научная статья по теме ВРЕМЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КРЕМНИЕВЫХ ДЕТЕКТОРОВ ВАКУУМНОГО УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО И МЯГКОГО РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Физика

Текст научной статьи на тему «ВРЕМЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КРЕМНИЕВЫХ ДЕТЕКТОРОВ ВАКУУМНОГО УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО И МЯГКОГО РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ»

ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2015, № 1, с. 104-108

ОБЩАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ТЕХНИКА

УДК 537.533.9

ВРЕМЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КРЕМНИЕВЫХ ДЕТЕКТОРОВ ВАКУУМНОГО УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО И МЯГКОГО РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ © 2015 г. А. П. Артёмов, Е. Х. Бакшт, В. Ф. Тарасенко, А. В. Федюнин, С. А. Чайковский,

П. Н. Аруев*, В. В. Забродский*, М. В. Петренко*, Н. А. Соболев*, |В. Л. Суханов

Институт сильноточной электроники СО РАН Россия, 634055, Томск, просп. Академический, 2/3 * Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН Россия, 194021, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 26 E-mail: aap545@gmail.com Поступила в редакцию 03.03.2014 г.

*

С помощью компактного генератора пикосекундных электронных пучков проведено измерение временного разрешения кремниевых детекторов вакуумного ультрафиолетового (в.у.ф.) и мягкого рентгеновского (м.р.) излучения, разработанных в Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе РАН. Показано, что исследуемые детекторы в.у.ф.- и м.р.-излучения на основе кремниевого фотодиода позволяют получать временное разрешение порядка 1 нс. С помощью этих детекторов проведены предварительные эксперименты по исследованию излучательных характеристик источника мягкого рентгеновского излучения на основе Х-пинча и малогабаритного сильноточного генератора тока с амплитудой тока 250 кА, который используется в Институте сильноточной электроники СО РАН для импульсного рентгеновского теневого зондирования плазменных объектов.

БОТ: 10.7868/80032816215010012

ВВЕДЕНИЕ

В последние годы интенсивно развиваются научные исследования и технологические разработки с использованием излучения в области вакуумного ультрафиолета (в.у.ф.) с энергией фотонов 10—100 эВ и мягкого рентгеновского излучения (м.р.и.) с энергией фотонов 100—10000 эВ. Наиболее совершенными в технологическом отношении являются разработки схем литографии в в.у.ф.-диапазоне спектра [1, 2].

Весьма широки возможности применения источников в.у.ф.- и м.р.-диапазонов для микроскопии органических веществ и полупроводниковых структур, анализа толщины и однородности тонких покрытий нанометровых размеров, для биологических и химических исследований в "водяном окне" 2.5—4.4 нм [3]. Интенсивно ведутся работы по реализации инерциального термоядерного синтеза на основе сжатия мишени м.р.-излучением плазменного лайнера (см., например, [4]), а также по развитию методов рентгеновской теневой диагностики быстропротекающих плазменных процессов [5, 6].

В связи с научным и практическим интересом к указанным диапазонам спектра встает вопрос о совершенствовании метрологических средств, позволяющих определять временные, простран-

ственные, энергетические и спектральные характеристики источников в.у.ф.- и м.р.-излучения.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ИССЛЕДОВАННЫХ ДЕТЕКТОРОВ

Цель данной работы — экспериментальное исследование временных характеристик полупроводниковых детекторов в.у.ф.- и м.р.и.-диапазо-нов, разработанных в Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе РАН [6, 7].

В качестве детекторов в.у.ф.- и м.р.-диапазо-нов использовались кремниевые детекторы ФДУК-1УВСК и ФДУК-1УВСКМ на основе пла-нарного р—«-перехода. Структура детекторов представлена на рис. 1а, их размещение в коаксиальном разъеме стандарта 8МЛ показано на рис. 1б. Толщина базы ФДУК-1УВСК составляла ~350 мкм, а ФДУК-1УВСКМ - около 30 мкм. Толщина "мертвого" слоя обоих детекторов на уровне 10 нм. Наличие "мертвого" слоя приводит к уменьшению квантовой эффективности детектора, а также влияет на форму его спектральной характеристики. Особенно явно это заметно в области в.у.ф.-излучения, где толщина "мертвого" слоя сопоставима с глубиной поглощения квантов в материале этого слоя [8].

Рис. 1. Структура (а) и фотография (б) детекторов ФДУК-1УВСК и ФДУК-1УВСКМ. 1 — металлизация толщиной 0.5 мкм; 2 — защитный термический окисел толщиной 0.25 мкм; 3 — пассивирующий слой из компаунда кремний-бор толщиной 0.01 мкм; 4 — легированная область р-типа толщиной 0.02 мкм; 5 — подложка я-типа толщиной 30—350 мкм; 6 — металлизация толщиной 0.5 мкм.

Толщина "мертвого" слоя порядка 10 нм обеспечивает квазипостоянное значение чувствительности на уровне 0.25 А/Вт в диапазоне длин волн 0.2—30 нм [9]. Повышенная стойкость исследованных детекторов к м.р.и. [7] связана с минимизацией концентрации кислорода в мертвом слое за счет использования компаунда бор-кремний в качестве материала пассивирующего покрытия активной области детектора.

МЕТОДИКА ОБЛУЧЕНИЯ ДЕТЕКТОРОВ ЭЛЕКТРОННЫМ ПУЧКОМ

Для определения импульсной характеристики исследуемых детекторов использовался субнано-секундный электронный пучок, который создавался при работе высоковольтного импульсного генератора СЛЭП-150 [10] на диод, заполненный воздухом атмосферного давления. При срабатывании генератора СЛЭП-150 к межэлектродному промежутку газонаполненного диода прикладывался импульс высокого напряжения амплитудой ~150 кВ, и в нем формировался субнаносекунд-ный электронный пучок.

Катод представлял собой трубку из нержавеющей стали диаметром 6 мм с толщиной стенки 100 мкм, анод — Си-фольга толщиной 20 мкм. Расстояние между электродами составляло 12 мм. Электронный пучок выводился из диода через анодную Си-фольгу и попадал на фотодиод, рас-

Рис. 2. Схема эксперимента. 1 — генератор электронных пучков СЛЭП-150; 2 — детектор излучения; 3 — блок разделительного конденсатора; 4 — регистрирующий кабель; 5 — осциллограф.

положенный на расстоянии ~10 мм от фольги. Плотность выхода электронов в центральной области диодного окна (напротив фотодиода) при этом составляла ~2 • 1010 электронов/см2, а длительность те < 45 пс [11]. При прохождении фольги электронным пучком возникало рентгеновское излучение, часть которого также попадала на фотодиод. Изначально предполагалось, что интенсивности рентгеновского излучения будет достаточно для четкого отделения полезного сигнала от уровня шумов. Однако установка отклоняющего магнита между анодом газонаполненного диода и детектором показала, что интенсивность рентгеновского излучения недостаточно высока и отклик детектора обусловлен электронным пучком.

Схема эксперимента представлена на рис. 2. Электронный пучок от генератора СЛЭП-150 (1) направлялся на детектор 2. На корпус детектора, соединенный с одной из обкладок разделительного конденсатора Cp, через ограничительное сопротивление 1 МОм подавалось постоянное напряжение смещения —50 В. Вторая обкладка конденсатора через жилу регистрирующего кабеля 4 соединялась с нагрузочным сопротивлением 50 Ом, расположенным на входном разъеме осциллографа 5. При попадании на детектор импульса излучения на нагрузочном сопротивлении формировался импульс напряжения, который регистрировался осциллографом DPO 70604 (6 ГГц, 25 выборок/нс). В качестве регистрирующего использовался радиочастотный кабель марки 5D-FB PEEG длиной ~1 м. Блок разделительного конденсатора 3 представлял собой коаксиальную конструкцию, снабженную разъемами для подачи питания, для подключения детектора и для подключения регистрирующего кабеля, внутри которой располагался изготовленный нами низкоиндуктивный конденсатор Cp емкостью 16 нФ. Схематический вид блока разделительного конденсатора с детектором представлен на рис. 3. Тестирование блока разделительного конденсатора с помощью анализатора цепей Agilent 8719ET позволило оценить его временное разрешение

106

АРТЁМОВ и др.

50 В

Детектор

к осциллографу -->

Рис. 3. Схематический чертеж блока разделительного конденсатора.

(длительность импульсной характеристики на полувысоте [12]), которое составило т0.5 < 65 пс.

РЕЗУЛЬТАТЫ ОБЛУЧЕНИЯ ДЕТЕКТОРОВ ЭЛЕКТРОННЫМ ПУЧКОМ

На рис. 4. приведены осциллограммы сигнала с датчика тока электронного пучка и сигналов с детекторов ФДУК-1УВСК и ФДУК- 1УВСКМ. Длительность сигнала с датчика тока электронного пучка определялась временным разрешением системы регистрации тока и составляла ~100 пс на полувысоте. Из осциллограмм отчетливо видно, что длительность т09-01 спада импульсов детекторов существенно больше длительности их фронта т01_0.9. Так, для детекторов ФДУК-1УВСКМ получено: т01_09 = 0.32 нс и т09_01 = 1.7 нс; а для ФДУК-1УВСК - т01_09 = 0.41 нс и т0.9-0Л = 10 нс. Это объясняется тем, что время спада импульсов определяется толщиной базы детектора. Временное разрешение детекторов определяется шириной импульса на полувысоте т05 и составляет ~1 нс для ФДУК-1УВСКМ и ~3.5 нс для ФДУК-1УВСК.

Параметры, характеризующие временное разрешение детекторов, представлены в таблице.

Характерной особенностью сигналов с детекторов ФДУК-1УВСК и ФДУК-1УВСКМ являет-

ся наличие второго пика, который появляется через 1.5 нс после первого. На осциллограмме сигнала с детектора ФДУК- 1УВСКМ (рис. 4в) второй пик слабо выражен, так как его появление приходится на спад сигнала. Причина появления второго пика не была установлена.

ИССЛЕДОВАНИЕ ВРЕМЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ИСТОЧНИКА М.Р.И.

НА ОСНОВЕ Х-ПИНЧА

Х-пинч [13] является разновидностью многопроволочной нагрузки импульсных генераторов тока и представляет собой две или более тонкие проволоки, скрещенные между собой в виде буквы "Х" и касающиеся друг друга в точке их пересечения. При пропускании по такой нагрузке импульса тока с амплитудой в несколько сотен ки-лоампер с длительностью порядка 100 нс в точке пересечения проводников удается реализовать яркий изотропный источник мягкого рентгеновского излучения с размерами <1 мкм и длительностью импульса <1 нс [14]. Такой источник представляет интерес для методик рентгеновского зондирования с высоким пространственным и временным разрешением, используемых при исследовании плазменных и биологических объектов [5, 15, 16].

Параметры, характеризующие временное разрешение детекторов

Детектор Параметры

Т)^ нс Т0.Ь нс т0.1—0.9, нс т0.9—0.1, нс

ФДУК-1УВСКМ (база 30 мкм) ФДУК-1УВСК (база 350 мкм) 1 3.25_3.5 2.2_2.35 11_12 0.32 0.41 1.6—1.7 10_11

Примечание. Т01 _ ширина импульса на уровне 10% от его амплитуды; Т0 1_0 9 _ длительность фронта импульса; Т0 9_0 1 _ длительность спада импульса.

0.2 г

—12_1_1_1_1_1

-0.5 0 0.5 1.0 1.5 2.0

Рис. 4. Осциллограммы сигнала с датчика ток

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»