Modyfikacja materiałów, neutronowe domieszkowanie krzemu

Oddziaływanie neutronów z materią prowadzi nie tylko do powstawania izotopów promieniotwórczych, lecz często do zmian własności materiałów. Tak dzieje się np. w przypadku napromieniania neutronami prędkimi niektórych nadprzewodników wysokotemperaturowych, gdzie w wyniku takiego napromieniania obserwuje się znaczne zwiększenie prądów krytycznych.

Innym przykładem zmiany własności materiałów jest barwienie minerałów topazu. Minerały topazu, występujące w przyrodzie są bezbarwne. Napromienianie takich minerałów neutronami prędkich powoduje zmianę ich zabarwienia na niebieski. W reaktorze MARIA barwienie minerałów topazu przeprowadza się w specjalnie przystosowanych kanałach izotopowych, w reflektorze grafitowym. W instalacjach tych zastosowano ekranowanie neutronów termicznych w celu zminimalizowania niepożądanej aktywacji minerałów.

Neutrony reaktorowe są również wykorzystywane w procesie neutronowego domieszkowania krzemu (NTD). Podstawą fizyczną tego procesu jest reakcja ³⁰Si (n,) ³¹Si ³¹P. Powstający w jej wyniku stabilny izotop fosforu stanowi domieszkę typu n w krzemie. O własnościach półprzewodnikowych krzemu (oporności właściwej) decyduje poziom domieszkowania fosforem czyli koncentracja ³¹P. Ta z kolei zależy od fluencji (dawki) neutronów termicznych, którą otrzymał krzem w reaktorze.

Kluczowym parametrem jakościowym technologii NTD jest jednorodność pola neutronowego w krzemie, ponieważ tylko wówczas można uzyskać jednorodny poziom domieszkowania, przewyższający klasyczne metody domieszkowania. W reaktorze MARIA próbki krzemu o znacznych wymiarach (walce o wysokości 50 cm i średnicy do 6) są napromieniane w specjalnie przystosowanym kanale. Na rysunku pokazano schematycznie obszar napromieniania krzemu w instalacji krzemowej oraz sposób zapewnienia osiowej i promieniowej jednorodności dawki neutronów. Oprócz ciągłej rotacji próbki podczas napromieniania (jednorodność promieniowa) w połowie cyklu napromieniania walec krzemowy jest odwracany góra-dół (jednorodność osiowa).