Ученые Томского политехнического университета разработали новые детекторы на основе монокристаллического кремния, которые помогут измерять характеристики нейтронных полей в активной зоне ядерных реакторов. Они контролируют, как меняются электрофизические параметры кремния под действием электронов. Это не только простой и дешевый, но и быстрый (по сравнению с существующими аналогами) способ мониторинга. Более того, он не требует специального оборудования. Результаты работы исследователей опубликованы в журнале Instruments and Experimental Techniques.
Ядерные реакторы являются отличным источником нейтронного потока с высокой плотностью. Их используют при проведении физических исследований, в производстве радиоактивных изотопов, радиационной химии, при испытании изделий электронной промышленности. Для работы с ядерным реактором нужны методы, которые смогут обеспечить точное измерение прямо в активной зоне, то есть там, где делятся ядра тяжелых изотопов урана или плутония. Сейчас для этого используют активационные детекторы из разных металлов. Но это очень трудоемко, и нужно сложное оборудование. При этом охватить необходимый диапазон контроля плотности потока быстрых нейтронов они не позволяют.
Можно представить, что поперек нейтронного излучения расположили некоторую плоскость, вроде дощечки. Флюенс показывает, сколько нейтронов «попадет» на эту поверхность за определенное время. Теперь исследователи из Томского политеха нашли надежный и дешевый способ замерить флюенс быстрых и тепловых нейтронов.
Новый детектор сделан из монокристаллического кремния на основе применяемой на Исследовательском ядерном реакторе ТПУ технологии, которая позволяет получать полупроводниковый кремний с заранее заданными электрофизическими характеристиками. Такие детекторы контролируют изменения электрофизических параметров кремния под действием нейтронов.
«Быстрые нейтроны создают в кремнии сложные радиационные дефекты, которые уменьшают его проводимость. Причем изменение проводимости линейно связано с флюенсом быстрых нейтронов. Это и положено в основу детектирования быстрых нейтронов. Для изменения флюенса тепловых нейтронов используется тот же кристалл монокристаллического кремния. В этом случае проявляется эффект воздействия тепловых нейтронов на величину удельного электрического сопротивления кремния, то есть эффект его легирования. Под действием тепловых нейтронов в монокристаллическом кремнии из атомов природного изотопа кремний-30 образуется стабильный изотоп фосфор-31, который является донорной примесью. При этом концентрация фосфора пропорциональна флюенсу и плотности потока тепловых нейтронов», — поясняет заведующий лабораторией № 33 Исследовательского ядерного реактора ТПУ Валерий Варлачев.
Новые детекторы очень точные и не уступают традиционным методам. Они определяют, насколько плотный поток тепловых нейтронов в ядерных установках, работающих на мощности в диапазоне от 1014 до 1018 см-2. Более того, такие детекторы могут сохранять информацию бесконечно долго.
«Кремниевые детекторы также могут использоваться в качестве детекторов сопровождения. Они применяются на Исследовательском ядерном реакторе ТПУ для контроля технологических процессов получения радиофармпрепаратов, радиоизотопов, ядерного легирования кремния и в научных исследованиях. Детекторы защищены четырьмя патентами РФ», — отмечает Валерий Варлачев.
Сейчас ученые исследуют изменение электрофизических характеристик времени под воздействием нейтронов различных энергий. Это поможет внедрить новую разработку при проведении радиотерапии на циклотроне.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
