Neutronová aktivační analýza na vzorku monokrystalu křemíku

V rámci projektu MPO je řešena možnost měření koncentrací příměsí v křemíku metodou neutronové aktivační analýzy. Novinkou oproti dosud používaným postupům je využití celého krystalu ozářeného v rámci běžného výrobního procesu. V prosinci 2011 byl proveden experiment s křemíkovým krystalem o rozměrech r 50 mm x 300 mm. Krystal byl ozařován ve speciálním pouzdře, z něhož jej bylo možné vyjmout po dvou dnech. Ozařování trvalo přibližně 1,5 hodiny při výkonu reaktoru 10 MW.

Ozářený vzorek křemíku byl pak měřen celkem čtyřikrát během jednoho týdne na polovodičovém koaxiálním HPGe detektoru (viz obrázek). První měření aktivity začalo zhruba 44 hodin po ozáření, poslední pak 4 dny po něm. Na základě naměřených spekter byly dle charakteristických energií detekovaných píků kvalitativně stanoveny aktivity detekovatelných radioaktivních izotopů indukovaných v krystalu křemíku.

Z naměřených hodnot aktivit byly stanoveny koncentrace nečistot, které byly v krystalu přítomné již před ozářením. Detekováno bylo 15 prvků, např. Au, Co, Eu a Sb, tedy prvků, které mají velký účinný průřez pro aktivaci tepelnými neutrony. Výsledné koncentrace byly v mezích od 10^-9 (miliardtina) až 10^-12. Takto nízké koncentrace není možné jinými běžnými metodami stanovit.

Současně s detekcí radionuklidů odpovídajících nečistotám v krystalu byla stanovena aktivita radionuklidu ³¹Si, což je meziprodukt při transmutaci ³⁰Si na ³¹P, která je principem transmutačního dopování křemíku. Přesné měření aktivity ³¹Si tedy umožní kontrolovat míru dopování fosforem a povede ke zpřesnění výroby.

Metoda transmutačního dopování je jednou z metod výroby polovodičových materiálů. Z nich nejznámější je metoda ozařování monokrystalů křemíku tepelnými neutrony, kdy transmutací křemíku vzniká určité množství fosforu jako žádoucí příměs. Vhodnou volbou velikosti příkonu fluence neutronů a doby ozařování lze dosáhnout požadované koncentrace fosforu s vysokou homogenitou. Transmutační dopování křemíku probíhá na výzkumném reaktoru LVR-15 již řadu let. Koncem roku byla produkce výrazně zvýšena v důsledku větší zahraniční zakázky.

Měření aktivit ozářeného Si krystalu na polovodičovém HPGe detektoru