Отчет за 2015 год (Этап 3)

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 3, начало этапа 01.07.2015 г., окончание этапа 31.12.2015 г.).
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 третьем этапе Соглашения о предоставлении субсидии выполнены следующие
работы:
1) Разработана методика измерения подвижности носителей заряда в изготовленных
монокристаллических алмазных пластинах время-пролётным методом. Методика
основана на измерении времени прохождения носителей заряда через образец под
действием внешнего электрического поля. Генерация носителей заряда происходит
при взаимодействии α-частицы с материалом образца.
2) Проведены исследования электрофизических характеристик экспериментальных
образцов алмазных детекторов для избирательной регистрации нейтральных частиц и
ионов. Тестирование алмазного детектора проводилось в пучках протонов (от 100 до
350 кэВ), дейтонов (от 110 до 350 кэВ) и альфа-частиц (от 80 до 600 кэВ). Детектор
стабильно регистрирует протоны с энергией от 150 кэВ, дейтоны от 160 кэВ и альфачастицы – от 180 кэВ.
3) Проведено исследование электрофизических характеристик изготовленных на основе
алмазной (p-i)-структуры фотовольтаических преобразователей ионизирующего
излучения в электричество со сплошным и полупрозрачными контактами.
Продемонстрирована способность работы преобразователя. Показано, что
применение полупрозрачных контактов вместо сплошных в случае УФ-излучения
позволяет увеличить КПД в 5 раз. В сравнении с кремниевым преобразователем, в
4)
5)
6)
7)
8)
9)
алмазном преобразователе может быть достигнуто в несколько раз большее рабочее
напряжение. Фотовольтаический сдвиг напряжения для альфа-, рентгеновского- и
УФ-излучений составил 0.9 В, 1.3 В, 1.5 В, соответственно. Эффективность
преобразования по оценкам для альфа-излучения ≈ 3,4%, рентгеновского излучения
≈8.2%, УФ-излучения ≈ 10%, причем КПД преобразователя на основе алмаза может
быть сравнимо с КПД ФЭП на основе кремния.
Создан экспериментальный стенд для отработки технологии нанесения контактов на
основе тугоплавких металлов на кристалл.
В СВЧ плазме на монокристаллических алмазных подложках HPHT p-типа выращены
образцы эпитаксиальных гетероструктур алмаза толщиной от 10 до 15 мкм на основе
которых изготовлены два образца тонкопленочных детекторов.
Созданы экспериментальные образцы массивов заглубленных графитовых электродов
в синтетическом алмазе. На основании сравнения матриц заглубленных графитовых
электродов с различными параметрами, созданных в ходе экспериментов было
обнаружено, что все зафиксированные макротрещины ориентированы вертикально и
проходили, в основном, лишь через некоторые, вертикальные ряды электродов в
пределах одной матрицы. В ходе работы не удалось установить четкой корреляции
между параметрами матрицы (периодом матрицы, формой ячейки и
последовательностью формирования матрицы) и возникновением макротрещин.
Единственной очевидной тенденцией являлось отсутствие макротрещин, если
расстояние между электродами по вертикали становилось достаточно большим
(например, > 300 мкм).
Изготовлен экспериментальный образец высокочистой алмазной монокристальной
пластины с оптимизированным массивом заглубленных электродов с
оптимизированной геометрией в пластине монокристаллического CVD алмаз
размером 4×4×0,5 мм. Элементарная ячейка массива - треугольная, расстояние между
любыми двумя ближайшими электродами равно 150 мкм, электроды соединены
графитизированными дорожками. Площадь поверхности, занимаемой массивом
составила 2,34 × 3,0 мм2. Анализ структуры облученной лазером поверхности
методом спектроскопии КР подтвердил, что она соответствует разупорядоченному
графитоподобному углероду.
Разработаны методы расчета и алгоритмы обработки сигналов алмазного детектора.
Проведенные теоретические и экспериментальные исследования показали, что для
алмазного детектора гамма-излучения влиянием нейтронов с энергией до 10 МэВ
можно пренебречь. Алгоритм обработки сигналов алмазного детектора предполагает,
что непосредственно измеряемой величиной является сила тока, а косвенно
измеряемой величиной – мощность дозы гамма-излучения. Связь силы тока с
мощностью поглощенной дозы гамма-излучения устанавливается на этапе калибровке
в аттестованном поле ионизирующего излучения.
Проведена доработка конструкции установки химического газофазного осаждения в
СВЧ-плазме для получения монокристаллов высокой чистоты: разработана новая
конструкция подложкодержателя, перемещающегося в процессе синтеза. Проведенная
модернизация позволит получать в стабильном режиме монокристаллические слои
алмаза высокой чистоты толщиной до 1 мм и более.
10) Проведена закупка оборудования для проведения испытаний алмазного материала и
выбор основных параметров контроля алмазного материала: содержание азота, бора и
кристаллического качества.
Работы данного этапа выполнены полностью в соответствии с планом-графиком и
Техническим заданием.
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 третьем 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;
-детекторов гамма-излучения для выявления аварийных ситуаций на радиационноопасных объектах;
-преобразователей ионизирующего излучения в электричество.
Материалы 3 этапа опубликованы в работах:
1.N.B. Rodionov, V.N. Amosov, S.A. Meshchaninov, R.N.Rodionov, A.F. Pal and A.G.
Trapeznikov, Convertor of Ionizing Radiation into Electric Power Based on the Synthetic
Diamond, International Journal of Circuits, Systems and Signal Processing, V.9, p.p 435-439,
2015
2.Н.Б. Родионов, В.Н. Амосов, С.А. Мещанинов, В.П. Родионова, А.Ф Паль, А.Г.
Трапезников, Фотоэлектрический преобразователь на основе алмаза, ПТЭ, 2015, принята в
печать.
3.G. Conte, P.Allegrini, M.Pacilli, S.Salvatori, T.Kononenko, A.Bolshakov, V. Ralchenko,
V.Konov,Three-dimensionalgraphiteelectrodesinCVDsinglecrystaldiamond detectors: Charge
collection dependence on impinging β-particles geometry Nuclear Instruments and Methods in
Physics Research, A799, p.10–16, 2015