Полупроводниковый детектор для регистрации сопутствующих нейтронам заряженных частиц в нейтронном генераторе со статическим вакуумом

Полупроводниковый детектор для регистрации сопутствующих нейтронам заряженных частиц в нейтронном генераторе со статическим вакуумом

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области ядерной физики и может быть использовано для регистрации сопутствующих нейтронам заряженных частиц в нейтронном генераторе малого диаметра со статическим (неоткачиваемым) вакуумом.

Устройство предназначено для использования в приборах для неразрушающего анализа вещества методом меченых нейтронов. Здесь в качестве источника нейтронов используется нейтронный генератор с нейтронами энергией 14 МэВ. Для генерации нейтронов в этом случае используется D - Т реакция (₁H²+₁H³→₂Не⁴+₀n¹), в результате которой образуются альфа-частица с энергией 3.5 МэВ и нейтрон с энергией 14 МэВ. Вылет нейтрона и альфа-частицы происходит в субпротивоположных направлениях. Таким образом, если разместить рядом с источником нейтронов детектор альфа-частиц, то регистрация им альфа-частицы будет свидетельствовать о том, что в противоположном направлении вылетел быстрый нейтрон. Такие устройства находят применение в приборах для неразрушающего анализа вещества, в частности в приборах для каротажа нефтегазовых скважин.

В процессе работы мишень нейтронного генератора испускает световое излучение, электронное излучение, ионы дейтерия и трития, образующиеся в процессе рассеяния падающего пучка в мишени, гамма-излучение и нейтронное излучение с энергией 14 МэВ на фоне этих излучений необходимо с высокой эффективностью регистрировать сопутствующие нейтронам альфа-частицы.

Процесс получения статического вакуума перед проведением герметизации вакуумного объема также требует высокотемпературного удаления газов, связанного с нагревом всей конструкции при непрерывном откачивании вакуумного объема вместе с размещенным в нем детектором сопутствующих частиц.

Известен полупроводниковый детектор для регистрации сопутствующих нейтронам заряженных частиц в нейтронном генераторе со статическим вакуумом, включающий полупроводниковый регистрирующий элемент, размещенный в диэлектрическом корпусе, закрытый как со стороны потока заряженных частиц, так и с противоположной стороны слоями металла, электрически соединенными с токоотводами; токоотвод со стороны потока заряженных частиц выполнен в виде жесткой прижимной металлической пластины с отверстием напротив чувствительной зоны полупроводникового регистрирующего элемента, прикрепленной к диэлектрическому корпусу, а токоотвод с противоположной стороны выполнен в виде жесткой металлической пластины, поджатой пружинным элементом к полупроводниковому регистрирующему элементу, при этом диэлектрический корпус выполнен из вакуум-плотного материала с газовой десорбционной способностью не более 5·10^-8 мбар · см^-2 · с^-1, RU 2247411 C1.

Данное техническое решение принято в качестве прототипа настоящего изобретения.

Недостатком прототипа является относительно невысокая радиационная стойкость, составляющая 10 12   н е й т р с м 2 . Это не позволяет разместить детектор на близком (менее 60 мм) расстоянии от мишени нейтронного генератора, так как в этом случае ресурс работы детектора резко сокращается под воздействием нейтронного потока генератора и становится меньше стандартного ресурса нейтронного генератора, составляющего 1000 часов при интенсивности нейтронного потока 10 8   н е й т р с е к × 4 π . Однако в условиях ограниченного пространства, в частности внутри обсадной трубы нефтегазовой скважины, расстояние детектора от мишени генератора, как правило, не должно превышать 15-20 мм. Вследствие этого детектор должен обладать высокой радиационной стойкостью - не менее 10 13   н е й т р с м 2 .

Кроме того, недостатком прототипа является ухудшение качества его работы (эффективности регистрации сопутствующих нейтронам заряженных частиц), обусловленное увеличением относительного уровня шумов (FWHM) с ростом температуры детектора при его нагревании (до 200°С) в ограниченном пространстве нефтегазовой скважины.

Задачей настоящего изобретения является повышение радиационной стойкости полупроводникового детектора и эффективности регистрации сопутствующих нейтронам заряженных частиц.

Согласно изобретению в полупроводниковом детекторе для регистрации сопутствующих нейтронам заряженных частиц в нейтронном генераторе со статическим вакуумом, включающем полупроводниковый регистрирующий элемент, размещенный в диэлектрическом корпусе, закрытый как со стороны потока заряженных частиц, так и с противоположной стороны слоями металла, электрически соединенными с токоотводами, при этом диэлектрический корпус выполнен из вакуум-плотного материала с газовой десорбционной способностью не более 5·10^-8 мбар · см^-2 · с^-1, регистрирующий элемент выполнен в виде гетероструктуры, включающей подложку из карбида кремния типа n⁺6Н-SiC, на которой выращен эпитаксиальный слой карбида кремния типа n-6Н-SiC, снабженный с противоположной подложке стороны выпрямляющим слоем в виде барьера Шоттки.

Заявителем не выявлены какие-либо технические решения, идентичные заявленному, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения условию патентоспособности «Новизна».

Благодаря реализации отличительных признаков настоящего изобретения достигается технический результат, состоящий в значительном, более чем в 10 раз, повышении радиационной стойкости детектора. Указанное обстоятельство обусловливает практически весьма важное новое свойство объекта - возможность размещения его в ограниченном пространстве. Кроме того, в отличие от известного технического решения относительный уровень шумов не только не увеличивается с ростом температуры детектора, но, напротив, уменьшается, что явилось довольно неожиданным результатом реализации отличительных признаков изобретения.

Заявителем не выявлены источники информации, в которых содержались бы сведения о влиянии отличительных признаков изобретения на достигаемый технический результат. Указанные новые свойства объекта обусловливают, по мнению заявителя, соответствие изобретения условию патентоспособности «Изобретательский уровень».

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 схематически изображен детектор в продольном разрезе, на фиг.2 - график зависимости относительного уровня шумов (FWHM) от температуры детектора.

Полупроводниковый детектор для регистрации сопутствующих нейтронам заряженных частиц в нейтронном генераторе со статическим вакуумом включает полупроводниковый регистрирующий элемент, размещенный в диэлектрическом корпусе, который состоит из двух частей 1 и 2. В конкретном примере части 1, 2 корпуса выполнены из вакуум-плотной керамики ХС-22 (Швеция). Материал диэлектрического корпуса должен обладать газовой десорбционной способностью не более 5·10^-8 мбар · см^-2 · с^-1. В ином случае в нейтронном генераторе нарушается статический (неоткачиваемый) вакуум в связи с избыточным газовыделением материала корпуса, что приводит к преждевременной потере работоспособности нейтронного генератора.

Полупроводниковый регистрирующий элемент выполнен в виде гетероструктуры, включающей подложку 3 из карбида кремния типа n⁺6Н-SiC, на которой выращен эпитаксиальный слой 4 карбида кремния типа n-6H-SiC, который с противоположной подложке стороны снабжен выпрямляющим слоем 5 в виде барьера Шоттки. Регистрирующий элемент закрыт со стороны потока заряженных частиц слоем 6, а с противоположной стороны - слоем 7 металла (алюминия). Слои 6 и 7 выполняют функцию электрических контактов и соединены с токоотводами (на чертеже не показаны).

Устройство работает следующим образом. Нейтронный генератор со встроенным полупроводниковым детектором размещают в скважинном каротажном приборе, в данном примере типа MSI С/О, который погружают в обсадную колонну скважины. Мишень нейтронного генератора излучает нейтроны и сопутствующие им α-частицы, вылетающие в противоположном нейтронам направлении, α-частицы попадают на регистрирующий элемент (гетероструктуру) и создают электрический ток между контактными слоями 6 и 7. Указанные электрические сигналы усиливаются и регистрируются наносекундными регистрирующими приборами. Регистрируемый поток α-частиц соответствует направленному зондирующему пучку нейтронов, проходящих через обсадную колонну и попадающих в исследуемую породу. Благодаря направленности зондирующего пучка нейтронов повышается достоверность каротажа породы. При этом весьма важно, что при повышении температуры полупроводникового детектора относительный уровень шумов падает. Сравнительные испытания детектора проведены ООО «Научно-технический центр прикладной физики», Санкт-Петербург. Результаты испытаний отражены графиком, приведенным на фиг.2.

Для изготовления устройства использованы обычные конструкционные материалы и заводское оборудование. Это обстоятельство, по мнению заявителя, позволяет сделать вывод о том, что данное изобретение соответствует условию патентоспособности «Промышленная применимость».

Полупроводниковый детектор для регистрации сопутствующих нейтронам заряженных частиц в нейтронном генераторе со статическим вакуумом, включающий полупроводниковый регистрирующий элемент, размещенный в диэлектрическом корпусе, закрытый как со стороны потока заряженных частиц, так и с противоположной стороны слоями металла, электрически соединенными с токоотводами, при этом диэлектрический корпус выполнен из вакуум-плотного материала с газовой десорбционной способностью не более 5·10^-8 мбар·см^-2·с^-1, отличающийся тем, что регистрирующий элемент выполнен в виде гетероструктуры, включающей подложку из карбида кремния типа n⁺6H-SiC, на которой выращен эпитаксиальный слой карбида кремния типа n-6H-SiC, снабженный с противоположной подложке стороны выпрямляющим слоем в виде барьера Шоттки.