ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2004, № 4, с. 27-34
_ ТЕХНИКА ЯДЕРНОГО _
- ЭКСПЕРИМЕНТА -
УДК 539.1.074.55
ДЕФЕКТ АМПЛИТУДЫ ИМПУЛЬСОВ ИОНОВ 48Са В ИОННО-ЛЕГИРОВАННОМ КРЕМНИЕВОМ ДЕТЕКТОРЕ
© 2004 г. В. Ф. Кушнирук, Э. Бялковский*, Ю. Э. Пенионжкевич, И. Сквирчинска*, Ю. Г. Соболев, В. Ю. Угршмов
Объединенный институт ядерных исследований Лаборатория ядерных реакций им. Г.Н. Флерова Россия, 141980, Дубна Московской обл., ул. Жолио-Кюри, 6 Поступила в редакцию 18.08.2003 г.
Описываются результаты исследования дефекта амплитуды импульсов ионов 48Са в ионно-легиро-ванном кремниевом детекторе в области энергий от 110 до 223 МэВ. Получены энергетические зависимости полного дефекта, его рекомбинационной составляющей и относительных рекомбинаци-онных потерь энергии. Кроме того, получены зависимости измеренных энергий ионов и дефекта от напряженности электрического поля. Результаты обсуждаются на основе рекомбинационной модели, учитывающей расплывание неравновесных носителей тока вследствие амбиполярной диффузии в течение плазменного времени.
ВВЕДЕНИЕ
При спектрометрии тяжелых ионов кремниевыми детекторами существует специфическая проблема, связанная с необходимостью учета так называемого дефекта амплитуды импульсов. Хорошо известно, что амплитуды сигналов от тяжелых ионов меньше амплитуд сигналов от легких ионов при одинаковых энерговыделениях в детекторе. Дефект амплитуды обычно определяют по отношению к а-частицам. "Истинная" энергия Е тяжелого иона определяется как сумма энергии Еа, определенной по калибровке детектора с помощью а-частиц, и дефицита ("дефекта") энергии ДЕ.
Исследования амплитудного дефекта показали, что полный дефект состоит из трех компонент, зависящих от массы и кинетической энергии иона:
Д Е = Д Ек + Д Еп + Д Ег. (1)
Величины ДЕ„ и ДЕп обусловлены потерями энергии во входном окне детектора и неионизационными потерями энергии в упругих столкновениях движущегося тяжелого иона с атомами вещества детектора. Третья величина ДЕГ связана с потерей части генерированных ионом электронно-дырочных пар в результате их рекомбинации в плазменной колонке трека. Определение этой величины представляет наибольшую трудность при описании амплитудного дефекта. Это обусловлено тем, что величина ДЕГ зависит от многих факторов, связанных как с регистрируемой частицей
(распределением вдоль трека генерированного
*
Институт ядерной физики им. Г. Неводничанского, Краков, Польша.
частицей заряда, плотностью неравновесных носителей тока, длиной пробега частицы и др.), так и со свойствами детектора (электрофизическими параметрами использованного кремния, технологией изготовления детектора, напряженностью электрического поля в детекторе и др.).
Для описания дефекта амплитуды импульсов в поверхностно-барьерных детекторах в работах [1-4] было предложено несколько эмпирических процедур вычисления дефекта. Эти методики удовлетворительно описывают дефект для детекторов с близкими параметрами и в исследованных авторами диапазонах масс и энергий тяжелых ионов. Применение этих методик к другим детекторам и к другим интервалам масс и энергий часто приводит к заметным ошибкам. Основной недостаток указанных выше эмпирических процедур описания дефекта состоит в том, что они либо совсем, либо частично не учитывают свойства конкретного детектора.
В более поздней работе [5] было предложено еще одно эмпирическое выражение для описания полного амплитудного дефекта в кремниевых детекторах. Особенность этого выражения заключается в том, что оно содержит два свободных параметра, описывающих индивидуальные свойства детектора. Параметризация, полученная в [5], позволяет с достаточно высокой точностью описывать амплитудный дефект в кремниевых поверхностно-барьерных детекторах в широком диапазоне масс и энергий тяжелых ионов. Стандартное отклонение результатов вычислений по всей совокупности экспериментальных данных составило ~ 0.17 МэВ, что меньше типичных для отдельных экспериментальных точек погрешно-
стей, составляющих = 0.2-0.4 МэВ. Высокая точность вычисления дефекта с помощью процедуры, предложенной в [5], обусловлена прежде всего тем, что при параметризации использовано свыше двухсот экспериментальных точек.
Основной массив экспериментальных данных по дефектам амплитуды импульсов был получен при исследовании поверхностно-барьерных детекторов. В настоящее время для спектрометрии тяжелых ионов широко применяют ионно-леги-рованные детекторы. Для выработки надежной процедуры вычисления значений амплитудного дефекта для ионно-легированных детекторов также необходим большой массив экспериментальных данных, полученных на разных детекторах в широком диапазоне масс и энергий тяжелых ионов. В работе [5] сделана первая попытка описания дефекта амплитуды импульсов в ионно-ле-гированных детекторах. При этом было использовано небольшое количество экспериментальных точек, полученных в работе [6], для сепарированных на спектрометре LOHENGRIN осколков деления с массой A = 140 в интервале энергий =40-70 МэВ, с массой A = 101 в интервале энергий =40-100 МэВ и с массой A = 84 в интервале энергий =80-100 МэВ. В последнее время опубликованы две работы [7, 8], посвященные исследованию амплитудного дефекта в ионно-легированных детекторах. В [7] исследован дефект
для упруго рассеянных ионов 93№, 100Мо, 1168и, 1208и и 129Хе в интервале энергий от 4 до 25 АМэВ. В [8] при исследовании дефекта были использованы пучки ионов 36Лг при энергиях 8.06 и 9.04 АМэВ, ионов 58№ при энергиях 9.08 и 9.73 АМэВ, ионов 129Хе при энергии 6.75 АМэВ и ионов 181Та при энергии 6.02 АМэВ. Следует отметить, что в работах [7, 8] приведены усредненные по большому числу детекторов значения дефектов, что затрудняет анализ влияния индивидуальных свойств детектора на значения параметров.
В данной работе приведены результаты экспериментального исследования дефекта амплитуды импульсов в ионно-легированном детекторе для ионов 48Са в диапазоне энергий 110-223 МэВ.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
Исследование амплитудного дефекта выполнено на пучке ионов 48Са, ускоренных на ускорителе У400М Лаборатории ядерных реакций ОИЯИ. Пучок ионов падал на углеродную мишень толщиной 60 мкг/см2. Ионы 48Са, упруго рассеянные под углом 5°, поступали в магнитный спектрометр МСП-144 [9], в фокальной плоскости которого помещался исследуемый ионно-легирован-ный детектор, который был изготовлен из высо-коомного я-кремния по стандартной планарной технологии. Для регистрации амплитудных спек-
Рис. 1. Типичное распределение амплитуд сигналов кремниевого ионно-легированного детектора для ионов 48Са. ГТА - генератор точной амплитуды, д - зарядовые состояния ионов 48Са.
Е0, МэВ Еа, МэВ ДЕ, МэВ ДЕ№, МэВ ДЕп, МэВ ДЕГ, МэВ Е1, МэВ X, %
1 2 3 4 5 6 7 8
223.1 215.3 ± 0.5 7.8 ± 0.5 0.92 0.52 6.4 ± 0.5 221.7 ± 0.5 2.87 ± 0.22
222.2 214.7 ± 0.5 7.5 ± 0.5 0.92 0.52 6.1 ± 0.5 220.8 ± 0.5 2.74 ± 0.23
220.6 213.2 ± 0.5 7.4 ± 0.5 0.92 0.52 6.0 ± 0.5 219.2 ± 0.5 2.72 ± 0.23
219.5 211.5 ± 0.5 8.0 ± 0.5 0.93 0.52 6.6 ± 0.5 218.1 ± 0.5 3.00 ± 0.23
211.4 203.8 ± 0.5 7.6 ± 0.5 0.94 0.52 6.1 ± 0.5 209.9 ± 0.5 2.92 ± 0.24
198.2 191.3 ± 0.4 6.9 ± 0.4 0.97 0.52 5.4 ± 0.4 196.7 ± 0.4 2.75 ± 0.20
197.7 190.5 ± 0.4 7.2 ± 0.4 0.97 0.52 5.7 ± 0.4 196.0 ± 0.4 2.91 ± 0.21
195.4 188.8 ± 0.4 6.6 ± 0.4 0.97 0.52 5.1 ± 0.4 193.9 ± 0.4 2.64 ± 0.20
192.9 185.8 ± 0.4 7.1 ± 0.4 0.97 0.52 5.6 ± 0.4 191.4 ± 0.4 2.93 ± 0.21
185.5 178.8 ± 0.4 6.7 ± 0.4 0.99 0.52 5.2 ± 0.4 184.0 ± 0.4 2.82 ± 0.22
175.5 169.2 ± 0.4 6.3 ± 0.4 1.01 0.52 4.8 ± 0.4 174.0 ± 0.4 2.74 ± 0.23
173.7 167.1 ± 0.4 6.6 ± 0.4 1.01 0.52 5.1 ± 0.4 172.2 ± 0.4 2.94 ± 0.24
171.8 165.4 ± 0.4 6.4 ± 0.4 1.01 0.52 4.9 ± 0.4 170.3 ± 0.4 2.86 ± 0.23
168.1 161.4 ± 0.4 6.7 ± 0.4 1.02 0.52 5.2 ± 0.4 166.6 ± 0.4 3.09 ± 0.19
161.9 155.3 ± 0.4 6.6 ± 0.4 1.03 0.52 5.1 ± 0.4 160.4 ± 0.4 3.15 ± 0.25
154.3 148.2 ± 0.3 6.1 ± 0.3 1.04 0.52 4.5 ± 0.3 152.7 ± 0.3 2.97 ± 0.20
151.3 145.1 ± 0.3 6.2 ± 0.3 1.05 0.52 4.6 ± 0.3 149.7 ± 0.3 3.09 ± 0.20
149.6 143.6 ± 0.3 6.0 ± 0.3 1.05 0.52 4.4 ± 0.3 148.0 ± 0.3 2.99 ± 0.21
134.4 128.6 ± 0.3 5.8 ± 0.3 1.08 0.52 4.2 ± 0.3 132.8 ± 0.3 3.16 ± 0.23
130.5 124.6 ± 0.3 5.9 ± 0.3 1.09 0.52 4.3 ± 0.3 128.9 ± 0.3 3.33 ± 0.23
129.0 123.3 ± 0.3 5.7 ± 0.3 1.09 0.52 4.1 ± 0.3 127.4 ± 0.3 3.21 ± 0.24
115.9 110.4 ± 0.2 5.5 ± 0.2 1.11 0.52 3.9 ± 0.2 114.3 ± 0.2 3.40 ± 0.19
109.9 104.5 ± 0.2 5.4 ± 0.2 1.12 0.52 3.8 ± 0.2 108.3 ± 0.2 3.47 ± 0.19
тров и накопления данных использовался обычный электронный тракт, состоящий из зарядочув-ствительного предусилителя, усилителя-формирователя с постоянными времени формирующих цепочек т¡ = та = 1 мкс, амплитудно-цифрового преобразователя и персонального компьютера. Калибровка детектора осуществлялась с помощью а-частиц источника 226Яа. Для контроля стабильности электронного тракта и калибровки линий в энергетических спектрах регистрируемых ионов 48Са использовался генератор точной амплитуды, импульсы от которого поступали на вход предусилителя.
Типичное распределение амплитуд сигналов с ионно-легированного детектора при напряжении смещения 101 В показано на рис. 1. Спектр получен при магнитной индукции В = 0.67101 Тл. Узкие пики соответствуют разным зарядовым состояниям ионов 48Са. Самый узкий пик в начале спектра соответствует сигналам от генератора точной амплитуды. Появление в спектре широких пиков меньшей интенсивности обусловлено тем, что часть рабочей поверхности детектора
перекрывалась алюминиевыми фольгами разной толщины. Аналогичные спектры набирались при различных жесткостях магнитного спектрометра, что позволило перекрыть диапазон энергий Е0 от 110 до 223 МэВ.
Экспериментальные данные, полученные при приложенном к детектору напряжении смещения V = 101 В и при разных значениях магнитной индукции В, приведены в таблице.
Представленные в первой колонке таблицы значения "истинной" энергии Е0 ионов 48Са, падающих на детектор, определены из магнитооптических свойств спектрометра МСП-144, т.е. из значений магнитной индукции В и координаты точки пересечения с фокальной плоскостью траекторий ионов, движущихся
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.