СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА №9/2015

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 12 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 9 2015 Радиационные высокотемпературные LPE i-GaAs-датчики для контроля ядерных технологий В настоящей публикации рассматриваются вопросы, связанные с сенсорикой нейтронов в широком диапазоне энергий от 20 МэВ до kT – единиц эВ на основе LPE i-GaAs-монокристаллов. Виктор Войтович (г. Тарту, Эстония), Александр Гордеев, Анатолий Звонарёв (г. Ульяновск) Н ЕЙТРОННЫЕ ДАТЧИКИ Нейтроны и их взаимодействие с GaAs Нейтрон [1] – нейтральная (не обла- дающая электрическим зарядом) эле- ментарная частица, имеет массу покоя m n = 1,008665 a.е.м., спин S = ħ /2 (соб- ственный механический момент) и маг- нитный момент μ n = –1,9130 μ Б , где μ Б – ядерный магнетон), имеет огромное внутреннее поле и нулевое внешнее. Нейтрон обладает электромагнитной связанной массой в виде конгломера- та из электрона и протона с нулевым внешним электрическим полем. Разные источники нейтронов порож- дают широкий спектр энергий нейтро- на и, с помощью технологий замед- ления, нейтроны разделяются на «быстрые» и «медленные», что показа- но в таблице [1]. Наряду с этим у физиков-ядерщиков принята более удобная форма деления нейтронов по энергетическим груп- пам [2]: ● тепловые – E n = 0,005 ( ≈ 0,2 kT) – 0,5 эВ (19,2 kT); ● резонансные – E n = 0,5 эВ – 1,0 кэВ; ● промежуточные – E n = 1,0 кэВ – 100 кэВ; ● быстрые – E n = 100 кэВ – 14 МэВ. Перевод «быстрых» нейтронов в «мед- ленные» осуществляется на основе механизма упругого столкновения Статья опубликована в авторской редакции. Мнение редакции не всегда совпадает с авторской линией. Но редакция всегда открыта к диалогу и предоставляет специалистам возможность донести свою идею до читательской аудитории журнала. Специализированный журнал – это информационная площадка, на которой порой встречаются самые невероятные инженерные решения и проявления творческой мысли. (рассеяния) нейтронных частиц на лёг- ких ядрах веществ, таких как [1]: ● лёгкая вода (H 2 O); ● тяжёлая вода (D 2 O); ● бериллий/оксид бериллия (Be/BeO); ● углерод (C). Источниками генерации нейтронов являются [2]: 1. Радионуклидные источники: а) радионуклидные источники на основе ( α , n)-реакций (например, при взаимодействии α -частиц ( 244 Сm) с мишенью в виде ядра Be); б) радионуклидные источники на основе ( γ , n)-реакций, то есть на основе генератора γ -лучей и того же бериллия (Ra–Be-источник); в) источники спонтанного деления радионуклидов, например, 252 Сf (нейтронное излучение). 2. Ядерные реакторы . Генерация нейт- ронов происходит в процессе управ- ления цепной реакцией в ядерном реакторе на основе деления тяжё- лых ядер 235 U, 239 Pu с средней энер- гией ≈ 2,0 МэВ. 3. Ускорители заряженных частиц . В результате столкновения заряжен- ных частиц с энергиями в сотни МэВ происходит генерация нейтронов. Взаимодействие нейтронов с кри- сталлической решёткой полупрово- дника и, в частности, GaAs, вызывает изменение энергетической системы кристалла путём упругого столкно- вения с атомами полупроводника (быстрые нейтроны) или вплоть до трансмутации тёплыми нейтронами с энергиями в несколько kT. Быстрый нейтрон имеет большую проника- ющую способность в твёрдых телах вследствие нулевого внешнего заря- да (отсутствие электромагнитного кванта). Тёплый нейтрон, контактируя с ядром атома посредством прилипа- ния, имеет очень высокую подвиж- ность внутри ядра и расходует свою энергию, последовательно обращаясь к каждому нуклиду. Время энергетиче- ского взаимодействия искусственного нейтрона с ядром атома очень корот- кое и составляет ≈ 10 –21 с. В сверхтя- жёлых ядрах, например, в 235 U и 236 U, энергонасыщение искусственного нейтрона в ядре иногда заканчивает- ся катастрофическим распадом (деле- нием) ядра. Процесс контакта теплового нейтро- на с решёткой GaAs приводит к таким процессам, как: , (а) . (б) То есть при взаимодействии с тепло- вым нейтроном происходят ядерные превращения атомов Ga в атомы Zn, а атомов As – в атомы Ge [3]. Цинк в GaAs является широко применяемой акцеп- торной примесью с энергией иониза- ции ≈ kT (мелкие уровни, активиро- ванные при н.у.). Германий является как амфотерной примесью с глубо- ким расположением вблизи середи- «Быстрые» и «медленные» нейтроны Нейтроны Е, эВ V, см/с λ , см Т ср , К «Быстрые» «Быстрые» >10 5 >1,4 × 10 9 <10 –12 10 10 «Медленные» Промежуточные 10 4 –10 5 1,4–10 3 3 × 10 –11 10 8 Резонансные 0,5–10 4 1,4–10 7 3 × 10 –10 10 6 Тепловые 0,5–5 × 10 3 2 × 10 5 2 × 10 –8 300 Холодные 5 × 10 –3 –10 –7 4,4 × 10 4 9 × 10 –8 10 Ультрахолодные 10 –7 4,4 × 10 2 9 × 10 –6 10 –2