مقاله توصیف آشکار سازهای نیمه هادی سه بعدی نوترونهای حرارتی

مقاله توصیف آشکار سازهای نیمه هادی سه بعدی نوترونهای حرارتی
آشکار سازی های نیمه هادی نوترون برای رادیوبیولوژی نوترون و شمارش آن دارای اهمیت بسیار زیادی هستند. آشکار سازی های ساده سیلیکونی نوترون ترکیبی از یک دیود صفحه ای با لایه ای از یک مبدل مناسب نوترون مثل ۶LiFمی باشند. چنین وسایلی دارای بهره آشکار سازی محدودی می باشندکه معمولاً بیشتر از ۵% نیست. بهره آشکار سازی را می توان با ساخت یک ساختار میکرونی۳D به صورت فرو رفتگی، حفره یا سوراخ و پر کردن آن با ماده مبدل نوترون افزایش داد. اولین نتایج ساخت چنین وسیله ای در این مقاله ارائه شده است.
آشکار سازهای سیلیکونیN با حفره های هرمی شکل در سطح پوشیده شده با ۶LiF ساخته شده و سپس تحت تابش نوترونهای حرارتی قرار گرفتند. طیف ارتفاع پالس انرژی تابش شده به حجم حساس با شبیه سازی مورد مقایسه قرار گرفت. بهره آشکار سازی این وسیله در حدود ۶٫۳% بود. نمونه هایی با سایز ستونهای مختلف ساخته شد تا خواص الکتریکی ساختارهای سه بعدی مورد مطالعه قرار گیرد.ضرایب جمع آوری بار در ستونهای سیلیکون از ۱۰تا۸۰۰ nm عرض و ۸۰تا nm 200ارتفاع با ذرات آلفا اندازه گیری شد. بهره آشکار سازی یک ساختار ۳D کامل نیز شبیه سازی شد. نتایج نشان از تقویت بهره آشکار سازی با فاکتور ۶در مقایسه با آشکار سازهای صفحه ای استاندارد نوترون دارد.

۱٫ مقدمه و اهداف:
آشکار سازهای نوترونی نمی توانند مستقیماً برای آشکار سازی نوترونهای حرارتی به کار روند و باید از ماده ای استفاده کرد که نوترونها را به صورت تشعشع قابل آشکار سازی در آورد. مواد مختلفی برای این منظور وجود دارند که در بین آنها۶Li از همه مناسب تر به نظر می رسد. واکنش گیر افتادن نوترون در۶Li دارای سطح مقطع۹۴۲ b در انرژی نوترونی۰٫۰۲۵۳eV است.
۶Li+n→∝(۲٫۰۵MeV) +3H(2.73MeV
مواد مبدل با پایه۶Li دارای سطح مقطع گیر انداختن نورونهای بالایی بوده و انرژی محصولات تولید شده آن نیز برای آشکار شدن به قدر کافی بالا می باشد. هدف نهایی آشکار سازR&D که در اینجا شرح داده می شوند ایجاد یک سنسور تصویر برداری نوترون با حساسیت بالا و قدرت تفکیک فضایی مناسب است. ما قبلاً با موفقیت چیپMedipix-2 با چیپ سنسور صفحه ای پوشیده با مبدل نوترون۶Li را آزمایش کرده ایم. قدرت تفکیک فضایی چنین وسیله ای در حدود ۶۵nm(نشانه ای از FWHMتابع پخش خطی) به خوبی با ابزارهای تصویر برداری نوترون قابل رقابت است. نسبت سیگنال به نویز(SNR) آشکارسازی سیلیکون نیز بالاتر از آشکار سازهای نوترونی فعلی است. با این وجود بهره آشکار سازی چنین آشکارسازهای نیمه هادی صفحه ای(نسبت تعداد آشکار شده به تعداد نوترون برخوردی) در حدود۵% محدود می باشد. بهره آشکارسازی را می توان با ایجاد حفره یا سوراخ هایی (ساختار ۳D ) در بدنه آشکار ساز سیلیکون افزایش داد.

۲٫ آشکار سازی آشکارسازهای نوترونی صفحه ای:
برای پیش بینی بهره آشکارسازی ساختار صفحه ای از یک بسته نرم افزار شبیه سازی مونت کارلو استفاده شد. این بسته ترکیبی بود ازMCNP-4C (شبیه سازی انتقال نوترونی) با SRIM/TRIM (قدرت توقف) و کد مونت کارلو C++ متعلق به خودمان(شبیه سازی انتقال انرژی، طیف ارتفاع پالس، بهره آشکار سازی و….)
شکل ۱بهره آشکار سازی را در مقابل ضخامت ماده مبدل۶LIF (6LI غنی شده تا ۸۹%)، اول برای تشعشع قدامی که منحنی مقدار بیشینه ۴٫۴۸% را در ضخامت ۷mg/cm2 نشان می دهد. بهره آشکار سازی در ضخامتهای بیشتر از این حد کاهش می یابد چون ذرات آلفا و تریتیوم تولید شده در سطوح دورتر LiFاز مرز Si-LiF قادر به رسیدن به حجم حساس نیستند. به علاوه تعداد بیشتر نوترونها در نزدیکی سطح خارجی مبدل جذب می شوند(شکل ۲a را ببینید). منحنی دوم در شکل۱ مخصوص آشکار سازی است که از پشت تحت تابش قرار گرفته است.
در ضخامتهای بالا تراز۷mg/cm2، بهره آشکار سازی در حدود ۴٫۹۰%ثابت باقی می ماند. نوترونها به صورت قابل ترجیحی در نزدیکی مرز مبدل نیمه هادی جذب می شوند )شکل(b.2 و بهره آشکارسازی اشباع شده و مستقل از ضخامت آشکار ساز می باشد.
طیف انرژی تابشی در آشکار ساز صفحه ای ساده اندازه گیری شد(شکل ۳). نمونه مورد استفاده یک آشکارساز سیلیکونی ۵×۵mm2و ۳۰۰µm ضخامت بود. مقاومت حجم n-type در حدود ۵kΩcm بود. بخشی از نمونه با لایه ای از۶LiF با ۸۹% لیتیوم پوشانده شده بود(به این دلیل فقط بخشی از آن پوشانده شده بود تا بخشی به صورت فضای باز برای کالیبراسیون انرژی با ذرات آلفای منبع کالیبراسیون در اختیار داشته باشیم). طیف حاصل را با نتایج شبیه سازی مونت کارلو مقایسه کردیم. شبیه سازی به خوبی با نتایج اندازه گیری شده مطابقت داشت. نمونه از پشت با دسته پرتو نوترون حرارتی مورد تابش قرار گرفت. اندازه گیریها در کانال افقی (هدایت نوترون) راکتور تحقیقاتی هسته ای LVR-15 در موسسه فیزیک هسته ای دانشگاه چک در Rez در نزدیکی پراگ انجام پذیرفتند. فلوی نوترون در حدود۱۰۶cm-2s-1در قدرت راکتور۸MW بودند.
آلفا و تریتون تولید شده از واکنش گیر انداختن نوترون حرارتی اغلب در جهتهای متضاد به حرکت در می آیند (شکل۴) آشکارساز صفحه ای ساده یکی از دو ذره الفا یا تریتون را آشکار می کند نه هر دو را. بنابر این طیف انرژی تابشی هرگز دارای انرژی بالاتر مربوط به تریتون نخواهد بود.