توصیف آشکار سازهای نیمه هادی سه بعدی نوترونهای حرارتی

«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  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 ارائه 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.

1. 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 قبلاً 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.

 

2. 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  1بهره 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(شکل 2a را ببینید). منحنی دوم در شکل1 مخصوص آشکار سازی است که از پشت تحت تابش قرار گرفته است.

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 )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 3). نمونه مورد استفاده یک آشکارساز سیلیکونی  5×5mm2و 300µm  ضخامت بود. مقاومت حجم n-type در حدود 5kΩcm 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 (شکل4) 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.

3. 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 µm2  و به عمق   28mm فاصله بین هرم ها نیز23µm بود. اندازه چیپ مجدداً 5×5mm2 با ضخامت300µm و مقاومت در حدود5kΩcm بود. حفره ها دارای دو سطح بین مبدل نوترون وآشکارساز بودند. برعکس طیف آشکار سازها صفحه ای ( شکل5) 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. منحنی شکل 7حاوی وابستگیهای شبیه سازی شده بهره آشکار سازی به ضخامت6LiF برای آشکارساز بدون حفره و دارای حفره هرمی است.

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. در شکل7 می توان دید که در مبدل نازک تر افزایش بهره آشکارسازی به افزایش سطح آشکارساز مربوط است.

4. 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 ژئومتری 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.

دو نمونه از ساختارها شبیه سازی شدند، یکی با پروب مکعب (شکل8) و دیگری با پروب استوانه(شکل9). 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 تقریباً6 برابر شده است.

5. آزمایشهای ساختارهای سه بعدی:

1-5. 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 ضخامت300µm بوده و حاوی آرایه هایی از ستون ها با قطر متفاوتی (شکل10)(از808µm 808× تا10×10µm) می باشند. دو سری از نمونه ها دارای ستونهایی با ارتفاع 80 و200µm بودند.مقاومت پخش n-type در حدود2kΩcm بود. اتصال Pnدر پشت نمونه قرار داشت. (شکل10b). ستونها با یک پروب در ارتباط بودند (شکل10c). 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. (شکل10) بایاس به کار رفته در تمام اندازه گیریها 60V بود.

۵-۲: نتایج اندازه گیری: اولین طیف در شکل11 مربوط به ستون808µm 808× (بزرگترین ساختار) است. طیف دوم مربوط به نازک ترین ستون تحت اندازه گیری72×10µm  3 (ستونهای کوچکتر به این دلیل مورد اندازه گیری قرار نگرفتند که اتصال آنها با نوک پروب از نظر مکانیکی دشوار است).

برای مقایسهCCE، موقعیت قله بزرگترین ستون به عنوان نقطه مرجع ستونهای کوچکتردر شکل12 در نظر گرفته شد. منحنی شکل12 وابستگی موقعیت قله اندازه ستون مشخص (همیشه کوچکترین قطر در مورد ستونهای مربعی)را برای یک ستون نمونه با ارتفاع80µm نشان می دهد. موقعیت قله تا اندازه ستون30µm ثابت می ماند. سپس قله آلفا  به سرعت به سمت انرژی های پایین تر منتقل می شود.

ذرات آلفای241Am قبلاً تمام انرژی خود را در چنین ستونهای نازکی واگذار نکرده اند.برد آلفای5.48MeV درSi در حدود28µm است .

با این وجود می توان به این نتیجه رسید کهCCE تقریباً100% در اندازه ستون 30µm است و حتی ساختاری با عرض10µm 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.

6 . 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 10µm عرض و ارتفاع 80µm نیز می توانند به عنوان شمارندگی نوترون در ساختارهای3D پر شده با مبدل نوترون تمرکز خواهند کرد.