Главная Вакуумные трубки



метода определения различных элементов в 1 г образна с помощью нейтронно-активационного анализа приведена в табл. 12 [51.

Основными типами нейтронных источников, применяемых в настоящее время для нейтронного анализа, являются ядерные реакторы, нейтронные (d, d), {d, Т)-генераторы (трубки), реже изотопные источники. Ядерные реакторы : обеспечивают максимальные нейтронные потоки и иаивыс-,шую чувствительность анализа. Создание ускорительных нейтронных трубок с потоком нейтронов до И) нейтр./с позволит проводить аналитические исследования ие только , в крупных ядерных центрах, где расположены ядерные реакторы, но и в пехах промышленных предприятий, что особо -Ьажно е технологии производства полупроводниковых приборов.

Основные виды взаимодействия нейтронов с веществом и их применение для элементного анализа. В основе элементного анализа лежит несколько видов взаимодействия нейтронов с ядрами анализ!фуемого вещества. • Различают следующие виды взаимодействия [10]: неупругое рассеяние быстрых нейтронов, активация ядер вещества под воздействием быстрых нейтронов, упругое рассеяние быстрых нейтронов, резонансное поглощение нейтронов ядрами вещества, активация ядер те(1ловыми нейтронами, радиационный захват тепловых нейтронов ядрами анализируемого элемента, поглощение тепловых нейтронов, деление ядер под действием быстрых и тепловых нейтронов.

Неупругое рассеяние быстрых нейтронов в результате реакции («, пу) приводит ядро в возбужденное состояние. Регистрируя энергию у-излучеии.я, испускаемого при переходе ядра из возбужденного состояния в основное, которая для различных ядер неодинакова, проводят идентификацию элементов. Эта реакция пороговая с порогом энергии примерно 0,6-1 МэВ. При облучении ядер быстрыми нейтронами возможно несколько видов взаимодействия нейтрона с ядром. Нейтрон может поглощаться ядром, испуская затем у-квант, другую частицу или нейтрон. Реакция с испусканием из ядра заряженных частиц или нейтронов является также пороговой, т. е. для ее осуществления требуется энергия нейтронов в несколько мегаэлектронвольт. Сечения этих реакций сравнительно невелики. В результате реакций (я, р), {п, а), {п, 2п) образуются ядра, которые затем претерпевают -распад. Регистрируя энергию характерных у-линий и период полураспада образовавшихся ядер, можно проводить идентификацию ядер анализируемого материала.

Упругое рассеяние быстрых нейтронов особое значение

имеет для процесса замедления нейтронов. Нейтрон после упругого рассеяния имеет ту же энергию, что н падающий, хотя возможны два механизма его взаимодействия с ядром. Взаимодействие нейтрона с ядром может происходить с образованием составного ядра, когда сумма кинетической энергии падающего нейтрона и энергия связи нейтрона в ядре совпадают с некоторым возбужденным состоянием составного ядра, причем ядро может испустить нейтрон той же энергии, что и падающий. Чаще процесс упругого рассея-


имл. 10

"4

10"- 10 10 10* £,MsB О 10 го jo Ы so 60 70 во N

Рис. 57. Зависимость полного сечения марганца от энергии нейтронов

Рис. 58. Спектры у-излучения образца, содержащего медь и иридий:

/ - Cd-фильтр; 2 - (Cd -f 1г)-фильтр; 3 - разностный спектр

ния быстрых нейтронов идет без образования составного ядра, просто нейтрон отклоняется полем ядра. Зависимость полного сечения такой ядерной реакции для марганца показана на рис. 57. Левая часть сечения представляет собой медлен-номеняющуюся функцию, уменьшающуюся с ростом энергии нейтронов пропорционально 1/и, где v - скорость нейтронов, а правая часть функции резонансная с четкими максимумами сечения, соответствующими энергетическим уроь-ням составного ядра.

Резонансное поглощение нейтронов ядрами вещеохваг дало бы возможность повысить селективность определения элементов, но, к сожалению, в настоящее время не существует источников моноэнергетических нейтронов с регулируемой энергией, при помощи которых можно получать нейтроны резонансных энергий. В ядерной физике имеются несколько методов получения потоков моноэнергетических нейтронов с переменной энергией [22]. Однако необходимые для этого устройства сложны, а получающиеся потоки нейтронов имеют низкую интенсивность. Поэтому их применение для аналитических целей ограничено.



На практике анализ резонансного поглощения или активации проводится на резонансных и нерезонансных фильтрах. Нерезонансный фильтр применяют в основном для уменьшения потока тепловых нейтронов, чаще всего это кадмий, соединения бора или их комбинация. Эти фильтры позволяют значительно повысить отношение эффекта к фону. Если использовать фильтр из вещества, являющегося поглотителем нейтронов с определенной резонансной энергией, совместно с нерезонансным фильтром, то можно значительно уменьшить активацию того же элемента, из которого состоит и резонансный фильтр в анализируемом материале. Это дает возможность выделять эффект активации (поглощения) для различных элементов резонансными нейтрона.ми или подавлять в спектре эффекты от мешающих элементов (рис. 58) [30, 31].

Ядерная реакция типа («, у) является основной преобладающей при взаимодействии тепловых нейтронов с ядрами анализируемого вещества. Регистрируя мгновение у-излучения, испускаемое при переходе ядра из возбужденного состояния в основное (а оно для каждого нуклида характерно), и его интенсивность, находят концентрацию ядер данного элемента. Или измеряют активность радиоактивных ядер, образовавшихся в результате этой реакции,- их активность пропорциональна концентрации анализируемых элементов. По поглощению тепловых нейтронов, J т. е. уменьшению плотности потока нейтронов через анализируемое вещество, можно судить о концентрации погло-j щающего э,темента. При облучении нейтронами тяжелы? ядер (U, Ры, Th) происходит их деление. Определяя числе осколков, можно вычислить концентрацию делящихся эле-j ментов по Y-спектрам, заряженным частицам и нейтронам, испускаемым при делении.

Перечисленные виды взаимодействия нейтронов с ядрами анализируемого вещества имеют большие возможности нейтронных методов анализа состава различных материалов.,

К достоинствам нейтронных методов анализа следует отнести экспрессность проведения анализа без разрушени? образца, основанную на свойствах ядер - периоде полу-j распада и энергии излучения; cCvieKTHBHoCTb - определе-j лие многих примесей в одном образце; отсутствие химических операций, которые вносят в образец примеси, связанные с применением реактивов. Чистотой применяемых реактивов в основном ограничиваются возможности физико-химических методов определения малых количеств примесей.

Применение нейтронно-активационного анализа для определения примесей в материалах для полупроводниковой

xexHHjtH. Используя источники нейтронов с энергией 14 МэВ, можно легко определять содержание О, N, Mg, S, Si и другие элементы в промышленных образцах [5]. Наиболее интересно и перспективно применение потоков нейтронов для определения кислорода в таком полупроводниковом материале как кремний. Как отмечали выше, кремний в настоя-


Рис. 59. Схема установки для анализа:

Д/ Д2 и ДЗ - детекторы для измерения активности образца и стандаэта; У - линейный усилитель: Д - дифференциальный дискриминатор; Я - пересчетиый прибор; /С - компрессор: Р - ресивер; ВР - воздухораспределитель; БЗ - блок загрузки и разгрузки образцов; БУ - блок управления

щее время является одним из основных материалов, исполь" зуемых в микроэлектронике и силовой полупроводниковой технике. Наличие кислорода в кремнии оказывает влияние на электрофизические свойства кремния, особенно на напря< жение пробоя /7-.г-переходов. Кислород может попасть а кремний в процессе выращивания монокристаллов, высокотемпературного окисления или диффузии в окисляющей среде. Применяя нейтронно-активационный метод по (п, р)-реакции, определяют содержание кислорода в кремнии, так как в результате ядерной реакции образуется изотоп О" с периодом полураспада Т./, = 7,4 с и энергией Еу = = 6...7 МэВ. Это позволяет, используя у-спектрометры, определять кислород в любых образцах (мешают только значительные количества фтора). Чувствительность метода зависит от потока нейтронов. Нейтронные генераторы на запаянных трубках с потоком 10-10 нейтр./с позволяют определять 10~-10~ % кислорода, что вполне удовлетворяет требованиям промышленности. Для повышения чувствительности следует использовать нейтронные генераторы с потоком до 10 нейтр./с.

Схема установки для анализа по короткоживущим продуктам активации показана на рис. 59 [77]. В качестве



источника нейтронов ИН используют три генератора на запаянных нейтронных трубках, которые имеют нейтронный поток: 3 10*, 6 • 10*, 2 10** нейтр./с. Установка оборудована пневмопочтой для быстрой доставки после облучения измерений, сцинтилляционными счетчиками для регистрации излучения образца и стандарта и амплитудными анализаторами, состоящими из усилителей, дискриминаторов и пересчетных приборов [77]. По этой схеме можно определять кислород, бор, фтор, азот в промышленных образцах, применяя поток нейтронов с энергией 14 МэВ. Чувствительность анализа и пороги обнаружения приведены в табл. 13 177].

13. Чувствительность аналйз.ч и пороги о5яаруж;ния

иссл8дов.1ино1х э1емгнтоз

Элемент

Реакция

Чувствительность, имп/г

Порог обнаружения, мг

Кислород Бор Фтор * Фтор Азот

О!" (п, р) №« В" (п, р) Be" (п, а) N18 F" (п, р) О" N1* (п, 2п) N1»

2-10« 7,6.10» , 1,3-10* 1,6-105 8-1№

0,02

Продолжительность облучения составляет 1,5 мин, время выдержки 30 с и время регистрации 1 мин. Для всех элементов используется нейтронный источник типа НГ-160. По у-линии с энергией 1,36 МэВ можно измерять наведенную активность.

Метод определения азота по реакции N* {п, 2п) рассмотрен в работе [82]. Образование по реакциям (/г, 2/?) позктронных излучателей и других элементов усложняет анализ, что затрудняет выделение излучения спектрометрически. Из-за фона, который определяется содержанием мешающих примесей в анализируемой пробе, трудно указать порог обнаружения азота независимо от состава исследуе-: мого материала.

При облучении быстрыми нейтронами с энергией 14 МэВ материала для определения содержания азота наибольший фон создают образующиеся р~-излучающие ядра с перио-jj дом полураспада от 1 .мин до 1 ч. К этим элементам можно] отнести Си, Вг, Мо, Ag, Fe, К, Zr. Не приводит к образованию позитронных излучателей облучение таких элементов: Ei, Be, В, V, Мп, Cs, La, Tb, Но, Tu, Yb, Hf, Re, W, Os, Au, Hg, Tl, Pb, Bi. После рассмотрения схемы распадов этих элементов можно сделать вывод, что их присутствие в полупроводниковом материале в любом количестве не ме-122

шает определению азота, используя для анализа спектрометр совпадений.

Автоматизированная промышленная установка для активационного анализа на быстрых нейтронах описана в работе [84]. Она укомплектована устройством для автоматической обработки результатов анализа. Концентрацию определяемого элемента можно определить по формуле:

где k -- калибровочный коэффициент; т - масса анализируемого образца; Л,, А/- Лф, Лгф- числа отсчетов и значения фона для каналов образца и стандарта.

Время обработки результатов не превышает 1 с. Измеренное содержание в процентах выводится на цифровое табло и цифропечать. В этой установке можно !:спользовать нейтронные трубки ра.зличного типа. На установке можно проводить анализ содержания кислорода, фтора, бора и других элементов в анализируемом полупроводниковом материале.

Определение примесей в материалах с помощью потока тепловых нейтронов с реактора (1-5) Ю нейтр./(см- - с) рассмотрено в работе [102]. Наличие пневмопочты позволяет работать с изотопами, которые имеют короткий период полураспада в соответстпш! с заданной программой. Облучаемые образцы для транспортировки помещают в полиэтиленовую капсулу, которая после облучения открывается автоматически, что уменьшает время обработки облучаемого материала и дозу, получаемую обслуживающим персоналом. В зависимости от характера задач образцы поступают на у-спектрометрнческие измерения сразу же после облучения без каких-либо химических обработок, или же после радиохимических разделений. Исследуемые материалы и определяемые в них элементы приведены в табл. 14. На рис. 60 показан гамма-спектр кремния полупроводниковой чистоты, снятый NaJ (Т1)-и Ge (Ь1)-детекторами. Как видно из рис. 60, несмотря на сравнительно низкую эффективность полупроводникового детектора чувствительность и точность определений в этом случае лучше чувствительности и точности измерений, проведенных на сцинтилля-ционных детекторах.

Использование метода нейтронной радиографии для исследования и анализа полупроводниковых материалов. Нейтронная радиография основана на регистрации изображения, получающегося в результате ослабления потока



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 [19] 20 21 22


0.0133