NTDゲルマニウムにおける中性子フルエンスの測定
新しい方法がゲルマニウムを使った中性子フルエンス測定の精度と安全性を向上させた。
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中性子変換ドーピング（NTD）は、ドイツウムなどの半導体材料に不純物、つまりドーパントを加えるために中性子を使う技術だ。このプロセスは、電子デバイスを作るために材料の特性を正確にコントロールすることができるから、めちゃくちゃ重要なんだ。この記事では、NTDドイツウムにおける熱中性子の量をどうやって正確に測るかを見ていくよ。この測定は、この材料から作られるデバイスがうまく機能するために大事なんだ。
中性子流束測定の課題
ドイツウムが原子炉で使われると、強烈な数の熱中性子にさらされることがある。でも、これらの粒子を測定する従来の方法は不十分だったり、安全じゃなかったりするんだ。コバルトや金を使った標準中性子モニターは、環境や安全に問題を引き起こす長寿命の放射性廃棄物を生むから、適してないんだよ。
この問題を解決するために、研究者たちはNTDドイツウムそのものから直接放出されるX線を測定する方法を成功裏に考案した。このアプローチは、中性子流束をより安全かつ正確に測定できるようにしている。
中性子測定におけるX線の役割
活性化したドイツウム同位体が崩壊すると、X線が放出される。このX線を検出することで、サンプルがどれだけ熱中性子にさらされたかを知ることができる。研究者たちは、マイクロメガス検出器（MMD）とシリコンドリフト検出器（SDD）の2種類の検出器を使った。これらのデバイスは、崩壊中に生成される特定のX線を検出するのに対応していて、エネルギーが9.2 keVと10.3 keVだ。
これらの検出器の効果はシミュレーションで確認されて、NTDドイツウムから放出されるX線を正確に測定できることが示された。X線を測定することで、科学者たちはドイツウムが照射プロセス中に受けた熱中性子の放射線量を推定できる。
原子炉照射のプロセス
ドイツウムのような半導体材料が照射されると、変化が起きる。中性子は材料の原子と相互作用して、異なる同位体が形成される。中性子放射線の量は、原子炉の種類や照射時間などの要因によって大きく変わることがある。
NTDドイツウムの場合、熱中性子の流束をコントロールするのが重要なんだ。これが材料のドーピングの程度を決定するから。より多くの中性子流束があると、ドイツウムの中にドーパントがより高濃度で存在することになり、電子的特性が向上することがある。だから、この流束を正確かつ安全に測定することが大切なんだ。
実験の設定と手法
実験では、高純度のドイツウムウエハが慎重に準備されて、照射のために原子炉に置かれた。照射後、サンプルは測定を行う前に一定期間放置される。この待機期間で、短命の同位体が減少して、測定が安全になるんだ。
サンプルが準備できたら、研究者たちはMMDとSDDの両方の検出器を使って放出されたX線を測定した。MMDは、X線と相互作用することで信号を生成するガス検出器で、SDDは素子を使った検出器で、素晴らしいエネルギー分解能を提供するから、X線エネルギーの正確な測定ができる。
測定結果
両方の検出器からの測定結果は良い一致を示して、方法の正確さが確認された。MMDとSDDのデータを組み合わせることで、研究者たちは各照射ドイツウムサンプルの中性子流束の信頼できる推定値を得ることができた。
二つの測定結果の一貫性は、実験設定が効果的に機能したことを示している。これは、ドイツウム活性化法が安全に中性子流束を決定するための実用的な選択肢であることを示すものだ。
測定の不確かさを理解する
結果が有望だったとはいえ、測定中にいくつかの不確かさも見つかった。これらの不確かさは、検出器の解像度やサンプルの内在的な変動など、いくつかの要因から発生することがある。
研究者たちはこれらの不確かさを考慮して、測定ができるだけ正確になるようにまとめた。さまざまな要素を考慮することで、サンプルが受けた中性子照射の状況をより明確に示そうとしたんだ。
結論と今後の展望
この研究は、半導体に対するNTD技術の使用において大きな進展を示すものだ。ドイツウムからの熱中性子流束を直接測定することの実現可能性を示していて、従来の活性化方法と比べてリスクや課題が少ないんだ。
結果は、活性化されたドイツウムを中性子流束のモニターとして使うことで、原子力応用における安全性や正確性を向上させる可能性があることを示している。分野が発展するにつれて、さらなる研究がこれらの測定をより良い結果に向けて洗練するための知識を深めるかもしれない。
要するに、NTDドイツウムのX線放出を中性子流束測定に使う技術は、安全に関する懸念を解決するだけでなく、半導体材料が受ける中性子照射を評価するための信頼できる方法を提供する。この進展は、将来の中性子変換ドーピングのアプローチに大きな期待をもたらし、より優れた電子デバイスに繋がるかもしれない。
タイトル: Measurement of reactor thermal neutron fluence of NTD-Ge by activation High-Purity Ge itself
概要: In neutron transmutation doped germanium, the thermal neutron fluence of reactor irradiation is as high as 10$^{18}$~n$\cdot$cm$^{-2}$. For radiological safety reasons, general Co or Au neutron flux monitors cannot be easily used. We have experimentally demonstrated the feasibility of measuring the X-rays emitted by the NTD-Ge itself to determine the absolute thermal neutron fluence for the first time. A Micro-Megas Detector (MMD) and a Silicon Drift Detector (SDD) are set up to detect the tagging KX-rays with 9.2 keV and 10.3 keV cascading from the decays of $^{71}$Ge. Combined the detection efficiencies calculated by GEANT4, neutron fluence results given with proper accuracy by MMD and SDD are in a good agreement with each other.
著者: Kangkang Zhao, Mingxuan Xue, Haiping Peng, Yunlong Zhang, Zhiyong Zhang, Zizong Xu, Xiaolian Wang
最終更新: 2023-02-24 00:00:00
言語: English
ソースURL: https://arxiv.org/abs/2302.12982
ソースPDF: https://arxiv.org/pdf/2302.12982
ライセンス: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
変更点: この要約はAIの助けを借りて作成されており、不正確な場合があります。正確な情報については、ここにリンクされている元のソース文書を参照してください。
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