полупроводниковый детектор для регистрации сопутствующих нейтронам заряженных частиц в нейтронном генераторе со статическим вакуумом

Формула изобретения

1. Полупроводниковый детектор для регистрации сопутствующих нейтронам заряженных частиц в нейтронном генераторе со статическим вакуумом, включающий полупроводниковый регистрирующий элемент, размещенный в диэлектрическом корпусе, закрытый как со стороны потока заряженных частиц, так и с противоположной стороны слоями металла, электрически соединенными с токоотводами, отличающийся тем, что токоотвод со стороны потока заряженных частиц выполнен в виде жесткой прижимной металлической пластины с отверстием напротив чувствительной зоны полупроводникового регистрирующего элемента, прикрепленной к диэлектрическому корпусу, а токоотвод с противоположной стороны выполнен в виде жесткой металлической пластины, поджатой пружинным элементом к полупроводниковому регистрирующему элементу, при этом диэлектрический корпус выполнен из вакуум-плотного материала с газовой десорбционной способностью не более 5· 10^-8 мбар· см^-2· с ^-1.

2. Полупроводниковый детектор по п.1, отличающийся тем, что корпус выполнен из керамики.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области ядерной физики и может быть использовано для регистрации сопутствующих нейтронам заряженных частиц в нейтронном генераторе со статическим вакуумом.

Известны устройства, содержащие, по меньшей мере, один неорганический сцинтиллятор, нанесенный на оптическое стекло, и фотоэлектронный умножитель (ФЭУ). При этом сцинтиллятор(ы) находится в статическом вакууме нейтронного генератора, а ФЭУ - вне зоны вакуума, US 6297507.

Быстродействие и эффективность регистрации сопутствующих нейтронам заряженных частиц (чувствительность) этого устройства малы вследствие:

- недостаточной интенсивности свечения, вызванного прохождением через сцинтиллятор сопутствующих нейтронам заряженных частиц;

- поглощения части свечения самим сцинтиллятором;

- дополнительных потерь свечения в переходах сцинтиллятор - стекло - ФЭУ.

Устройство по причинам, изложенным выше, имеет быстродействие (максимальный счет сопутствующих заряженных частиц) порядка 10⁴ частиц в секунду. Такой счет (регистрация) сопутствующих заряженных частиц и, следовательно, выделенных по направлению "меченых" нейтронов является недостаточным для практического использования в системе неразрушающего анализа, базирующейся на портативном нейтронном генераторе, см. "Associated particle imaging (API)", Report of Bechtel Nevada (BN) Special Technologies Laboratory (STL), USA, DOE/NV 11718-223, UC-700, May, 1998, http://www.osti.gov/dublincore/gpo/servlets/purl/304166-TEKYDQ/webviewable/304166.pdf.

Известен также полупроводниковый детектор для регистрации заряженных частиц, включающий полупроводниковый регистрирующий элемент, размещенный в диэлектрическом корпусе, выполненном из фольгированного стеклотекстолита, а также токоотводы. Полупроводниковый регистрирующий элемент закреплен в корпусе эпоксидным клеем. Электроды, выполненные в виде тонких слоев металла, одновременно нанесены на поверхности полупроводникового элемента и корпуса напылением. Токоотводы (электрические контакты) прикреплены к металлу корпуса пайкой, проводящим клеем или прижимом, см. Гаценко Л.С., Федосеева О.П. “Полностью обедненные дрейфовые детекторы”, “Приборы и техника эксперимента”, №4, июль-август, 1974, с.46-48 (копия ссылки прилагается). Данное техническое решение принято за прототип настоящего изобретения и может использоваться для регистрации сопутствующих нейтронам заряженных частиц в объеме постоянно откачиваемого вакуума генератора нейтронов (Арльт Р. и др. “Абсолютные измерения сечения деления ²³⁹Рu нейтронами энергией 8,5 МэВ”, “Атомная энергия”, том 57, вып.4, октябрь, 1984, с.249-251). В силу своей конструкции и материалов, из которых состоит устройство, оно не может быть использовано в ограниченном объеме со статическим (неоткачиваемым) вакуумом, в том числе, внутри статического вакуума нейтронного генератора. Это объясняется тем, что процесс получения статического вакуума требует высокотемпературного удаления газов, связанного с нагревом всей конструкции при непрерывном откачивании вакуумного объема вместе с устройством, помещенным в этот объем, до температур порядка 400° С в течение 10-12 часов. При таких температурах электрические контакты, диэлектрическая изоляция и структура материалов устройства нарушаются вследствие разных температурных коэффициентов расширения или деградации самих материалов. Кроме того, материалы, из которых выполнено устройство, не являются вакуум-плотными, поэтому процесс длительной десорбции газа после отсечения вакуумного объема от откачивающего насоса приводит в дальнейшем к нарушению статического вакуума и отказу работы нейтронного генератора.

Изобретением решается задача обеспечения возможности регистрации сопутствующих нейтронам заряженных частиц в нейтронном генераторе со статическим вакуумом при скорости регистрации до 10⁷ частиц в секунду. Для этого устройство должно быть устойчиво к нагреву до 400° С при откачивании вакуумной системы нейтронного генератора перед его запаиванием, нечувствительно к свечению как пучка, так и рассеянных на мишени нейтронного генератора ионов дейтерия (трития), устойчиво к высоким потокам заряженных частиц и нейтронов (до 10⁶ частиц в секунду через 1 см² поверхности), обладать малой десорбционной способностью, а также иметь слабую чувствительность к нейтронному, гамма-, рентгеновскому и электромагнитному излучениям.

Согласно изобретению эта задача решается за счет того, что в полупроводниковом детекторе для регистрации сопутствующих нейтронам заряженных частиц в нейтронном генераторе, включающем полупроводниковый регистрирующий элемент, размещенный в диэлектрическом корпусе, закрытый как со стороны потока заряженных частиц, так и с противоположной стороны слоями металла, электрически соединенными с токоотводами, токоотвод со стороны потока заряженных частиц выполнен в виде жесткой прижимной металлической пластины с отверстием напротив чувствительной зоны полупроводникового регистрирующего элемента, прикрепленной к диэлектрическому корпусу, а токоотвод с противоположной стороны выполнен в виде жесткой металлической пластины, поджатой пружинным элементом к полупроводниковому регистрирующему элементу, при этом диэлектрический корпус выполнен из вакуум-плотного диэлектрического материала с газовой десорбционной способностью не более 5· 10^-8 мбар· см^-2· с^-1; благодаря этому, практически, исключается искажение статического вакуума в течение полного цикла работы вакуумной трубки нейтронного генератора; корпус может быть выполнен из керамики.

Большая площадь контакта токоотвода с проводящими металлическими слоями полупроводникового регистрирующего элемента, обеспечиваемая в том числе и за счет механического прижима (давления), компенсирует расширение элементов устройства при высокотемпературном нагреве и предотвращает механические повреждения полупроводникового элемента; области полупроводникового элемента, чувствительные к свету и радиационным повреждениям, закрыты керамическим корпусом и находятся на стороне устройства, противоположной мишени нейтронного генератора.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где изображено:

на фиг.1 - схема нейтронного генератора с размещенным в нем полупроводниковым детектором;

на фиг.2 - полупроводниковый детектор в разрезе;

на фиг.3 - вариант, предусматривающий агрегацию из трех детекторов, объединенных в общем корпусе.

Полупроводниковый детектор 1 для регистрации сопутствующих нейтронам заряженных частиц в нейтронном генераторе 2 включает полупроводниковый регистрирующий элемент 3. В конкретном примере элемент 3 выполнен из кремния с проводимостью n-типа. Элемент 3 размещен в корпусе 4, выполненном из вакуум-плотного диэлектрического материала с газовой десорбционной способностью не более 5· 10^-8 мбар· см^-2· с^-1; вакуум-плотным материалом считается материал, обеспечивающий длительное сохранение заданной глубины вакуума, что обусловлено как его текстурой, так и минимальным выделением газов (газовой десорбционной способностью).

В рассматриваемом примере корпус выполнен из диэлектрического вакуум-плотного материала - керамики ХС-22. Полупроводниковый регистрирующий элемент 3 закрыт со стороны потока сопутствующих нейтронам заряженных частиц и с противоположной стороны, соответственно, слоями 5 и 6 металла, в частности алюминия, толщиной 1 мкм. Слой 5 электрически соединен с токоотводом, выполненным в виде жесткой прижимной пластины 7 с отверстием 8 напротив чувствительной (центральной) зоны элемента 3. Пластина 7 прикреплена к корпусу 4 крепежными элементами 9. Одним из этих элементов закрепляется контактный элемент 10, выполненный из никелевой проволоки. Токоотвод с противоположной стороны представляет собой сплошную жесткую металлическую пластину 11, поджатую пружинным элементом 12 к слою 6 полупроводникового регистрирующего элемента 3. К пластине 11 прикреплен контактный элемент 13 из никелевой проволоки. В объеме 14 статического вакуума нейтронного генератора размещена мишень 15, содержащая ионы трития, а также источник 16 ионов дейтерия.

Возможен также конструктивный вариант объединения нескольких полупроводниковых детекторов в общий корпус (фиг.3).

Устройство работает следующим образом. Пучок ионов дейтерия от источника 16 попадает на мишень 15. В результате ядерной реакции образуется нейтроны с энергией 14 МэВ и сопутствующие им заряженные альфа-частицы с энергией 3,2 МэВ. Направление сопутствующей нейтрону альфа-частицы всегда противоположно направлению нейтрона. Заряженная частица, попадая в полупроводниковый регистрирующий элемент 3, производит ионизацию внутри него, что приводит к протеканию тока через него и появлению быстрого (порядка наносекунд) электрического сигнала на токоотводах. Регистрация сопутствующих заряженных частиц состоит в съеме с полупроводникового регистрирующего элемента быстрого (длительностью порядка 5-10 наносекунд) электрического сигнала, который выводится наружу из статического вакуума и поступает на регистрирующую аппаратуру. Устройство имеет быстродействие до 10⁷ частиц в секунду, что позволяет увеличить скорость регистрации сопутствующих нейтронам заряженных частиц в 1000 раз и во столько же раз увеличить поток выделенных по направлению "меченых" нейтронов по сравнению с устройствами, выполненными на базе сцинтилляторов, а в сравнении с устройством-прототипом заявленное устройство позволяет регистрировать сопутствующие нейтронам заряженные частицы в нейтронном генераторе со статическим вакуумом.

Данный полупроводниковый детектор прошел испытания на нейтронных генераторах со статическим вакуумом. Суммарное число зарегистрированных заряженных частиц составляет 10¹³.