Ludzka populacja rozwija się nieustannie, co skutkuje rosnącym zapotrzebowaniem na energię elektryczną. Z tego powodu, energetyka jądrowa musi konkurować z nowymi technologiami przy pomocy, których pozyskiwana jest energia elektryczna. Aparatura pomiarowa stosowana w energetyce jądrowej jest oparta na bezpiecznych, wydajnych jednak wciąż konwencjonalnych technologiach. Reaktory przyszłości wymagają innowacyjnych metod pomiarowych oraz zaawansowanych narzędzi do ich przeprowadzenia. Nowoczesna aparatura pozwoli otrzymać istotne informacje, które podniosą bezpieczeństwo przyszłych reaktorów jądrowych oraz dostarczą niezbędnej wiedzy do ich zaprojektowania.
Półprzewodnikowe detektory oparte na materiale SiC mogą zostać wykorzystane do spektralnych pomiarów promieniowania jądrowego. Właściwości materiałowe węglika krzemu 4H-SiC takie jak zdolność do pracy w wysokiej temperaturze, podwyższona odporność na promieniowanie oraz szeroka przerwa energetyczna dla półprzewodnika (3.25eV) pozwalają na pracę w silnym polu promieniowania oraz w wysokiej temperaturze. Detektory SiC mogą zostać wykorzystane do pomiarów promieniowania jądrowego w energetyce jądrowej oraz branży wiertniczej, gdzie wykorzystuje się pomiary strumienia neutronów do określania składu gleby podczas przeprowadzania odwiertów. Detektory SiC bazują na złączu p-n, które zbudowane jest z półprzewodników opartych na węgliku krzemu. Detektor może zawierać kilka warstw, których grubości wahają się od kilku do kilkuset mikrometrów w zależności od konstrukcji. Materiał SiC wchodzi w interakcje z elektronami, fotonami oraz neutronami w wyniku, czego tworzone są pary elektron-dziura, które generują odpowiedź detektora zbieraną w formie zliczeń na kanał. W celu detekcji neutronów termicznych, które słabo produkują sygnał poprzez bezpośrednie oddziaływanie z SiC, wprowadzono do konstrukcji detektora konwerter neutronów. Wykorzystuje on izotop boru 10, który silnie oddziałuje z neutronami termicznymi emitując przy tym cząstki naładowane wykorzystane do tworzenia sygnału.
Metody numeryczne wsparte superkomputerami dają możliwości badania nowych zjawisk fizycznych takich jak tworzenie odpowiedzi detektora SiC wystawionego na działanie promieniowania jądrowego. W przedstawionych badaniach modelownie komputerowe wykorzystane jest do rozwiązania dwóch podstawowych problemów związanych z detektorami SiC. Pierwszym z nich i est wygenerowanie odnowiedzi detektor wystawionego na działanie zdefiniowanego promieniowania jądrowego. Drugim ważniejszym aspektem jest znalezienie spektrum opisującego pierwotne promieniowanie przy pomocy odpowiedzi detektora, która została zebrana podczas interakcji detektora z tym promieniowanie.
W pracy przedstawiono nową metodę pozwalającą uzyskać charakterystykę detektorów SiC w formie macierzowych funkcji odpowiedzi detektora. Funkcje pozwalają rozwiązać dwa wymienione problemy oraz umożliwiają przeprowadzenie szczegółowej analizy tworzenia się sygnału wewnątrz detektora. W pracy przedstawiono charakterystyki detektorów otrzymane dzięki narzędziu komputerowemu, które bazuje na opracowanej metodzie. Charakterystyki zostały wykorzystane do analizy odpowiedzi detektorów.
W celu zastosowania opisanej metody stworzono narzędzie komputerowe pozwalające przeprowadzić wszystkie niezbędne obliczenia. Narzędzie komputerowe zostało stworzone przy pomocy oprogramowania MATLAB oraz superkomputera ZEUS w ACK Cyfronet AGH. Obliczenia transportu cząstek przez materię wymagane do stworzenia charakterystyk detektorów zostały przeprowadzone przy użyciu znanych kodów opartych na metodzie Monte Carlo: Geant4 oraz MCNP/MCNPX.
Zaprezentowana metoda została zweryfikowana za pomocą rzeczywistych pomiarów, które zebrano wykorzystując różne konstrukcje detektorów SiC wystawione na działanie promieniowania. Pomiary eksperymentalne zostały porównane z numerycznymi odpowiedziami detektorów w celu weryfikacji nowej metody. W następnym kroku przeprowadzono szczegółową analizę zebranych odpowiedzi detektorów przy pomocy stworzonego narzędzie komputerowego.
Sprawdzone narzędzie komputerowe zostało wykorzystane do zoptymalizowania konstrukcji detektora, który zostanie wykorzystany do równoczesnych pomiarów neutronów prędkich oraz termicznych. Przedstawiono kilka wariantów ulepszonych konstrukcji detektorów, które zostały wykorzystane w przedstawionych badaniach.
Modeling of SiC Sensor Characteristics for Nuclear Radiation Measurements
The world population constantly increases, thus the demand on electricity grows. Nuclear energy has to compete with other energy sources and must be more and more safe, therefore we need detailed knowledge of nuclear reactor core behavior and radiation monitoring in nuclear media. Instrumentation used in nuclear energy are based on safe, efficient but still conservative technologies. Future reactors will need complete new on-line instrumentations and innovative advanced measurements methodologies, which will increase safety of the reactors and give necessary information for their designing.
Sensors based on silicon carbide (SiC) are highly suitable for spectroscopic measurements of nuclear radiation due to advantages of the 4H-SiC polytype. Its ability to operate in elevated temperatures, the increased radiation resistance and the wide band gap (3.25 eV) allow it to work in harsh radiation environments. Such detectors may be applied in the nuclear energy and in the measurement while drilling. The SiC sensors are based on a p-n junction created using silicon carbide semiconductor layers. The sensors include several layers with various thicknesses depending on the structure. Silicon carbide interacts with neutrons, photons and electrons, it produces electron-hole pairs, which generate the sensor response in the form of count distribution over channels. In order to detect thermal neutrons, a neutron converter basing on 10B is applied since thermal neutrons do not produce the response through direct interactions with the SiC material. Boron atoms creating the neutron converter interact highly with thermal neutrons producing charged particles, which create the sensor response.
The 3D computer modeling, which is the topic of the PhD thesis, allows us to study phenomenon such as a response creation within the SiC sensors under radiation. The computer modeling is applied to solve two crucial issues related to the responses of SiC sensors under radiation. The first one is the forward simulation of detector signal formation in the led of primary neutrons and secondary radiations, whereas the second one is the inverse problem of finding a representation of a primary radiation, basing on the measured detector signals. Even if the forward problem can be solved using an integrated approach, in which no intermediate functions or distributions are produced nor displayed and only the final signal would be presented, this approach is not appropriate since it would be of no big use for the solution of the inverse problem, which is of a greater importance for the applicability of the developed sensors.
In the presented PhD thesis, the new method allowing to get the characteristics of SiC sensors is shown. The characteristics is described using response matrix functions, which are applied to solve both the forward and the inverse problem. The response matrix functions are also used to analyze the sensor response under given radiation. In the thesis, the characteristics of sensors obtained using a computer tool, which is based on the new method, are presented. These characteristics have been used for analyses of the sensor responses and their structures.
In order to perform the required calculations, the computer tool has been created by the author. The computer tool was created using MATLAB and the supercomputer ZEUS at ACK Cyfronet AGH. Simulations of particle transport through the matter, which were needed to create the characteristics have been performed using the well-known codes: Geant4 and MCNP/MCNPX.
Presented method has been validated using several measurements of thermal and fast neutrons collected by a few different structures of SiC sensors. The experimental data have been compared with the numerical responses obtained using the computer tool in order to validate the new method. Then, the detailed analyses of the experimental responses were done using the computer tool.
Validated computer tool basing on the new method has been used to optimize the SiC sensor structure, which may be used for simultaneous detection of both fast and thermal neutrons. Several ideas of improved structures of SiC sensors are presented in the thesis.
