Czujnik MEMS do pomiaru wysokich dawek

Czujnik MEMS do pomiaru wysokich dawek promieniowania jonizującego
Izabela Augustyniak
Wraz z rozwojem nowych typów reaktorów jądrowych oraz akceleratorów cząstek wysokich
energii, obserwuje się znaczny wzrost dawek promieniowania jonizującego występujący w tych
infrastrukturach.
Analiza stanu techniki wykazała, że wysokie dawki promieniowania jonizującego (powyżej
10 kGy) mogą być mierzone tylko przez dozymetry, które pozwalają na pomiar post factum, czyli
m.in. dozymetry polimerowo-alaninowe, termoluminescencyjne, radio-fotoluminescencyjne, czy też
wodorowe dozymetry ciśnieniowe. Obecnie konieczne jest opracowanie czujników nowego typu, za
pomocą których możliwy będzie pomiar in situ wysokich dawek promieniowania jonizującego.
W pracy podjęto po raz pierwszy w świecie próbę opracowania czujnika do pomiaru in situ
wysokich dawek promieniowania jonizującego w zakresie pomiarowym 10-100 kGy.
Głównym założeniem przyjętym w tej pracy jest sformułowanie, że możliwe jest opracowanie
miniaturowego czujnika MEMS do określania wysokich dawek promieniowania jonizującego na bazie
koncepcji klasycznego wodorowego dozymetru ciśnieniowego.
Przyjęto, że czujnik będzie wytworzony jako struktura MEMS w postaci krzemowo-szklanej
hermetycznie szczelnej komory wypełnionej polietylenem wysokiej gęstości oraz zawierającej
membraną krzemową.
Gdy czujnik jest wystawiony na działanie promieniowania jonizującego, HDPE degraduje się
i uwalnia wodór atomowy, co powoduje wzrost ciśnienia w komorze, proporcjonalny do otrzymanej
dawki promieniowania jonizującego, co powoduje ugięcie membrany krzemowej czujnika. Detekcja
dawki promieniowania jonizującego pochłoniętej przez czujnik jest możliwa na dwa sposoby.
W pierwszym progowym sposobie pracy czujnika membrana ulega zniszczeniu mechanicznemu przy
określonym ciśnieniu wodoru, co sygnalizuje przekroczenie określonej dawki promieniowania
jonizującego. W drugim proporcjonalnym sposobie pracy czujnika membrana odporna na zniszczenie
ciśnieniowe odkształca się proporcjonalnie do ciśnienia, a tym samym do dawki promieniowania
jonizującego.
Praca składa się z trzech zasadniczych części. W pierwszej zdefiniowano i omówiono
zagadnienie badawcze i cele pracy oraz projekt i konstrukcję czujnika. Drugą część pracy poświęcono
badaniom nad technologią i konstrukcją czujników MEMS do pomiaru wysokich dawek
promieniowania jonizującego oraz ich optymalizacją. W trzeciej części rozprawy przedstawiono
proces testowania czujników w warunkach pracy zbliżonych do rzeczywistych oraz wyniki i analizę
przeprowadzonych testów.
Wykazano, że możliwe jest wytworzenie tzw. czujnika progowego, którego zakres pomiarowy
wynosi od około 26 kGy do 100 kGy. Wykazano także, że możliwe jest wytworzenie czujnika
proporcjonalnego pracującego w zakresie od 10 kGy do 40 kGy. Tak więc, po raz pierwszy na
świecie, opracowano demonstrator czujnika radiacji MEMS na bazie klasycznych wodorowych
dozymetrów ciśnieniowych. Tym samym, potwierdzono tezę rozprawy.
Badania dotyczące technologii i konstrukcji czujnika prowadzono w Zakładzie
Mikroinżynierii i Fotowoltaiki na Wydziale Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki. Autorka pracy
przeprowadziła testy czujnika w Narodowym Centrum Badań Jądrowych w Otwocku przy współpracy
z dr. inż. Michałem Olszackim. Badania były współfinansowane przez Unię Europejską ze środków
pochodzących z Europejskiego Funduszu Społecznego, a także z dotacji statutowej dla młodych
naukowców z Politechniki Wrocławskiej oraz z projektu PR7 ERA-NET MNT, DOSIMEMS
„Passive, wireless MEMS dosimeter for the high radiation dose monitoring”.
MEMS high doses radiation sensor
Izabela Augustyniak
The development of a new types of nuclear reactors and high energy particles accelerators
caused significant increase of doses of radiation in this facilities.
Analysis of state of art has shown that high doses of ionizing radiation (over 10 kGy) can only
be measured post factum by polymer-alanine dosimeters, thermoluminescent dosimeters, radiophotoluminescent deosimeters or hydrogen pressure dosimeters. It is now necessary to develop a new
type of sensor for measurement of in situ high doses of ionizing radiation.
In this work for the first time in the world attempt to develop a sensor for in situ measurement
of high doses of ionizing radiation in range 10-100 kGy.
The main assumption in this work is the formulation, it is possible to develop miniature
MEMS sensor for measurement of high doses of ionizing radiation based on the classic concept of the
hydrogen pressure dosimeter.
It was assumed that the sensor will be manufactured as a MEMS structure in the form of
silicon-glass hermetically sealed chamber filled with high density polyethylene and containing
a silicon membrane.
When the sensor is exposed to ionizing radiation, HDPE degrades and releases an atomic
hydrogen, which increases the pressure in the chamber, proportional to received dose of ionizing
radiation, which causes deflection of the silicon membrane of sensor. The detection of the dose of
ionizing radiation absorbed by the sensor is possible in two ways. In the first threshold mode of
operation of the sensor membrane is destroyed mechanically at a certain pressure of hydrogen, which
indicates exceeding a specified dose of ionizing radiation. In a second proportional mode of operation
a membrane resistant to pressure damage deforms proportional to the pressure and thus to dose of
ionizing radiation.
The work consists of three main parts. In the first part the issue of research, work objectives,
design and construction of the sensor have been defined and discussed. The second part of the work
has been devoted to research on design, technology and optimization of MEMS sensors for
measurement of high doses of ionizing radiation. The third part of the paper presents the process of
testing the sensors in conditions close to real as well as the results and analysis of tests.
It has been shown that it is possible to develop so-called a threshold sensor, which the range is
from about 26 kGy to 100 kGy. It has been shown that it is possible to develop a proportional sensor
operating in the range from 10 kGy to 40 kGy. So, for the first time in the world, a demonstrator of
MEMS high doses radiation sensor based on the classic hydrogen pressure dosimeters has been
developed. Thus, it confirmed the thesis dissertation.
The research has been made in Division of Microengineering and Photovoltaics at the Faculty
of Microsystem Electronics and Photonics, Wrocław University of Technology. The author of the
work conducted tests sensor at the National Nuclear Research Center in Otwock in collaboration with
PhD Eng. Michał Olszacki. The research was co-financed by the European Union with funds from the
European Social Fund, as well as statutory grants for young scientists from Wrocław University of
Technology and the project FP7 ERA-NET MNT, DOSIMEMS "Passive, wireless MEMS Dosimeter
for the high radiation dose monitoring".