Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФЛЮЕНСА НЕЙТРОНОВ
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФЛЮЕНСА НЕЙТРОНОВ

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФЛЮЕНСА НЕЙТРОНОВ

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Использование: изобретение относится к технике измерения нейтронного излучения и может быть использовано для определения флюенса нейтронов. Цель изобретения - повышение чувствительности и упрощение способа определения флюенса нейтронов. Сущность изобретения: способ основан на использовании лавинного режима работы биполярного транзистора и измерений напряжений пробоя при включении с общей базой при разомкнутом эмиттере и при включении с общим эмиттером при разомкнутой базе до облучения и при включении с общим эмиттером при разомкнутой базе после облучения и определении флюенса нейтронов F по формулам: F=A·(Uкэопр/Uкбопр)3<·>[Uкэпр-Uкэопр+Kт<·>(T-T0)] , при F меньше 10 нейтр/см F=B·[Uкэпр-Uкэопр+Kт<·>(T-T0)](1.9+Uкэопр/Uкбопр) при F больше 1012 нейтр/см2 , где A, B - постоянные коэффициенты, зависящие от материала и типа транзистора; Uкэопр , Uкэпр - напряжения пробоя при включении с общим эмиттером при разомкнутой базе до и после облучения; Uкбопр - напряжение пробоя при включении с общей базой при разомкнутом эмиттере до облучения; Kт - температурный коэффициент напряжения пробоя; T0 , T - температуры, при которых измерялись Uкэопр и Uкэпр 2 ил.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2006881
Класс(ы) патента: G01T3/08
Номер заявки: 4929481/25
Дата подачи заявки: 19.04.1991
Дата публикации: 30.01.1994
Заявитель(и): Войсковая часть 51105
Автор(ы): Кириллов А.И.; Ходков А.Е.
Патентообладатель(и): Войсковая часть 51105
Описание изобретения: Изобретение относится к технике измерения нейтронного излучения и может быть использовано для определения флюенса нейтронов.
Известен способ измерения флюенса нейтронов по увеличению обратного тока диодов при фиксированном смещении [1] , однако чувствительность способа (более 1012 нейтр/см2) слишком мала для большинства случаев, а используемые детекторы требуют индивидуальной калибровки.
Известен полупроводниковый детектор для измерения мощности дозы рентгеновского и гамма-излучения с одним p-n-переходом, работающим в режиме лавинного пробоя [2] . Режим лавинного пробоя используется для увеличения амплитуд импульсов от электронно-дырочных пар, возникающих под действием квантов излучения. Детектор работает в узком интервале мощности дозы - (0,01. . . 0,1) Р/с и требует сложной пересчетной аппаратуры.
Наиболее близок к изобретению способ, основанный на изменении напряжения пробоя биполярных планарно-эпитаксиальных транзисторов под действием нейтронного излучения [3] .
Недостатками способа являются подборка транзисторов по одинаковым напряжениям лавинного пробоя, требующая огромного числа транзисторов; большая предварительная работа по снятию градуировочных кривых; невозможность измерения флюенса нейтронов менее ≈ 2˙109нейтр/см2 в связи с температурной флуктуацией Uкэ пр.
Цель изобретения - упрощение способа и увеличение чувствительности измерения флюенса нейтронов.
Поставленная цель достигается тем, что транзистор перед облучением вводят в режим лавинного пробоя, измеряют величины пробивных напряжений при включении с общей базой при разомкнутом эмиттере и при включении с общим эмиттером при разомкнутой базе, после облучения измеряют изменившееся напряжение пробоя при включении с общим эмиттером при разомкнутой базе, а флюенс определяют по формулам F= A·(Uкэопр/Uкбопр)3<×>[Uкэпр-Uкэопр+Kт(T-Tо)] (1) при F меньше 1012 нейтр/см2; F= B·[Uкэпр-Uкэопр+Kт(T-Tо)] (1,9+Uкэопр/Uкбопр) (2) при F больше 1012 нейтр/см2, где A, В - постоянные коэффициенты, зависящие от материала и типа транзистора;
Uкб опр - напряжение пробоя транзистора, включенного по схеме с общей базой, при разомкнутом эмиттере до облучения;
Uкэ опр - напряжение пробоя транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, при разомкнутой базе до облучения;
Uкэ пр - напряжение пробоя транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, при разомкнутой базе после воздействия флюенса F;
Кт - температурный коэффициент напряжения пробоя;
Т - температура, при которой измерялось Uкэ пр;
То - температура, при которой измерялось Uкэ опр.
Отличительными признаками предлагаемого способа определения флюенса нейтронов являются измерение перед облучением двух величин напряжений пробоя Uкб опр и Uкэ опр; вычисление флюенса нейтронов по формулам (1), (2) для измеренных значений Uкб опр, Uкэ опр, Uкэ пр; коррекция флюенса в зависимости от температуры окружающей среды.
Сущность технического решения заключается в следующем.
Рассмотрим статические параметры транзистора при включении с общим эмиттером в лавинном режиме
Uкэопр= U, (3) учитывая, что
Io/I = 1/M = αo, (4) получим
Uкэопр=U, (5) где Iо - обратный ток коллектор - эмиттерного перехода в обычном режиме;
I - ток, текущий через транзистор при заданном режиме;
αo - коэффициент передачи тока эмиттера в обычном режиме;
n - постоянный коэффициент, зависящий от материала и типа транзистора.
Радиационные дефекты, образованные под действием нейтронного излучения, являются эффективными центрами захвата и рекомбинации носителей заряда, поэтому у полупроводников в наибольшей степени претерпевают изменение время жизни неосновных носителей заряда. Соответствующая зависимость имеет вид
1/τ = 1/τo + Kτ˙ F , (6) где τo - начальное время жизни носителей;
τ - время жизни носителей после воздействия флюенса нейтронов F;
Kτ - константа радиационного повреждения времени жизни.
Учитывая, что время жизни неосновных носителей максимально связано с коэффициентом передачи тока эмиттера, следует, что величина из формулы (3) существенно увеличивается уже от небольших значений флюенсов нейтронов до ≈ 1013 нейтр/см2. При больших значениях F изменение значительно слабее и ее вклад в увеличение Uкэ пруменьшается.
Однако при F, больших 1013 нейтр/см2, наблюдается более быстрое уменьшение концентрации основных носителей полупроводникового материала транзистора и, следовательно, увеличивается напряжение пробоя коллектор-базового перехода (Uкб опр) из формулы (3), из-за увеличения удельного сопротивления материала транзистора.
Эмпирически установлено, что напряжение пробоя p-n-перехода (6) устанавливается по соотношению
Uпр = В ˙ρK, (7) где В и К - коэффициенты, зависящие от материала и типа p-n-перехода;
ρ - удельное сопротивление полупроводникового материала;
ρ = ρo˙ exp(3,5˙10-16 ρo1/2 ˙F) (8)
Существенной особенностью является то, что удельное сопротивление сохраняет тенденцию к увеличению с ростом значений флюенса до 1017 - 1018 нейтр/см2.
Таким образом, результирующее изменение Uкэ пр определяется произведением двух сомножителей, один из которых имеет большую чувствительность к флюенсу нейтронов с тенденцией к насыщению при F ≈ 1013 - 1014 нейтр/см2, а другой - Uкб пр начинает заметно увеличиваться при значениях флюенса, больших 1013 нейтр/см2, и сохраняет эту зависимость до величин F, больших 1017 нейтр/см2.
Рассмотрим температурную зависимость напряжений пробоя
Uкб опр(Т) = Uкб опрo) [1 + Ст(Т - Тo)] , (9) где Uкб опр(Т) - напряжение пробоя коллектор-базового перехода при температуре Т;
Uкб опрo) - напряжение пробоя коллектор-базового перехода при температуре То;
Ст - температурный коэффициент напряжения пробоя
Ст = 6,5 ˙10-4 1/оС для Si,
Ст = 1,2 ˙10-3 1/оС для Ge.
Подставляя значение Uкб опр(Т) в формулу (5) и учитывая компенсирующее влияние αo (7), получим, что у германиевых транзисторов Uкб опр(Т) меняется на 1,2% в диапазоне температур от -60оС до +60оС, а для кремниевых на 0,5% , или соответственно на 6 мВ/oC и 2,5 мВ/оС.
Учитывая сложный характер зависимости изменения напряжения пробоя от воздействия нейтронного излучения и практическую невозможность ее строго аналитического вывода, была проведена большая экспериментальная работа по выявлению этой зависимости и ее аппроксимации.
Установлено, что зависимость F(Uкэ пр) при небольших увеличениях Uкэ пр близка к линейной и пропорциональна (Uкэ опр/U кбопр)3. При дальнейшем увеличении Uкэ пр зависимость F(Uкэ пр) перерастает в степенную с показателем степени (1,9 + Uкэ опр/Uкб опр).
Вследствие этого предлагается определить флюенс нейтронов по формулам (1) и (2). Величина F = 1012 нейтр/см2 выбрана по минимальному отклонению экспериментально снятых характеристик F (Uкэ пр) от аппроксимированных данными функциями. Погрешность аппроксимации для всех исследуемых транзисторов составила не более +20% при доверительной вероятности Р = 0,95.
Приведем результаты определения флюенса кремниевыми планарно-эпитаксиальными транзисторами.
Исследования проводились на ядерном реакторе быстрых нейтронов.
В основном использовался статистический режим работы реактора, что позволило экспериментально установить зависимость изменения Uкэ прот флюенса нейтронов в процессе облучения. Мониторирование осуществлялось штатными средствами.
Вблизи начальных значений измеряемого флюенса чувствительность составила [(2. . . 3) ˙108 нейтр/см2] /мВ в зависимости от значений Uкб опр, Uкэ опр.
Напряжения шумов составили около 0,5 мВ, что определило нижнюю границу измеряемого флюенса ≈2˙108 нейтр/см2.
Для удобства, напряжения пробоя измерялись в милливольтах. При этом коэффициенты в формулах (1) и (2) принимались следующими:
A = 1,15 ˙109; В = 1,09 ˙104; Кт = 2,5.
В этом случае установленная зависимость представляется в виде
F= 1.15×109×(Uкэопр/Uкбопр)3<×>[Uкэпр-Uкэопр+2.5(T-Tо)] (10) при F меньше 1012 нейтр/см2, F= 1.09×104×[Uкэпр-Uкэопр+2.5(T-Tо)] (1,9+Uкэопр/Uкбопр) (11) при F больше 1012 нейтр/см2.
Изложенные материалы показывают, что использование предлагаемого способа может найти широкое применение для обеспечения дозиметрического сопровождения радиационных исследований и испытаний на ядерно-физических установках.
На фиг. 1 приведены экспериментально снятые зависимости F = f(Uкэ пр - Uкэ опр) при максимально достигнутом флюенсе нейтронов 1,1 ˙1015 нейтр/см2 (сплошные кривые) и установленные по соотношениям 10, 11 (пунктирные кривые); на фиг. 2 показаны те же зависимости при флюенсах нейтронов до 1012 нейтр/см2.
Из анализа материалов, представленных на фиг. 2, следует, что характер зависимости F = f(Uкэ пр - Uкэ опр) не изменился, из чего можно сделать вывод, что радиационный ресурс транзисторов далеко не исчерпан.
Таким образом, применение способа позволило значительно упростить определение флюенса нейтронов и на порядок увеличить чувствительность по сравнению с аналогами.
Использование описываемого способа может найти широкое применение для обеспечения дозиметрического сопровождения радиационных исследований и испытаний на ядерно-физических установках. (56) 1. Франк М. , Штольц В. "Твердотельная дозиметрия ионизирующего излучения". М. : Атомиздат, 1973.
2. Bernt H. , Keil G. , Ruge I. In Solid State and Chemical Radiotion Dosimetry in Medicine and Biology, Intern Atomic Energy Agency Vienna, 1967, p. 197.
3. Тезисы докладов на V Всесоюзном совещании по метрологии нейтронного излучения на реакторах и ускорителях. М. , 1990.
Формула изобретения: СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФЛЮЕНСА НЕЙТРОНОВ, основанный на измерении изменяющегося напряжения пробоя биполярного транзистора под воздействием облучения, отличающийся тем, что, с целью увеличения чувствительности и упрощения способа, у транзистора перед облучением измеряют величины пробивных напряжений при включении с общей базой при разомкнутом эмиттере и при включении с общим эмиттером при разомкнутой базе, после облучения измеряют изменившееся напряжение пробоя при включении с общим эмиттером при разомкнутой базе, а флюенс определяют по формулам
F= A[Uкэпр-Uкэопр+Kт(T-Tо)]
при F меньше 1012 нейтр/см2,
F= B×[Uкэпр-Uкэопр+Kт(T-Tо)]
при F больше 1012 нейтр/см2,
где A, B - постоянные коэффициенты, зависящие от материала и типа транзистора;
Uкбопр - напряжение пробоя транзистора, включенного по схеме с общей базой при разомкнутом эмиттере до облучения;
Uкэопр - напряжение пробоя транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером при разомкнутой базе до облучения;
Uкэпр - напряжение пробоя транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером при разомкнутой базе после воздействия флюенса нейтронов F;
Kт - температурный коэффициент напряжения пробоя;
T - температура, при которой измерялось Uкэпр;
Tо - температура, при которой измерялось Uкэопр.