Отчет за 2015 год (Этап 2)

Разработка детекторов для избирательной регистрации ядерных излучений и
фотовольтаических преобразователей на основе синтетического алмаза
Работа проведена в 2015 г. в рамках ФЦП «Исследования и разработки по
приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на
2014 – 2020 г.г.» Соглашение о предоставлении субсидии №: 14.579.21.0030 2014г.
(Этап 2).
Научный руководитель проекта: Директор НОЦ «ЦАРСНИ», доктор физ.-мат.
наук, Родионов Николай Борисович
Соисполнители:
Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук, 2015 г.
Научно-исследовательский ядерный университет «МИФИ», 2015 г.
1. Цель прикладного научного исследования и экспериментальной разработки:
1. Разработка детекторов ядерных излучений на основе высокочистого, осаждаемого из
газовой фазы, синтетического алмаза для избирательной регистрации ядерных
излучений, а также разработка методов изготовления фотовольтаических
преобразователей УФ-, альфа-, гамма- излучения на основе синтетического алмаза и
исследование их параметров.
2. Разработка методов эпитаксиального осаждения тугоплавких металлов на алмазную
подложку для создания детекторов, способных работать в экстремальных условиях.
3. Разработка методов формирования заглубленных графитовых электродов в
синтетическом алмазе для создания на их основе «трехмерных» детекторов ядерных
излучений с повышенной эффективностью.
2. Основные результаты ПНИР
На отчетном этапе в соответствии с «Планом-графиком исполнения обязательств»
по Соглашению выполнены теоретические и экспериментальные работы, перечисленные
ниже.
Разработаны технические решения по размещению и ориентации массива
электродов в объеме алмаза для создания трехмерной системы контактов детектора.
Разработана методика и отработаны процессы формирования графитовых каналов в
алмазе под действием ультракоротких лазерных импульсов. Найдены оптимальные
режимы работы лазера для получения оптимальной формы канала. Отработаны процессы
формирования массивов заглубленных в алмаз электродов для изготовления детекторов;
Проведена работа по оптимизации условий роста для улучшения кристалличности
алмазных пленок, осаждаемых на подложку из НРНТ алмаза и получению CVD-пленок
высокой чистоты для создания алмазных гетероструктур и фотовольтаических
преобразователей.
Разработаны ЭКД на:
-макет фотовольтаического преобразователя на основе алмазной гетероструктуры;
-стенд для измерения подвижности носителей заряда по времяпролетному принципу;
- экспериментальный образец тонкопленочного детектора.
Изготовлены:
- отдельные блоки для экспериментального стенда по нанесению тугоплавких металлов на
кристалл;
- стенд для измерений подвижности носителей заряда;
- экспериментальные образцы монокристаллов и эпитаксиальных гетероструктур алмаза,
синтезированные в СВЧ плазме;
- экспериментальные образцы тонкопленочных детекторов в количестве 2 шт;
-макеты фотовольтаических преобразователей в количестве 2 шт.
Проведено математическое моделирование работы детекторов, фотовольтаических
преобразователей и детекторов с заглубленными электродами. Разработана программа и
методики измерения электрофизических характеристик экспериментальных образцов
алмазных детекторов и фотовольтаических преобразователей. Проведена калибровка
каналов регистрации нейтронного излучения на основе камер деления и гамма-излучения
на основе алмазных детекторов. Разработаны требования к алмазным детекторам
потенциальных потребителей, на основе которых разработан проект ТЗ на детектор от
потребителей. Проведены дополнительные патентные исследования по технологии
газофазного осаждения монокристаллических алмазных слоев и разработке способа
фотовольтаического преобразования ионизирующих излучений в электричество.
Работы, выполненные за счет внебюджетных средств:
-проведена калибровка каналов регистрации нейтронного излучения на основе камер
деления и гамма-излучения на основе алмазных детекторов, предназначенных для
измерения выгорания ядерного топлива уран-графитовых реакторов типа РБМК-1000;
-разработаны требования потенциальных потребителей к алмазным детекторам для
регистрации нейтронного и гамма излучений с целью выявить потенциальных
потребителей и использовать результаты проекта для создания приборов регистрации
ионизирующих излучений;
Полученные результаты полностью соответствуют техническим требованиям к
выполняемому проекту.
3. Работы направлены на создание новых синтетических алмазных материалов
электронного качества и гетероструктур, на их основе, с целью существенного повышения
характеристик алмазных детекторов ионизирующих излучений и фотопреобразователей.
4. Область применения результатов ПНИР
Детекторы и дозиметры ионизирующих излучений различных типов для применений
в областях: ядерная энергетика, термоядерные исследования, медицина, экология,
космические исследования;
Модули и компоненты алмазной наноэлектроники: высокотемпературные диоды и
транзисторы, элементы и модули мощной радиационно-стойкой электроники и силовой
электроники;
Компактные автономные источники длительного использования на основе
фотопреобразователей ионизирующих излучений в электричество.
5. Оценка перспектив продолжения работ по проекту.
Результаты, полученные на втором этапе выполнения Соглашения, дают основание
полагать, что продолжение работы позволит выполнить все поставленные задачи и
результаты ПНИР найдут применение в разработке и создании:
-детекторов ионизирующих излучений для термоядерных исследований;
- широкодиапазонных блоков детектирования, предназначенных для выявления аварийных
ситуаций на радиационно-опасных объектах, в том числе атомных станциях, и контроля за
ходом их развития или ликвидации путем измерения мощности поглощенной в воздухе
дозы фотонного излучения, как в условиях нормальной эксплуатации, так и при авариях
всех типов;
- блоков детектирования в составе измерительных каналов автоматизированных систем
радиационного контроля на объектах с ядерными энергетическими установками и на
объектах, связанных с получением, переработкой и использованием радиоактивных
материалов;
-детекторов гамма-излучения для измерения выгорания ядерного топлива уранграфитовых реакторов АМБ-100, АМБ-200 и РБМК-1000;
- малогабаритной, обладающей большим ресурсом работы, аппаратуры он-лайн
мониторинга для регистрации космического излучения в широком диапазоне потоков и
энергий заряженных частиц космических лучей.