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JPH053551B2 - - Google Patents
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JPH053551B2 - - Google Patents

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JPH053551B2
JPH053551B2 JP59158415A JP15841584A JPH053551B2 JP H053551 B2 JPH053551 B2 JP H053551B2 JP 59158415 A JP59158415 A JP 59158415A JP 15841584 A JP15841584 A JP 15841584A JP H053551 B2 JPH053551 B2 JP H053551B2
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semiconductor
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moderator
rays
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Yasukazu Seki
Noritada Sato
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【発明の詳細な説明】 〔発明の属する技術分野〕 本発明は、ボロン薄膜を用いた中性子検出装置
に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Technical field to which the invention pertains] The present invention relates to a neutron detection device using a boron thin film.

〔従来技術とその問題点〕[Prior art and its problems]

半導体放射線検出器の原理は、PN接合や半導
体−金属シヨツトキー接合または結晶半導体−非
晶質半導体ヘテロ接合等、いずれかの方法でダイ
オード構造を形成し、該ダイオードに逆バイアス
電圧を印加し、これにより前記半導体中に空乏層
を拡げ、該空乏層中に飛来した被射線により発生
する電子−正孔対を電流パルスとしてカウントし
検出するものである。
The principle of a semiconductor radiation detector is to form a diode structure using any method such as a PN junction, a semiconductor-metal Schottky junction, or a crystalline semiconductor-amorphous semiconductor heterojunction, and then apply a reverse bias voltage to the diode. Accordingly, a depletion layer is expanded in the semiconductor, and electron-hole pairs generated by the irradiated radiation flying into the depletion layer are counted and detected as current pulses.

半導体素材には、ゲルマニウム(Ge)やシリ
コン(Si)等が用いられており、工業的に放射線
線量計として用いられているのは、現在は素材の
入手が容易なことからシリコン(Si)が圧倒的に
多い。また最近では、低電圧動作の要求から高純
度高比抵抗のシリコンが用いられるようになつて
来ている。
Semiconductor materials include germanium (Ge) and silicon (Si). Currently, silicon (Si) is used industrially in radiation dosimeters because the material is easily available. Overwhelmingly many. Recently, high-purity, high-resistivity silicon has come to be used due to the demand for low-voltage operation.

放射線でも、X線、α線、β線及びγ線は、半
導体空乏層内で直接電子−正孔対を生じさせ、従
来方法で放射線検出が可能であるが、それ等に対
して中性子線は電荷をもつていないので、核反応
以外には軌道電子や原子核のクーロン場になんら
の作用も及ぼさず、従つて半導体空乏層内で電子
−正孔対は生じず、中性子線の検出は従来方法で
は不可能である。このため中性子線検知方法とし
て、中性子の吸収断面積の大きな物質に中性子線
を透過させ、中性子核変換反応によりα線を発生
させ、該α線が半導体空乏層内で電子−正孔対を
生成し、これを検知し中性子線を検知する方法が
ある。
Regarding radiation, X-rays, α-rays, β-rays, and γ-rays directly generate electron-hole pairs within the semiconductor depletion layer, and can be detected using conventional methods. Since it has no electric charge, it does not have any effect on the orbital electrons or the Coulomb field of the atomic nucleus other than the nuclear reaction.Therefore, no electron-hole pairs are generated in the semiconductor depletion layer, and neutron beams can be detected using conventional methods. It is impossible. Therefore, as a neutron beam detection method, neutron beams are transmitted through a material with a large neutron absorption cross section, and α rays are generated by a neutron transmutation reaction, and the α rays generate electron-hole pairs within the semiconductor depletion layer. However, there is a method to detect this and detect the neutron beam.

具体的な実例として中性子線に対して散乱断面
積の大きなポロンの同位10Bを用いた10B(n,
α)反応を用い、次式で示す反応に従つて、中性
子線が入射した際ボロンから発生するα線を検知
する方法がある。
As a specific example , 10 B (n,
There is a method using the α) reaction to detect α rays generated from boron when a neutron beam is incident, according to the reaction shown in the following equation.

10B(n,α)反応:105B+10n→73Li+42He しかし、ボロンは2000℃以上の極めて高い融点
をもち容易にボロン単体層を形成することは困難
である。たとえボロン層を形成しえたとしても、
該α線を検知すべき基体自身が高温のため破壊或
は劣化してしまうと云う問題があつた。
10 B(n,α) reaction: 105 B+ 10 n→ 73 Li+ 42 He However, boron has an extremely high melting point of 2000°C or higher, making it difficult to easily form a single layer of boron. Even if a boron layer could be formed,
There was a problem in that the substrate itself, which should detect the alpha rays, would be destroyed or deteriorated due to the high temperature.

特に半導体放射線検出器においては高温では熱
的歪を生じ素子特性の劣化を生じてしまう問題が
ある。なかでも、放射線検出器に使用する半導体
は、高純度、高比抵抗であるため、更に作製プロ
セスにおいては低温プロセスが要求される。高純
度高比抵抗シリコンにおいては、400℃以上で熱
的歪が生じ始めると云われている。従つて、半導
体プロセスで一般的に用いられている800℃以上
の高温プロセスは、半導体放射線検出器には適さ
ない。
Particularly in semiconductor radiation detectors, there is a problem that thermal distortion occurs at high temperatures, resulting in deterioration of device characteristics. In particular, since semiconductors used in radiation detectors have high purity and high specific resistance, a low-temperature process is required in the manufacturing process. It is said that thermal strain begins to occur in high-purity, high-resistivity silicon at temperatures above 400°C. Therefore, high-temperature processes of 800° C. or higher, which are commonly used in semiconductor processes, are not suitable for semiconductor radiation detectors.

たとえば、リン化ホウ素層と半導体PN接合と
を組み合わせた中性子検出器が公知になつている
が、これは次に示す点において問題がある。
For example, a neutron detector that combines a boron phosphide layer and a semiconductor PN junction is known, but this has the following problems.

リン化ホウ素層形成には熱分解法を使用する
ため900℃の高温に半導体基体を晒すことにな
り前述した理由により半導体特性劣化は避けら
れない。
Since a thermal decomposition method is used to form the boron phosphide layer, the semiconductor substrate is exposed to a high temperature of 900° C., which inevitably causes deterioration of semiconductor characteristics for the reasons mentioned above.

ボロンの同位元素10Bは、自然界に(10B:
11B≒1:4)の割合で存在するが、これに加
10Bをさらに高濃度としてもフオスフイン
(PH3)を用いてリンがリン化ホウ素層に含ま
れるため、10Bの濃度は減少する。このため中
性子検出感度は減少する。
The boron isotope 10B is found in nature ( 10B :
11B ≒ 1:4), but even if 10B is added to a higher concentration, phosphorus is included in the boron phosphide layer using phosphin (PH 3 ), so the concentration of 10B decreases. do. Therefore, neutron detection sensitivity decreases.

作製したリン化ホウ素層厚みが、20μmもあ
るため、発生α線が自己吸収により減少し、そ
のため中性子検出感度は減少する。
Since the thickness of the fabricated boron phosphide layer is as much as 20 μm, the generated alpha rays are reduced by self-absorption, which reduces the neutron detection sensitivity.

以上のようにリン化ホウ素層と半導体とを組み
合わせた中性子検出装置は問題がある。
As described above, a neutron detection device that combines a boron phosphide layer and a semiconductor has problems.

また半導体を用いない中性子検出器は、構造が
複雑で安定性に乏しく、また検出感度が低く計数
特性が悪いと云う問題があつた。さらに半導体以
外の中性子検出器は形状が極めて大きくて重いと
云う欠点も有している。
In addition, neutron detectors that do not use semiconductors have complex structures, poor stability, low detection sensitivity, and poor counting characteristics. Furthermore, non-semiconductor neutron detectors also have the disadvantage of being extremely large and heavy.

中性子検出素子に関しては、上記のような欠点
を有しているため、速中性子線等の検出に減速材
を用いようとすると、半導体検出器を用いる以外
では検出部が大型のためその周囲に載置する減速
材も、極めて大きくかつまた重くなるため、実用
化は困難である。
Neutron detection elements have the above-mentioned drawbacks, so if you try to use a moderator to detect fast neutron beams, etc., unless you use a semiconductor detector, the detection part is large and cannot be mounted around it. The moderator to be installed is also extremely large and heavy, making it difficult to put it into practical use.

減速材を用いて各エネルギーの速中性子を測定
するためには、それぞれのエネルギーに対応すべ
き厚みをもつた減速材を載置する必要があるが、
検出素子部が半導体のように小型化しなければ減
速材も膨大なものとなる。
In order to measure fast neutrons of each energy using a moderator, it is necessary to place a moderator with a thickness corresponding to each energy.
Unless the detection element is miniaturized like a semiconductor, the amount of moderator will be enormous.

最近では、原子炉や加速器等の中性子発生源の
増加により、どのような中性子線、すなわち、ど
のようなエネルギーの中性子線が発生しているの
かを調べ中性子線の人体への影響等に対して適切
な対策を施す必要に迫られている。
Recently, with the increase in neutron sources such as nuclear reactors and accelerators, we are investigating what kind of neutron beams are being generated, that is, what kind of energy neutron beams are being generated, and are investigating the effects of neutron beams on the human body. There is an urgent need to take appropriate measures.

しかしながら、現状ではリアルタイムで速中性
子線を正確に検出するのは前述したように困難で
あるため、実際にはボナーボールと呼ばれる装置
が、速中性子エネルギースペクトル像を検出する
のに用いられている。
However, as mentioned above, it is currently difficult to accurately detect fast neutron beams in real time, so a device called a Bonner ball is actually used to detect fast neutron energy spectrum images.

これは中性子検出部分に金(197Au)を用い、
その周囲に各エネルギーに対応すべくポリエチレ
ン等の減速材の厚みを変えたものを数個用いて、
中性子線照射後、金の放射化(197Au→198Au)
を用いて、中性子線スペクトル像を検出するもの
である。
This uses gold ( 197 Au) in the neutron detection part,
Around it, several moderators such as polyethylene with different thicknesses are used to correspond to each energy.
Activation of gold after neutron beam irradiation ( 197 Au→ 198 Au)
is used to detect neutron beam spectrum images.

これはある程度小型化されるが、一度中性子線
を照射した後にはじめて判明すると云うもので、
リアルタイムで測定するものではない。
This will be miniaturized to some extent, but it will only become clear after being irradiated with neutron beams.
It is not measured in real time.

〔発明の目的〕[Purpose of the invention]

本発明は、ボロンの同位元素10Bの10B(n,
α)反応を用いた半導体中性子検出器である。こ
れは10Bを高濃度に含有させたボロン薄膜を用い
て、中性子検出効率の高い半導体素子を中心に載
置し減速材の厚みを変化させた検出器を作製し、
速中性子線のエネルギースペクトル像がリアルタ
イムで得られる装置を提供することを目的とす
る。
The present invention is directed to the boron isotope 10B (n,
It is a semiconductor neutron detector using α) reaction. This involves creating a detector using a boron thin film containing a high concentration of 10 B, placing a semiconductor element with high neutron detection efficiency in the center, and varying the thickness of the moderator.
The purpose of this invention is to provide an apparatus that can obtain energy spectrum images of fast neutron beams in real time.

〔発明の要点〕[Key points of the invention]

本発明は従来困難とされていたボロンの同位元
10Bを高濃度に含むボロン薄膜を200℃以下の
低温で半導体基体表面に形成し、また高比抵抗シ
リコン表面に非晶質シリコン膜を200℃以下の低
温で付着せしめたヘテロ接合ダイオード構造を形
成することですべて低温プロセスで検出素子を作
製した。これにより半導体基体に熱的な歪を与え
ることなく特性劣化を与えることなく高感度の中
性子線検出素子を作製し、これを中心に各種厚み
を変化させた減速材を周囲に載置した形状の装置
を数個或はそれ以上用いて速中性子線のエネルギ
ースペクトル像をリアルタイムで得られるように
したものである。
The present invention involves forming a boron thin film containing a high concentration of the boron isotope 10 B on the surface of a semiconductor substrate at a low temperature of 200°C or less, which has been considered difficult in the past. The sensing element was fabricated entirely in a low-temperature process by forming a heterojunction diode structure that was deposited at a low temperature below 0.9°C. As a result, a highly sensitive neutron beam detection element was fabricated without thermally straining the semiconductor substrate or deteriorating its characteristics. This system uses several or more devices to obtain energy spectrum images of fast neutron beams in real time.

これは、中性子線検出部分が、高感度、小型、
軽量とすることが可能となつたため減速材も、小
型、軽量とすることが可能となつた。
This is because the neutron beam detection part is highly sensitive, small,
Since it has become possible to make it lightweight, it has also become possible to make the moderator smaller and lighter.

〔発明の実施例〕[Embodiments of the invention]

第1図は、中性子線検出素子部分の断面図であ
る。P型単結晶シリコン1の基板表面に次に示す
条件のプラズマCVD法により非晶質シリコン膜
2を付着させた。
FIG. 1 is a cross-sectional view of a neutron beam detection element portion. An amorphous silicon film 2 was deposited on the surface of a P-type single crystal silicon 1 substrate by plasma CVD under the following conditions.

●プラズマCVD条件 使用ガス:モノシラン〔SiH4(10%H2ベース)〕 基板温度:200℃ 圧 力:10.0Torr 印加電圧:700V(D.C.) また裏面には、10Bを高濃度に含むボロン薄膜
3をプラズマCVD法により形成した。その条件
を次に示す。
●Plasma CVD conditions Gas used: Monosilane [SiH 4 (10% H 2 base)] Substrate temperature: 200°C Pressure: 10.0 Torr Applied voltage: 700 V (DC) Also, on the back side, a boron thin film containing a high concentration of 10 B 3 was formed by plasma CVD method. The conditions are shown below.

使用ガス:シボラン〔10B2H6(1000ppmH2ベー
ス)〕 基板温度:200℃ 圧 力:2.0Torr 印加電圧:560V(D.C.) この後、電極5,6として金属を蒸着する。電
極5及び6に逆バイアス電圧を印加し単結晶シリ
コン基板中に空乏層を形成する。ここえ中性子線
6が飛来し、ボロン薄膜3において10B(n1α)反
応を生じ、α線7を発生させ、該α線を空乏層内
で、電流パルスとして検知するものである。
Gas used: Ciborane [ 10 B 2 H 6 (1000 ppm H 2 base)] Substrate temperature: 200°C Pressure: 2.0 Torr Applied voltage: 560 V (DC) After this, metal is deposited as electrodes 5 and 6. A reverse bias voltage is applied to electrodes 5 and 6 to form a depletion layer in the single crystal silicon substrate. Here, the neutron beam 6 enters and causes a 10 B (n1α) reaction in the boron thin film 3, generating α rays 7, which are detected as current pulses within the depletion layer.

第2図は、第1図の検出素子10を減速材11
でおおい、速中性子線の測定しうる装置としたも
のである。中性子線6が飛来すると減速材11を
第2図に示すような軌跡で検出素子10まで到達
する。
FIG. 2 shows the detection element 10 of FIG.
This equipment is capable of measuring fast neutron beams. When the neutron beam 6 comes, it causes the moderator 11 to reach the detection element 10 along a trajectory as shown in FIG.

本実施例では測定中性子線エネルギー範囲とし
て0.025eV〜14MeVまでが可能であることが判明
した。
In this example, it was found that the measurement neutron beam energy range was 0.025 eV to 14 MeV.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

この発明によれば、中性子線エネルギースペク
トル像がリアルタイムで測定出来る。また人体へ
の中性子線の影響度を示したICRP勧告に合わせ
て減速材厚みを数種類変化させて対応させて、人
体への影響指示モニターとしても勿論使用しう
る。
According to this invention, a neutron beam energy spectrum image can be measured in real time. In addition, it can be used as a monitor to indicate the influence of neutron beams on the human body by changing the thickness of the moderator in several types in accordance with the ICRP recommendations that indicate the degree of influence of neutron beams on the human body.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は中性子線検出素子の断面図、第2図は
第1図の素子を用いた検出装置の断面図である。 1……P型単結晶シリコン、2……非晶質シリ
コン、3……ポロン薄膜、4,5……電極、6…
…中性子線、7……α線、10……検出素子、1
1……減速材。
FIG. 1 is a sectional view of a neutron beam detection element, and FIG. 2 is a sectional view of a detection device using the element of FIG. 1... P-type single crystal silicon, 2... Amorphous silicon, 3... Poron thin film, 4, 5... Electrode, 6...
...Neutron beam, 7...α ray, 10...Detection element, 1
1... Moderator.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 単結晶半導体表面に非結晶質半導体を被着せ
しめたヘテロ接合と、ボロン薄膜とを組み合わせ
た検出器と、その周囲に減速材を載置することを
特徴とする中性子検出装置。
1. A neutron detection device comprising a detector combining a heterojunction in which an amorphous semiconductor is deposited on the surface of a single crystal semiconductor and a boron thin film, and a moderator placed around the detector.
JP59158415A 1984-07-28 1984-07-28 Neutron detector Granted JPS6135385A (en)

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JP59158415A JPS6135385A (en) 1984-07-28 1984-07-28 Neutron detector

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JP2500886B2 (en) * 1992-02-25 1996-05-29 アロカ株式会社 Neutron detector
US6771730B1 (en) * 1998-11-25 2004-08-03 Board Of Regents Of University Of Nebraska Boron-carbide solid state neutron detector and method of using the same

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