DETECTOR LIQUIDO-SEMICONDUCTOR DE NEUTRONES.

Detector líquido-semiconductor de neutrones.

La presente invención se refiere a un detector líquido-semiconductor de neutrones caracterizado porque comprende una estructura híbrida constituida por una fase sólida y una fase líquida,

donde la fase sólida comprende un sustrato de un material semiconductor que se caracteriza por presentar una serie de hendiduras a lo largo de la superficie de una de sus caras que constituyen un electrodo del detector, y donde la fase líquida se encuentra embebida en dichas hendiduras y se caracteriza por comprender al menos un compuesto conversor de neutrones que contiene al menos un isótopo capaz de capturar neutrones y producir en su lugar partículas cargadas adecuadas para ionizar el material semiconductor. Asimismo es objeto de la invención el proceso de fabricación de dicho detector y su uso.

Campo tïcnico de la invenciïn La presente invenciïn se refiere a un nuevo concepto para crear un detector de neutrones de alta eficiencia (>50%) combinando dos tecnologïas que aïnan dos estados de la materia (sïlido y lïquido) , a travïs de la tecnologïa MEMS (Micro-Electro Mechanical Systems, sistemas micro-electromecïnicos) de fabricaciïn de detectores de radiaciïn de semiconductores y de la microfluïdica. El detector resultante es un hïbrido de semiconductor y lïquido. La principal aplicaciïn es la creaciïn de detectores de neutrones de alta eficiencia para medicina nuclear y microdosimetrïa, exploraciïn espacial, anïlisis industrial y seguridad nuclear, entre otros.

Antecedentes de la invenciïn La radiaciïn es la forma de propagaciïn de energïa mediante ondas electromagnïticas (rayos X, rayos gamma, etc.) partïculas subatïmicas (protones, neutrones, partïculas α, electrones, etc.) en movimiento. La radiaciïn se denomina “ionizante” o “no ionizante” dependiendo de su capacidad de arrancar o no electrones del medio a travïs del cual se propaga. Esta caracterïstica depende de la naturaleza intrïnseca de la partïcula (esto es, de si es un hadrïn, un leptïn, un fotïn, un nïcleo, etc.) , del tipo de interacciïn con el medio (dïbil, fuerte o electromagnïtica) , asï como de la energïa inicial de la partïcula. Son radiaciones ionizantes las partïculas con carga elïctrica (electrones, protones, partïculas alfa, etc.) , y los rayos X y gamma. No lo son las partïculas neutras (neutrones, mesones neutros, y cierto tipo de ondas electromagnïticas como microondas, ondas radio, etc.) .

La mayor parte de partïculas cargadas, asï como los fotones, forma parte de las radiaciones ionizantes, lo que permite detectarlas gracias a la ionizaciïn que producen cuando atraviesan la materia. Si el blanco sobre el cual interaccionan estï compuesto de un material adecuado, y ïste estï convenientemente integrado en un sistema de lectura electrïnica, dicho dispositivo actuarï como un detector de partïculas. Tales blancos pueden encontrarse en fase sïlida, lïquida o gaseosa, dependiendo del tipo de partïcula a identificar y de la aplicaciïn. Tradicionalmente los materiales usados para ello han sido semiconductores, centelleadores y gases ligeros, respectivamente. Asï, un detector de radiaciïn es un dispositivo capaz de identificar la presencia de partïculas, ya sean ïstas de origen natural (radiaciïn cïsmica o procedentes de cadenas de desintegraciïn primitivas) o artificial (desintegraciones nucleares provocadas, o partïculas generadas en aceleradores de partïculas) . De este modo, por ejemplo, en un detector semiconductor, cuando una partïcula cargada o un fotïn lo atraviesan, la ionizaciïn que producen a su paso va generando pares electrïn-hueco (portadores de carga) , de forma tal que si aplicamos un campo elïctrico, ïstos derivarïn hacia los electrodos, generando un pulso de corriente en su recolecciïn. A travïs de este pulso elïctrico se puede inferir la energïa depositada por la partïcula incidente (vïa un circuito externo acoplado a una electrïnica de lectura) . Sin embargo, cuando una partïcula neutra, como un neutrïn, atraviesa el medio, no hay detecciïn directa, puesto que estos no tienen carga que ionice dicha materia.

El interïs en la detecciïn de neutrones con sensores activos ha aumentado considerablemente en los ïltimos aïos. En este campo, dos han sido los tipos de detectores utilizados principalmente: los detectores de gas de 3He y los centelleadores basados en 6Li. Sin embargo, ambos tipos de detectores comparten algunas caracterïsticas indeseables: por ejemplo, los de 3He son pesados y requieren costosas condiciones de operaciïn (altas presiones, del orden de 10 bares, y voltajes en torno a 10 kV) , y los centelleadores necesitan ser conectados a un pesado fotomultiplicador que trabaja a cientos de voltios, y precisan un embalaje hermïtico debido a la naturaleza higroscïpica de tales cristales centelleadores. Ademïs, ambos tipos de detectores tienen tiempos de lectura relativamente altos, por lo que no sirven para aplicaciones que requieran una alta tasa de contaje y, lo que es mïs importante, son materiales de suministro dificultoso: Tanto el 3He como el 6Li son caros, estï pronosticado que las reservas de 3He se consuman en las prïximas dïcadas [R.T. Kouzes et al., Nucl. Instr. Meth. A 623 (2010) 1035–1045], y el 6Li requiere autorizaciones especiales para su exportaciïn. Estos impedimentos no permiten la versatilidad que algunos entornos requieren y limitan el campo de aplicaciïn de tales detectores. En contraste, los detectores de semiconductor (SD) poseen varias caracterïsticas que los hacen muy ïtiles para gran parte de los entornos donde se pueden encontrar neutrones (medicina nuclear y microdosimetrïa, exploraciïn espacial, anïlisis industrial, y seguridad nuclear) , como bajo peso y tamaïo, compacidad, robustez y bajo consumo de baterïa, asï como respuesta rïpida e insensibilidad a campos electromagnïticos [S. M. Sze, Physics of Semiconductor Devices, 2nd Ed., John Wiley & Sons, 1981]. No obstante, la adaptaciïn de un SD para detectar neutrones entraïa ciertas complejidades inherentes a la fïsica del neutrïn [G.F. Knoll, Radiation detection and measurements, John Willey and Sons, Inc., New York 2000]. Como se ha dicho anteriormente, puesto que los neutrones no interaccionan con la materia por ionizaciïn directa, no pueden ser detectados de manera directa por medio de un semiconductor (SC) . Para convertir un SD en un detector de neutrones es necesario usar un isïtopo apropiado de un elemento (denominado “conversor”) capaz de capturar neutrones y eyectar partïculas cargadas (como producto de reacciïn de la captura) que sï ionizan el semiconductor y por tanto pueden ser detectadas. De esta manera, un detector semiconductor de neutrones consiste en un sensor de radiaciïn cubierto o llenado por un conversor, o uno en el que los ïtomos del conversor forman parte de la estructura del material [N. Caruso, J. Phys.: Condensed Matter 22 (2010) , doi: 10.1088/0953

8984/22/44/443201; C. Guardiola et al., Journal of Instrumentation 6 (2011) , doi: 10.1088/17480221/6/11/P11001].

Los neutrones pueden ser clasificados grosso modo segïn su energïa (E) en rïpidos (E>1 eV) y lentos (E<1 eV) . El objeto de esta invenciïn se centra en la detecciïn de neutrones lentos, aunque es vïlido tambiïn para el rango de neutrones rïpidos. Los conversores con una alta secciïn-eficaz de captura de neutrones estïn basados en compuestos que contienen alguno de los siguientes isïtopos: principalmente 6Li, 10B, 113Cd, 155Gd y 157Gd; aunque tambiïn son posibles otros isïtopos de mucha menor abundancia natural, baja secciïn eficaz, e incluso gases nobles o elementos que pertenecen al grupo de las tierras raras, como por ejemplo: 3He, 135Xe, 235U, 238U, 232Th, 23Na, 56Fe, 91Zr, 115In, 197Au, Hf, Co, Sm, Ti, Dy, Er, Eu, Mo, Yb. Conversores con compuestos que contienen algunos de estos isïtopos tambiïn son posibles, como por ejemplo: B4C, BF3, LiF, H3BO3 y Mo2B5. Las reacciones nucleares de los isïtopos mïs utilizados que se generan en la captura neutrïnica se especifican en la Tabla I.

Tabla I. Isïtopos conversores para neutrones

Material Reacciïn de captura neutrïnica

10B ) (0.48) (0.84) (1.47 710 MeVMeVLiMeVnB γα ++→+ 94% ) (1.01) (1.78 710 MeVLiMeVnB +→+ α 6%

6Li ( ) ( MeV ) MeVHLin 2.052.723 1 6 + α→+

113Cd −++→+ eMeVCdnCd ) (0.56114113 γ

155Gd −++→+ eMeVGdnGd ...) (0.09, 0.2, 0.3156155 γ

157Gd −++→+ eMeVGdnGd ...) (0.08, 0.18, 0.28158157 γ

Los detectores de neutrones basados en semiconductores con geometrïa planar [J. K. Shultis and D.S. McGregor, IEEE Trans. Nucl. Sc., Vol. 53, (3) 2006, 1659-1665] tienen una eficiencia mïs baja comparada con otras soluciones tecnolïgicas, tales como los detectores con perforaciones (que superan las restricciones geomïtricas planares incrementado la superficie de contacto entre el conversor y el detector de semiconductor con patrones de perforaciones dentro del mismo) . Hace veinticinco aïos, R.A. Muminov y L.D. Tsvang apuntaron que la eficiencia de detecciïn de neutrones podïa alcanzar hasta un 40%, e incluso mïs, si se distribuïan canales rectangulares a lo largo de la superficie del SD [R.A. Muminov and L.D. Tsvang, At. Energy, vol. 62, No. 4, 265267, 1987]. Sin embargo, desde entonces han sido pocos los grupos de investigaciïn que han sido capaces de fabricar tales microestructuras en SD para detecciïn neutrïnica. En particular, el grupo liderado por el Dr. D.S. McGregor ha trabajado intensamente en este tema usando 6LiF como... [Seguir leyendo]

1. Detector lïquido-semiconductor de neutrones caracterizado por que comprende una estructura hïbrida constituida por una fase sïlida y una fase lïquida, donde la fase sïlida comprende un sustrato de un material

semiconductor que se caracteriza por presentar una serie de hendiduras a lo largo de la superficie de una de sus caras que constituyen un electrodo del detector, y donde la fase lïquida se encuentra embebida en dichas hendiduras y se caracteriza por comprender al menos un compuesto conversor de neutrones que contiene al menos un isïtopo capaz de capturar neutrones y producir en su lugar partïculas cargadas adecuadas para ionizar el material semiconductor.

2. Detector de acuerdo a la reivindicaciïn 1, donde el isïtopo es seleccionado de un grupo que consiste en 6Li, 10B, 113Cd, 155Gd, 157Gd; 3He, 135Xe, 235U, 238U, 232Th, 23Na, 56Fe, 91Zr, 115In, 197Au, Hf, Co, Sm, Ti, Dy, Er, Eu, Mo y Yb.

3. Detector de acuerdo a la reivindicaciïn 1 o 2, donde el compuesto conversor es seleccionado de un grupo que consiste en B4C, BF3, LiF, H3BO3, Mo2B5, B (OH) 3 , Na2[B12H12], C2B10H12 yB10H14.

4. Detector de acuerdo a una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, donde el material semiconductor es seleccionado de un grupo que consiste en Si, Ge, SiC, CdTe, CdZnTe, GaAs y B4C. 20

5. Detector de acuerdo a una cualquier de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por que comprende al menos un segundo electrodo localizado en la misma cara o en la cara opuesta a las hendiduras.

6. Detector de acuerdo a la reivindicaciïn 5, donde dicho segundo electrodo presenta geometrïa planar o 25 tridimensional.

7. Procedimiento para la fabricaciïn de un detector de acuerdo a una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado por que comprende:

(a) preparar la fase sïlida constituida por un sustrato de un material semiconductor mediante el grabado de 30 una serie de hendiduras lo largo de su superficie, las cuales constituyen un electrodo del detector;

(b) introducir la fase lïquida que comprende al menos un compuesto conversor de neutrones en las hendiduras de la fase sïlida.

8. Procedimiento, de acuerdo a la reivindicaciïn 7, caracterizado por que comprende una etapa adicional de 35 confinamiento de la fase lïquida en las hendiduras de la fase sïlida mediante encapsulaciïn.

9. Procedimiento, de acuerdo a la reivindicaciïn 7, caracterizado por que comprende una etapa inicial, previa o simultïnea a la etapa de preparaciïn de la fase sïlida, de sïntesis de la fase lïquida, la cual comprende la disoluciïn del compuesto conversor de neutrones en al menos un disolvente y/o la adiciïn del compuesto conversor de neutrones a una matriz adherente.

10. Procedimiento, de acuerdo a la reivindicaciïn 9, donde dicho disolvente es seleccionado de un grupo que consiste en diglima (eter 2-metoxietilo) , THF (tetrahidrofurano) , acetonitrilo, y dibromoetano.

11. Procedimiento, de acuerdo a la reivindicaciïn 9, donde dicha matriz adherente es seleccionada entre PVC y cianocrilato.

12. Uso de un detector de acuerdo a una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6 para detectar neutrones.

13. Uso de un detector de acuerdo a una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6 en medicina nuclear.

FIG. 1

FIG. 2