Ученые разработали кремниевые детекторы для контроля характеристик нейтронных полей активной зоны ядерных реакторов

Ученые Томского политехнического университета предложили новые детекторы на основе монокристаллического кремния для измерения характеристик нейтронных полей в активной зоне ядерных реакторов. Принцип их действия основан на контроле изменений электрофизических параметров кремния под действием нейтронов. Это более простой, дешевый и оперативный метод контроля по сравнению с существующими аналогами, не требующий специального измерительного оборудования. Результаты работы исследователей опубликованы в журнале Instruments and Experimental Techniques.

Сегодня ядерные реакторы широко используются в качестве источника нейтронного потока с высокой плотностью при проведении физических исследований, в производстве радиоактивных изотопов, радиационной химии, при испытании изделий электронной промышленности. Это требует разработки средств и методов, обеспечивающих точное и надежное измерение характеристик нейтронных полей непосредственно в активной зоне ядерных реакторов. Сейчас для таких измерений чаще всего применяются активационные детекторы из различных металлов. Данные методы трудоемкие, требуют сложного оборудования и не позволяют охватить необходимый диапазон контроля плотности потока быстрых нейтронов.

Ученые Томского политеха предложили простой метод измерения флюенса быстрых и тепловых нейтронов с помощью детекторов из монокристаллического кремния. Он был разработан на основе применяемой на Исследовательском ядерном реакторе ТПУ технологии ядерного легирования кремния — процесса, позволяющего получать полупроводниковый кремний с заранее заданными электрофизическими характеристиками. Принцип действия таких детекторов основан на контроле изменений 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.

Разработанные политехниками детекторы по точности измерений не уступают традиционным активационным методам. Они позволяют определять абсолютные значения плотности потока тепловых нейтронов в ядерных установках, работающих на мощности в диапазоне 10¹⁴ – 10¹⁸ см^-2. Кроме того, информация на таких детекторах может сохраняться бесконечно долго. Это позволяет в любой момент времени проверить полученный результат измерения.

«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.

На данном этапе исследования ученые изучают изменения электрофизических характеристик времени под воздействием нейтронов различных энергий. Полученные данные позволят внедрить детекторы для контроля за полем быстрых нейтронов при проведении радиотерапии на циклотроне.