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 6LiFمی باشند. چنین وسایلی دارای بهره آشکار سازی محدودی می باشندکه معمولاً بیشتر از 5% نیست. بهره آشکار سازی را می توان با ساخت یک ساختار میکرونی3D 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 ارایه شده است.
آشکار سازهای سیلیکونیN با حفره های هرمی شکل در سطح پوشیده شده با 6LiF 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 6.3% 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 10تا800 nm عرض و 80تا nm 200ارتفاع با ذرات آلفا اندازه گیری شد. بهره آشکار سازی یک ساختار 3D کامل نیز شبیه سازی شد. نتایج نشان از تقویت بهره آشکار سازی با فاکتور 6در مقایسه با آشکار سازهای صفحه ای استاندارد نوترون دارد.
● 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 آنها6Li از همه مناسب تر به نظر می رسد. واکنش گیر افتادن نوترون در6Li دارای سطح مقطع942 b در انرژی نوترونی0.0253eV است.
6Li+n→∝(2.05MeV) +3H(2.73MeV
مواد مبدل با پایه6Li 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 قبلا با موفقیت چیپMedipix 2 با چیپ سنسور صفحه ای پوشیده با مبدل نوترون6Li را آزمایش کرده ایم قدرت تفکیک فضایی چنین وسیله ای در حدود 65nm 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 حدود5 محدود می باشد بهره آشکارسازی را می توان با ایجاد حفره یا سوراخ هایی ساختار 3D در بدنه آشکار ساز سیلیکون افزایش داد 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 بهره آشکار سازی را در مقابل ضخامت ماده مبدل6LIF 6LI غنی شده تا 89 اول برای تشعشع قدامی که منحنی مقدار بیشینه 4 48 را در ضخامت 7mg 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 در ضخامتهای بالا تراز7mg cm2 بهره آشکار سازی در حدود 4 90 ثابت باقی می ماند نوترونها به صورت قابل ترجیحی در نزدیکی مرز مبدل نیمه هادی جذب می شوند طیف انرژی تابشی در آشکار ساز صفحه ای ساده اندازه گیری شد نمونه مورد استفاده یک آشکارساز سیلیکونی 5 5mm2و 300 m ضخامت بود مقاومت حجم n type در حدود 5k 8486 cm بود بخشی از نمونه با لایه ای از6LiF با 89 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 حدود106cm 2s 1در قدرت راکتور8MW بودند آلفا و تریتون تولید شده از واکنش گیر انداختن نوترون حرارتی اغلب در جهتهای متضاد به حرکت در می آیند 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 بهره آشکارسازی آشکارسازهای دارای حفره هرمی نمونه آزمایشی دوم دارای آرایه ای از حفره های هرمی معکوس ایجاد شده بوسیله قلم زنی سیلیکون با KoH بودپایه هرم به ابعاد 60 60 m2 و به عمق 28mm فاصله بین هرم ها نیز23 m بود اندازه چیپ مجددا 5 5mm2 با ضخامت300 m و مقاومت در حدود5k 8486 cm بود حفره ها دارای دو سطح بین مبدل نوترون وآشکارساز بودند برعکس طیف آشکار سازها صفحه ای در اینجا طیف دارای وقایع با انرژی بیش از2 73MeV است چون اگر واکنش در ناحیه نزدیک به نوک هرم رخ دهد هر دو ذره آلفا تریتون آشکار خواهند شد برای پیش بینی بهره آشکار سازی نوترونهای حرارتی در سطح حفره های هرمی نیز از شبیه سازی استفاده شد در هر دو مورد آشکارساز از هر دو جهت تحت تابش قرار گرفت حفره های هرمی بهره آشکارسازی را از 4 90 به 6 30 افزایش دادند که به معنای افزایش نسبی 28 می باشد بهره آشکارسازی آشکارسازهای3D نوترون فن آوری نیمه عادی امکان ایجاد ساختارهای 3D در نیمه هادیها را فراهم می کند که می توان باعث افزایش سطح بین مبدل نوترون و حجم حساس آشکارساز شود چنین ژیومتری امکان استفاده از حجم بزرگ تر مبدل نوترون را ضمن حفظ احتمال زیاد آشکارساز ذرات ثانویه فراهم می کند و لذا بهره آشکارسازی نوترونهای حرارتی در مقایسه با آشکارسازهای صفحه ای یا دارای حفره های هرمی افزایش می یابد عمق پروب در هر دو مورد230mm بود منحنی ها نشاندهنده وابستگی شبیه سازی بهره آشکار سازی نوترون حرارتی به عرض یا قطر حفره دارند هر منحنی برای چگالی متفاوت ماده مبدل پوششی رسم شده است بهره آشکار سازی د رحدود33 در مقایسه با آشکارساز صفحه ای ساده تقریبا 6 برابر شده است آزمایشهای ساختارهای سه بعدی 9642 توصیف نمونه ها و اندازه گیریها شبیه سازی نمی تواند به این سوال پاسخ دهد که تا چه قدر نازکی دیواره هنوز امکان جمع آوری بار کافی برای ایجاد سیگنال الکتریکی کافی را دارد نمونه ها در کارخانهStanford Nanofabrication ساخته شدند تا تحت آزمایش با ذرات آلفا از241Am 5 48MeV قرار بگیرند و بهره جمع آوری بار CCE این ساختارها تعیین شود همه نمونه ها دارای ضخامت300 m بوده و حاوی آرایه هایی از ستون ها با قطر متفاوتی از808 m 808 تا10 10 m می باشند دو سری از نمونه ها دارای ستونهایی با ارتفاع 80 و200 m بودند مقاومت پخش n type در حدود2k 8486 cm بود اتصال Pnدر پشت نمونه قرار داشت ستونها با یک پروب در ارتباط بودند هر ستون اندازه گیری شده در هوا تحت تابش ذرات آلفا از241Am قرار گرفته و ارتفاع طیف پالسی اندازه گیری شد فاصله بین منبع و نمونه در حدود1cm بود و لذا آلفا قبل از برخورد در حدود از 950KeVانرژی را از دست می داد ستونها به صورت مایل تحت تابش قرار گرفتند تا تعداد ذرات آلفای برخوردی به نوک حفره حداقل شود هرچه ستونها کوچکتر بودند زمان اندازه گیری طولانی تری مورد نیاز بود برای دستیابی به زمان اندازه گیری منطقی دهها ساعت ستون از سمت پهن ترشان تحت تابش قرار گرفتند بایاس به کار رفته در تمام اندازه گیریها 60V بود 9642 نتایج اندازه گیری اولین طیف مربوط به ستون808 m 808 بزرگترین ساختار است طیف دوم مربوط به نازک ترین ستون تحت اندازه گیری72 10 m 3 ستونهای کوچکتر به این دلیل مورد اندازه گیری قرار نگرفتند که اتصال آنها با نوک پروب از نظر مکانیکی دشوار است ذرات آلفای241Am قبلا تمام انرژی خود را در چنین ستونهای نازکی واگذار نکرده اند برد آلفای5 48MeV درSi در حدود28 m است با این وجود می توان به این نتیجه رسید کهCCE تقریبا 100 در اندازه ستون 30 m است و حتی ساختاری با عرض10 m نیز مقدار قابل توجهی از بار را به عنوان یک شمارنده ذرات سنگین جذب می کند برای اندازه گیریCCE در ستونهای نازک تر می توان از یک منبع به خوبی کولیمیت شده ذرات باردار سنگین استفاده کرد بحث و بررسی خواص آشکار سازی آشکار سازهای نوترونی صفحه ای صفحه ای با حفره های سطحی هرمی نیمه صفحه ای و 3D شبیه سازی شدند همه انواع آنها دارای مبدل بودند شبیه سازی بهره آشکار سازی 4 9 آشکارسازی صفحه ای 6 3 آشکارساز هرمی و بیش از 33 برای ساختارهای3D را پیش بینی کرد شبیه سازی با اندازه گیری طیف ارتفاع پالس در موارد صفحه ای و نیمه صفحه ای اعتبار سنجی شد با استفاده از طیف سنجی ذرات آلفا مشخص شد که حتی ساختارهای 3D با 10 m عرض و ارتفاع 80 m نیز می توانند به عنوان شمارندگی نوترون در ساختارهای3D پر شده با مبدل نوترون تمرکز خواهند کرد
نویسنده مقاله J Uherو همکاران
جامع علوم رادیولوژی ایران www prin ir