Improved efficiency for solid-state Neutron DETectors (INDet)

Utviklingen innen kjernefysikk og økt bevissthet rundt effekten av strålingseksponering på mennesker, har ført til behov for nye metoder og instrumentering innen strålingssensorfeltet. Bruk av avanserte strålingssensorer er svært viktig for samfunnet, og har en rekke bruksområder i medisin, og er f.eks viktig for beskyttelse mot stråling, miljøovervåkning, fornybar energi og arbeid mot terrorisme. Av de mange strålingskildene, er nøytroner mest krevende å detektere. Nøytrondeteksjon belager seg fortsatt tungt på gassbaserte sensorteknologier. Disse detektorene er store og har stort strømforbruk. For å detektere nøytroner er de avhengig av sjeldne gasser som er dyre og giftige. Det er derfor viktig å finne alternative løsninger for nøytrondeteksjon som både er mer miljøvennlig og unngår bruk av begrensede natur-ressurser. Det naturlige neste steget for nøytrondeteksjon er å utnytte de mange fremskrittene i utvikling av silisium baserte detektorer, som har potensiale for å kunne tilby økt rommelig oppløsning, redusert energiforbruk, økt toleranse for stråling og enkel integrasjon med moderne utlesnings elektronikk. INDET prosjektet hadde det ambisiøse målet om å produsere detektorer med radikalt økt sensitivitet for nøytroner ved å utnytte fremgangen i mikromaskinering av silisium kombinert med moderne materialvitenskap til å produsere nye silisium sensorer med 3D mikrostrukturer fylt med nøytronkonverterende materialer. En slik teknologi har potensiale for å revolusjonere nøytrondeteksjon og vil tillate utvikling av nye vitenskapelige instrumenter og teknikker for avbildning av nøytroner, nøytronspredning, nøytrontomografi, strålings overvåkning og medisinske anvendelser. INDET prosjektet involverte en rekke norske og internasjonale forskningsgrupper i strålingsdeteksjon, materialvitenskap og kjernefysikk. Utviklingen av effektive silisium detektorer for nøytroner har krevd betydelig forskning og utvikling i en rekke felt. Det var nødvendig å utvikle, optimalisere og implementere helt nye prosesser for silisium detektorer. De sentrale målsetningene i prosjektet har vært: (i) utvikling av nye metoder for passivering av silisium, (ii) utvikling og optimalisering av en konform deponering av nøytronkonverterings materiale, (iii) numerisk modellering av silisium detektorer ved bruk av moderne simuleringsverktøy, og (iv) fabrikasjon av detektorene. Studiene av nye teknikker for passivering av silisium ble gjennomført ved UiO. De beste resultatene ble oppnådd med deponering av aluminium oksid (Al2O3) ved hjelp av Atomic Layer Deposition (ALD). Det ble vist at passiveringen hadde gode elektriske egenskaper selv etter at detektoren ble eksponert for stor grad av strålingsskade under en strålekampanje utført av IEAP (Tsjekkia). Gruppene ved LiU og ESS (Sverige) utviklet nye teknikker for deponering av nøytronkonverterende materialer direkte på silisium sensorer. Prosessen som nå er tilgjengelig ved LiU has resultert i filmer med verdensledende konformitet som også var i stand til å deponere på meget krevende 3D mikrostrukturer. Numerisk modelleringen for å predikere de elektriske egenskapene av sensorene og deres interaksjon med nøytroner ble utført ved UiB og SINTEF. Disse modellene vil bli brukt til fremtidig videreutvikling av denne teknologien. Ved hjelp av all kunnskapen frembrakt i INDET prosjektet ble fabrikasjonen av sensorene gjennomført ved SINTEF MiNaLab med gode resultater. Deponeringen av det nøytron konverterende materialene ble utført av LiU og ESS og endelig sammenstilling av sensorene ble gjort ved SINTEF. Detektorene ble testet ved Paul Scherrer Institute (PSI, Sveits) og ved Budapest Neutron Centre (BNC, Ungarn). Tilgang til disse fasilitetene ble innvilget basert på en søknad om stråletid fra UiB i samarbeid med IFE. Prosjektet har vist tydelig at den valgte fremgangsmåten er gjennomførbar og kan gi silisium baserte nøytrondetektorer med gode egenskaper. Prosjektet har også vist at det vil være behov for ytterligere utvikling for å videreutvikle deler av prosess-stegene. Resultatene fra INDET-prosjektet har også resultert i investering i et ALD-instrument som vil bidra til økt prosess-kontroll. Deponeringsteknikken for nøytronkonverterings-materialet har også behov for videre utvikling for å kunne gjennomføres på skivenivå og på den måten tilrettelegge for effektiv detektorproduksjon. INDET-prosjektet har også resultert i en rekke publikasjoner i vitenskapelige journaler og presentasjoner på internasjonale konferanser. Noe som har bidratt til å synliggjøre det norske bidraget i kjernefysikk. Prosjekter har også bidratt til å styrke internasjonalt samarbeid som vil kunne bære frukter i en rekke nye forskningsaktiviteter.

Project outcomes. The INDET project had important outcomes for all project partners: theoretical modelling, novel fabrication technology, and analysis techniques, forming a strong foundation of competences required in nuclear science, micro- and nano- technology. Advanced numerical modelling techniques have now provided a vital tool for the design, development, and in-depth physical understanding of the next generation radiation detectors. The investigation of Atomic Layer Deposition (ALD) demonstrated many advantages over the current state-of-the-art and established the basis of a brand-new approach in radiation detector technology. This success led to an important investment decision to acquire an ALD tool at SINTEF MiNaLab. The integration of new processing steps into a well-established sensor technology has proven very challenging and required the development of new procedures for sensor handling and assembly. New strategies for sensor characterization and data analysis had to be investigated. The testing performed in neutron beam facilities in Europe required the careful preparation and verification of dedicated testing setup to be re-used in future experiments. Project impact. Solid-state radiation detectors offer numerous advantages in many applications. Neutron science is an important tool in many fields, including the development of safer and longer lasting batteries, strength analysis in materials, novel cancer therapy, security, and many more. The most direct and immediate impact of the INDET project is generating higher contribution by Norwegian institutes and universities at the European Spallation Source (ESS) in Sweden. The numerical modeling performed in INDET is the starting point for the design of the next generation of radiation detectors. The techniques used and developed in INDET and its related activities, can be utilized to deliver novel semiconductors sensors for applications in many fields ranging from material science, medical, aerospace to fundamental scientific research. The introduction of ALD passivation in standard detector technology can deliver sensors with enhanced energy resolution for the next generations of material science analysis tools. It can also offer enhanced sensitivity for photodiodes in the ultra-violet range. A high interest for ALD is also shown in the solar energy field, with its applications in novel solar cells. The conformal CVD deposition of neutron converting material utilized in INDET, opens the door for enhancement in neutron sensitivity intended for applications beyond fundamental neutron science. Combined with another sensor technology being developed at SINTEF, enhanced neutron detection can extend the capability of today's dosimetry systems in novel radiation therapy. Enhanced neutron sensitivity is also crucial in space applications to monitor the radiation dose received by the astronauts over long-haul missions.

This research project targets an innovative approach for integrating neutron converting materials into novel silicon detectors to obtain devices exhibiting extreme neutron detection efficiency. The innovation will be pursued through a combination of Micro-Electro-Mechanical-System (MEMS) and Very-Large-Scale Integration (VLSI) technologies, and state of the art Thin Film deposition methods. Fabrication activities will be carried out in the framework of the Norfab infrastructures available at SINTEF MiNaLab and UiO with contribution from UiB and IFE on design and characterisation at the JEEP II neutron reactor. The key Norwegian partners will collaborate with a team of international experts in thin-film deposition and neutron/radiation science from the European Spallation Source (ESS, Sweden), Linköping University (LiU, Sweden), and the Institute for Experimental and Applied Physics (IEAP) at the Czech Technical University in Prague (Czech Republic). Record neutron detection efficiencies will be sought by investigating enhanced coupling between converting films and novel silicon detectors, with advanced numerical simulation tools and deposition methods. The outcomes of the project will guarantee the development new instrumentation in modern radiation/neutron based investigation techniques in the fields of medical imaging and radiotherapy, cultural heritage, material analysis for future renewable energy sources, radiation protection and environmental monitoring, thus contributing to improved health, and environment and knowledge preservation. The highly inter-disciplinary and international environment will contribute to the creation of new knowledge in the field of semiconductor neutron detectors through experimental characterisation and numerical modelling and will make use of many of the Norwegian research infrastructures.