ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2011, № 4, с. 27-29
ТЕХНИКА ЯДЕРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
УДК 539.1.07
МАССИВНЫЕ HPGe-ДЕТЕКТОРЫ ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ РЕДКИХ СОБЫТИЙ С НИЗКИМ ЭНЕРГОВЫДЕЛЕНИЕМ
© 2011 г. В. Б. Бруданин*, Ю. Б. Гуров**, В. Г. Егоров*, B. Rajchel***, D. Borowicz*, ***, С. В. Розов*, В. Г. Сандуковский*, J. Yurkowski*, ***
*Объединенный институт ядерных исследований Россия, 141980, Дубна Московской области, ул. Жолио-Кюри, 6 **Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", Москва, Россия *** Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, Poland, Krakow Поступила в редакцию 21.12.2010 г.
Описана методика изготовления и основные характеристики HPGe-детекторов большого объема с емкостью ~0.5 пФ. Разработанная методика позволила изготовить детектор, который по массе сопоставим с коаксиальным HPGe-детектором, а его энергетическое разрешение и порог регистрации близки к значениям, характерным для маленьких HPGe рентгеновских детекторов.
Исследования свойств и взаимодействий нейтрино являются фундаментальными задачами физики элементарных частиц. Заметный прогресс в этой области в последнее время (эксперименты с солнечными атмосферными нейтрино и реакторными нейтрино свидетельствуют о существовании эффекта нейтринных осцилляций) стимулирует дальнейшие экспериментальные исследования и разработку новых детекторов и методик для поиска и наблюдения магнитного момента нейтрино, когерентного рассеяния нейтрино и частиц "темной материи". Такие детекторы должны иметь минимально возможный энергетический порог регистрации (<500 эВ), хорошее энергетическое разрешение (200—400 эВ для энергии ~6 кэВ) и большую собственную массу (от ~1 до ~100 кг).
В настоящее время наиболее удовлетворяют этим условиям полупроводниковые детекторы (п.п.д.) из особо чистого германия (ИРОе). Однако у современных больших коаксиальных ИРОе-детекторов (более 200 г) из-за большой собственной электрической емкости (20—50 пФ) энергетический порог регистрации превышает 3 кэВ, что не позволяет продвинуться в решении вышеназванных проблем.
В Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ в Дубне накоплен большой многолетний опыт разработки и создания ИРОе-детекторов различных типов [1, 2], а также многокристальных спектрометров на их основе с чувствительной массой >10 кг [3, 4].
В данной работе описаны методика изготовления и характеристики так называемого "полупла-нарного" детектора из германия р-типа проводимости с массой 250 г и электрической емкостью <0.5 пФ, позволяющей снизить энергетический порог регистрации до уровня ниже 500 эВ.
МЕТОДИКА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТЕКТОРА
Для изготовления детектора был выбран монокристалл германия диаметром 52 мм и толщиной 23 мм р-типа проводимости с разностной концентрацией легирующих примесей \Ща — = 0.56 х х 1010 см-3. При этом разброс этого параметра в объеме кристалла не превышает 2%. Структура ИРОе-п.п.д. представлена на рис. 1. Закругления на краях детектора и высокая однородность разностной концентрации необходимы для эффективного собирания носителей заряда, которые образуются при регистрации частиц и ядер отдачи.
На первом этапе термодиффузией лития (Ы) изготавливался я+-контакт толщиной ~0.5 мм, который покрывал практически всю поверхность образца (рис. 1), за исключением центральной части торца диаметром 10 мм. В этом месте вырезалась канавка (охранное кольцо) глубиной и шириной 2.5 мм, которую несколько раз травили в смеси кислот ИЕИМ03 и отмывали в деионизо-
n+, Li
Рис. 1. Структура HPGe-п.п.д. (размеры даны в миллиметрах).
28
БРУДАНИН и др.
I, 10-11 A
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 U, В
Рис. 2. Вольт-амперная характеристика детектора (а) и зависимость относительной эффективности п регистрации п.п.д. у-квантов 60Со (энергия Еу = 1.33 МэВ) от напряжения смещения (б).
ванной воде. На втором этапе создавался ^-кон-такт (диаметром 5 мм) с помощью ионной имплантации бора (В), которая проводилась последовательно при энергиях 25 и 17 кэВ, внедренные дозы составили 1013 и 5 • 1014 см-2 соответственно. Отжиг дефектов после внедрения бора не проводился. Завершающий этап изготовления детектора включал в себя кратковременное травление охранного кольца и промывку в метиловом спирте. Перед этими операциями имплантированную бором поверхность защищали кислотостойкой пленкой. Толщина защитной оксидной пленки, полученной пассивацией, составляла 0.1 мкм [5].
ХАРАКТЕРИСТИКИ ДЕТЕКТОРА
Основными эксплуатационными характеристиками изготовленного детектора являются: емкость, величина "темнового" тока при напряжении полного обеднения, диапазон рабочих напряжений, эффективность регистрации и энергетическое разрешение.
На рис. 2 показаны вольт-амперная характеристика детектора (рис. 2а) и зависимость относительной эффективности регистрации п.п.д. у-квантов 60Со (энергия Еу = 1.33 МэВ) (рис. 2б) от напряжения смещения. Видно, что полное обеднение для детектора наступает при напряжении ид = 800 В, а для всего диапазона рабочих напряжений (8002000 В) величина относительной эффективности составила 9%. Это значение согласуется с расчет-
Счет 600
500
400
300
200
100
0
6 E, кэВ
Рис. 3. Энергетический спектр источника у-квантов 55Ре, измеренный с помощью ИРОе-п.п.д. объемом -50 см3.
ным для германиевого детектора с чувствительным объемом ~50 см3.
Измерения показали, что в отличие от ранее выполненных разработок [6, 7] выбранная нами геометрия электродов детектора позволила получить емкость (Сд) при полном обеднении не более 1 пФ. Достигнутое значение емкости обеспечило энергетическое разрешение FWHM = 350 эВ при регистрации у-квантов с энергией 5.9 кэВ (рис. 3), что значительно лучше, чем у стандартного коаксиального детектора такой же массы.
Следует отметить, что основной вклад в полученные энергетические порог и разрешение вносят шумы, инициализируемые входной емкостью предусилителя с полевым транзистором 2N4416 (фирмы Texas Instruments). Емкость 2N4416 равна Ст = 4.2 пФ, что значительно больше Сд. Снизить порог и улучшить энергетическое разрешение можно, если использовать полевой транзистор с более низкой входной емкостью, например Eu-riFET ER105 фирмы Canberra c емкостью 0.9 пФ. Используя предусилитель с входной емкостью <1 пФ, можно для больших HPGe-детекторов (массой ~250—500 г) получить энергетическое разрешение FWHM ~ 150 эВ, которое будет соответствовать уровню шума и энергетическому порогу рентгеновских HPGe-детекторов массой ~5 г.
Таким образом, показана возможность создания HPGe-детекторов большого объема с емкостью ~0.5 пФ. Разработанная методика позволила изготовить детектор, который по массе сопоставим с коаксиальным HPGe-детектором, а его энергетическое разрешение и порог регистрации близки к значениям, характерным для маленьких HPGe рентгеновских детекторов. Очевидно, что для улучшения параметров описанных детекторов необходимо в предусилителях, предназначенных для съема сигнала с п.п.д., использовать полевые транзисторы с емкостью не более 1 пФ.
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 09-02-12363-офи_м.
2
4
МАССИВНЫЕ HPGe-ДЕТЕКТОРЫ ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ РЕДКИХ СОБЫТИИ
29
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Вылов Ц., Осипенко Б.П., Сандуковский В.Г., Юр-ковски Я. // Сообщения ОИЯИ 13-85-677. Дубна, 1985.
2. ГорновМ.Г., ГуровЮ.Б., Осипенко Б.П. и др. // ПТЭ. 1990. № 4. С. 83.
3. Brianson Ch., Brudanin V.B., Egorov V.G. et al. // Nucl. Instrum. and. Methods in Phys. Res. 1996. V. A372. P. 222.
4. Бруданин В.Б., Рухадзе Н.И., Бриансон Ш. и др. // Изв. РАН. Сер. физ. 2003. Т. 67. № 5. С. 618.
5. Гуров Ю.Б., Карпухин В.С., Розов С.В. и др. // ПТЭ. 2009. № 1. C. 151.
6. Luke P.N. // Nucl. Instrum. and Methods in Phys. Res. 1988. V. A271. P. 567.
7. Luke P.N., Goulding F.S., Madden N.W, Pehl R.H. // IEEE Trans. Nucl. Sci. 1989. V. 36. P. 926.
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.