторных электродов алмазного детектора. После имплантации атомов гелия проводится отжиг подложек для устранения дефектов структуры поверхности, через которую осуществлялась имплантация. Затем на восстановленной поверхности подложек CVD способом производится наращивание алмазной пленки электронного качества толщиной 15-20 мкм. На поверхность алмазной пленки и на тыльную сторону алмазных подложек методом вакуумного напыления наносятся металлические контакты толщиной 0,1-0,3 мкм, которые выполняют роль основных и вспомогательных коллекторных электродов. На одну из подложек, поверх металлического контакта, расположенного на поверхности алмазной пленки, наносится слой конвертора нейтронов, например Li⁶. Алмазные подложки с сформированными слоями располагаются вплотную друг к другу, так чтобы тонкие алмазные слои оказались внутри структуры детектора.A diamond neutron detector is made on the basis of two diamond substrates with a small amount of impurities (electron-quality wafers) grown by the CVD method. Ion implantation of helium atoms is carried out on one of the faces of the substrates to a depth of about 0.3 μm [Alexander Oh et al. A novel detector with graphitic electrodes in CVD diamond / Diamond & Related Materials, 2013, Vol. 38, pp. 9-13] with energies up to 350 keV. As a result, conductive graphitized layers are formed in the substrates, which act as injection electrodes of the diamond detector. After implantation of helium atoms, annealing of the substrates is carried out to eliminate defects in the structure of the surface through which the implantation was carried out. Then, on the reconstructed surface of the CVD substrates, a method of building a diamond film of electronic quality with a thickness of 15-20 microns is performed. On the surface of the diamond film and on the back of the diamond substrates, metal contacts 0.1-0.3 μm thick are applied by vacuum spraying, which act as the main and auxiliary collector electrodes. On one of the substrates, on top of the metal contact located on the surface of the diamond film, a layer of a neutron converter, for example Li ⁶ , is applied. The diamond substrates with the formed layers are located close to each other, so that the thin diamond layers are inside the detector structure.

Схема включения алмазного детектора нейтронов и треки заряженной частицы и нейтрона при их регистрации детектором показаны на фиг. 2.A diagram of the inclusion of a diamond neutron detector and tracks of a charged particle and a neutron during their registration by the detector are shown in FIG. 2.

На инжекторные электроды алмазного детектора подается положительное напряжение смещения детектора (U_см). Основные коллекторные электроды детектора подсоединяются к входу основного усилителя (У1), выход которого подается на вход схемы ключа (К). Вспомогательные коллекторные электроды подсоединяются к входу управляющего усилителя (У2), выход которого соединен с управляющим входом схемы ключа (К). Выход схемы ключа (К) подсоединен к входу счетчика (СЧ), фиксирующего количество нейтронов, зарегистрированное детектором.A positive bias voltage of the detector (U _cm ) is applied to the injection electrodes of the diamond detector. The main collector electrodes of the detector are connected to the input of the main amplifier (U1), the output of which is fed to the input of the key circuit (K). Auxiliary collector electrodes are connected to the input of the control amplifier (U2), the output of which is connected to the control input of the key circuit (K). The output of the key circuit (K) is connected to the input of the counter (MF), which fixes the number of neutrons registered by the detector.

При попадании в детектор теплового нейтрона (n) нейтрон проходит алмазные слои детектора без взаимодействия и попадает в слой конвертора нейтронов. В результате взаимодействия нейтрона с веществом конвертора (Li⁶) в конверторе образуются α-частица и ядро трития (t) с суммарной кинетической энергией 4,78 МэВ. Ядро трития и α-частица разлетаясь попадают в тонкие алмазные слои детектора, порождая в них электрические заряды. Заряды под действием напряжения смещения собираются на основных коллекторных электродах и подаются на вход основного усилителя (У1), где преобразуются в импульс напряжения, который через схему ключа проходит на вход счетчика (СЧ) регистрации нейтронов.When a thermal neutron (n) enters the detector, the neutron passes through the diamond layers of the detector without interaction and enters the neutron converter layer. As a result of the interaction of a neutron with the converter substance (Li ⁶ ), an α-particle and a tritium nucleus (t) with a total kinetic energy of 4.78 MeV are formed in the converter. The tritium nucleus and the flying α-particle fall into the thin diamond layers of the detector, generating electric charges in them. Charges under the action of bias voltage are collected at the main collector electrodes and fed to the input of the main amplifier (U1), where they are converted into a voltage pulse, which passes through the key circuit to the input of the neutron counter (MF).

При попадании в детектор ионизирующей частицы или гамма-кванта (р) в слоях алмазных подложек и в тонких алмазных слоях детектора образуются заряды, которые под действием напряжения смещения (U_см) собираются на основных и дополнительных коллекторных электродах детектора. Заряды с дополнительных коллекторных электродов подаются на вход управляющего усилителя (У2), с выхода которого сигнал поступает на управляющий вход схемы ключа (К) и блокирует передачу выходного сигнала основного усилителя (У1) на вход схемы счетчика (СЧ). Таким образом, в детекторе исключается регистрация ионизирующих частиц и гамма-квантов.When an ionizing particle or gamma ray (p) enters the detector, charges are formed in the layers of diamond substrates and in the thin diamond layers of the detector, which are collected on the main and additional collector electrodes of the detector under the action of a bias voltage (U _cm ). Charges from additional collector electrodes are fed to the input of the control amplifier (U2), from the output of which the signal goes to the control input of the key circuit (K) and blocks the transmission of the output signal of the main amplifier (U1) to the input of the counter circuit (MF). Thus, the detector excludes registration of ionizing particles and gamma rays.

Полезная модель по сравнению с известными техническими решениями позволяет изготовить алмазный детектор нейтронов, нечувствительный как к гамма-фону, так и к потокам ионизирующих частиц, обладает высокой радиационной стойкостью алмазного детектора и минимальными масса-габаритными характеристиками.The utility model, in comparison with the known technical solutions, makes it possible to manufacture a diamond neutron detector, insensitive to both gamma background and fluxes of ionizing particles, has a high radiation resistance of the diamond detector and minimal weight and size characteristics.

Claims

A diamond neutron detector, consisting of a diamond substrate, a graphitized layer of the injection electrode of a thin sensitive diamond layer with a metallized layer of the collector electrode and a neutron converter, characterized in that a metallized layer of the auxiliary collector electrode is deposited on the back side of the diamond substrate and a second diamond substrate with a metallized layer is additionally installed auxiliary collector electrode, a graphitized layer of the injection electrode, thin a substantial diamond layer over which a metallized layer of the collector electrode is deposited, the second diamond substrate being installed close to the first and facing the neutron converter of the first diamond substrate with the collector electrode.