ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2004, № 2, с. 21-24
ТЕХНИКА ЯДЕРНОГО ^^^^^^^^^^^^^^ ЭКСПЕРИМЕНТА
УДК 539.1.074.5
ДЕТЕКТОРЫ ИМПУЛЬСНОГО РЕНТГЕНОВСКОГО И НЕЙТРОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ ПРИРОДНОГО АЛМАЗА
© 2004 г. А. Г. Алексеев, В. Н. Амосов, И. Н. Растягаев, Ю. А. Кащук, А. В. Красильников
ГНЦ РФ "Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований" Россия, 142190, Троицк Московской области Поступила в редакцию 24.06.2003 г. После доработки 15.09.2003 г.
Для проведения времяпролетных измерений параметров плазмы и других импульсных источников ультрамягкого рентгеновского и нейтронного излучений разработаны и изготовлены быстродействующие детекторы на основе натурального алмаза с большим временем жизни носителей заряда. Изготовлены детекторы двух типов: объемные - для регистрации нейтронного и рентгеновского излучений с энергией квантов >1 кэВ, и поверхностные - для регистрации ультрамягкого рентгеновского излучения с энергией квантов 200-1000 эВ. Быстродействие детекторов составило 1-2 нс (длительность токового отклика на полувысоте импульса). Чувствительность объемных детекторов к нейтронам с энергией 14 МэВ находится на уровне 10-18 Кл ■ см2/нейтрон. Чувствительность поверхностных детекторов к рентгеновскому излучению с энергией 580 эВ - не хуже 5 мА/Вт.
Разработка быстродействующих детекторов для регистрации потоков быстрых частиц, нейтронов, рентгеновского и гамма-излучения является одной из наиболее актуальных проблем диагностики высокотемпературной плазмы, в первую очередь для задач времяпролетной спектрометрии термоядерных продуктов на импульсных установках с инерциальным удержанием [1, 2]. Требования, предъявляемые к таким детекторам, обычно в значительной степени противоречивы:
- высокое быстродействие и чувствительность к нужному типу излучения;
- возможно более низкая чувствительность к фону;
- хорошая линейность и динамический диапазон;
- быстрое восстановление после перегрузки;
- малые собственные темновые токи и шумы;
- радиационная стойкость, температурная и долговременная стабильность.
Наиболее приемлемое решение определяется в каждом конкретном случае в зависимости от круга решаемых задач и от параметров той или иной установки. Учитывая возможность изменения этих условий в процессе работы, оптимальное решение может включать несколько типов детекторов, устанавливаемых одновременно или взаимозаменяемых по мере необходимости. По этой причине экспериментаторы предпочитают иметь в своем распоряжении детекторы, по крайней мере, нескольких типов.
Детекторы из натурального алмаза хорошо зарекомендовали себя в качестве датчиков ядерных излучений благодаря таким качествам, как высо-
кая радиационная стойкость, слабая чувствительность к видимому и ближнему у.ф.-излучению в спектральной области X > 240 нм, наносекундное быстродействие, ничтожные темновые токи и собственные шумы, возможность работы при повышенных температурах вплоть до 200°С [3-5]. Специально отобранные образцы с большим временем жизни носителей позволяют измерять спектры быстрых частиц с энергией свыше 30 кэВ и БТ-нейтронов в установках с магнитным удержанием плазмы [2, 6]. В технике быстрых измерений, напротив, используются алмазы с относительно низким временем жизни носителей. Более того, для достижения субнаносекундного быстродействия их подвергают предварительному облучению, например, в пучке высокоэнергичных электронов с целью увеличения концентрации ловушек и рекомбинационных центров. Это, однако, приводит к значительному снижению токовой чувствительности детектора и усилению так называемого эффекта поляризации - нестабильности эффективного сбора заряда в детекторе вследствие накопления объемного заряда.
В данной работе предпринята попытка получения предельного быстродействия детекторов из высокочувствительного исходного сырья - пластин натурального алмаза типа ХХ11а (с предельно низким содержанием азота) без искусственного уменьшения времени жизни носителей (т > 10 нс). Снижение времени отклика достигалось путем уменьшения межэлектродного зазора до величины ё = 50-120 мкм и, как следствие, времени сбора первично возбужденных излучением носителей заряда.
Рис. 1. Коаксиальная конструкция продольного детектора.
Применимость такого приема не является, однако, вполне очевидной, поскольку технологии создания диодных р-/-п-структур, блокирующих инжекцию носителей при обратном смещении, на алмазе пока не существует. Поэтому алмазные детекторы изготавливаются в виде так называемых однородных структур металл-полупроводник-металл (м.п.м.-структур), т.е. по технологии относятся скорее к классу фотопроводников.
Как известно, быстродействие фотопроводника с омическими контактами определяется временем жизни носителей и параметрами мелких ловушек (уровней прилипания) [7]. Однако благодаря исключительно большой ширине запрещенной зоны алмаза Еъ = 5.5 эВ и отсутствию мелких электрически активных примесей, потенциальные барьеры на контактах в отсутствие сильного возбуждения эффективно блокируют инжекцию носителей. Но и при наличии заметной инжекции до тех пор, пока характерное время перестройки электрического поля на контакте (порядка времени макс-велловской релаксации тм = ££0р ~ где
£ = 5.7 - диэлектрическая проницаемость алмаза, р = е^т - его удельное сопротивление в условиях темпа генерации носителей g с временем жизни т) значительно превышает время сбора носителей заряда, форма токового отклика на импульсное излучение будет определяться переносом первичных носителей и иметь характерное время спада й/у8 ~ 1 нс (скорость дрейфа носителей V ~ ~ 107 см/с в поле ~104 В/см).
Подобная оценка справедлива при относительно низких уровнях возбуждения носителей. При достаточно мощном импульсном возбуждении наведенный ток через детектор может достигать значений 1А ~ 10-100 мА, что соответствует
50 мкм -» 50 мкм г
50 мкм
3 мм
Рис. 2. Геометрия электродов поперечной структуры.
темпу генерации носителей g ~ 1020-1021 см 3 ■ с-1 и их (п, р) концентрации ~1011-1012 см 3. При этом максвелловские времена спадают до значений ~10 нс, и вследствие этого становится значимым изменение поля на контакте, управляющего ин-жекцией носителей.
Для определения отклика детектора в таких условиях требуется решение нестационарной системы дифференциальных уравнений для транспорта носителей заряда, а также модель, описывающая полевую зависимость инжекции в контактах. Учитывая отсутствие такого рода данных для алмаза, сколь-нибудь точное численное решение этой задачи представляется затруднительным, однако качественно можно предвидеть затягивание отклика детектора вследствие возрастания доли инжекционных токов.
Конструктивное исполнение детекторов можно разделить на два основных класса: с продольным и с поперечным дрейфом носителей по отношению к направлению падающего излучения. Выбор того или иного варианта зависит в первую очередь от коэффициента поглощения регистрируемого излучения - при слабом поглощении (объемное возбуждение при нейтронном, рентгеновском и гамма-излучении), как правило, используется продольный вариант в коаксиальном исполнении с чувствительным элементом в виде плоскостной сэндвич-структуры (рис. 1). При сильном поглощении (поверхностное возбуждение энергичными частицами, ультрамягким рентгеновским с энергией квантов 100-1000 эВ или у.ф.-из-лучением) предпочтительным может оказаться поперечный вариант, который чаще всего выполняется в виде встречно-штыревой структуры на облучаемой поверхности кристалла с использованием техники фотолитографии (рис. 2). Кроме того, последний вариант позволяет уменьшить межэлектродный зазор до ~10 мкм и получить пролетные времена носителей в субнаносекундном диапазоне.
ДЕТЕКТОРЫ ИМПУЛЬСНОГО РЕНТГЕНОВСКОГО И НЕЙТРОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
23
I, А
Рис. 3. Вольт-амперные характеристики образца АК-37 в отсутствие возбуждающего излучения и при рентгеновском возбуждении с мощностью дозы —1 Р/с от трубки с серебряным катодом.
г, нс
Рис. 4. Токовый отклик образца АК-45 при поглощении а-частицы (источник - 241Лш, Еа = 5.5 МэВ).
Для изготовления продольных детекторов нейтронного излучения отбирались исходные пластины типа ХХ11а неправильной формы площадью 10-20 мм2 и толщиной 200-300 мкм и сошлифо-вывались до рабочей толщины 50-60 мкм с последующим вакуумным отжигом нарушенного слоя при температуре 1500°С. Контакты изготавливались по стандартной технологии термического напыления трехслойной структуры Т1-Р1-Аи с последующим контролем темнового тока и вольт-амперных характеристик под рентгеновским облучением с мощностью дозы ~1 Р/с (рис. 3).
Время отклика детекторов контролировалось в широком диапазоне поглощенной энергии собственного возбуждения. Минимальные значения (~10-12 Дж) достигались при поглощении а-частиц с энергией 5.5 МэВ (рис. 4). Максимальные (~10-8 Дж) - при импульсном облучении характеристическим рентгеновским излучением от установок "Эрина" (энергия электронного пучка 350 кэВ, толщина танталового конвертора 40 мкм, собственная длительность импульса 1.4 нс) и СГС-67 (НИИ импульсной техники, Москва [8], длительность импульса 0.3 нс). Соответствующие отклики алмазных детекторов представлены на рис. 5, 6. Измеренное время отклика при рабочих напряжениях смещения детекторов Уъ = 50-100 В составило —1—1.5 нс на полувысоте в зависимости от типа и мощности возбуждающего излучения. Некоторое ухудшение быстродействия, наблюдавшееся на установке СГС-67, может объясняться указанными выше причинами, связанными с высоким темпом возбуждения носителей.
Абсолютная калибровка чувствительности детекторов к импульсному нейтронному излучению проводилась во ВНИИ автоматики (Москва) на установке типа "плазменный фокус" с дейтерий-
тритиевой смесью и с аттестованным ВНИИФТРИ монитором полного выхода БТ-нейтронов. Калибровка проводилась путем измерения наведенного заряда с помощью быстрого интегратора, снабженного специальной схемой предотвращения ин-жекции заряда во входных цепях для повышения помехозащищенности в условиях импульсных электромагнитных помех. З
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.