научная статья по теме ИССЛЕДОВАНИЕ ВРЕМЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДЕТЕКТОРОВ НА УСКОРИТЕЛЕ СПИН-2 Физика

Текст научной статьи на тему «ИССЛЕДОВАНИЕ ВРЕМЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДЕТЕКТОРОВ НА УСКОРИТЕЛЕ СПИН-2»

ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, № 6, с. 18-22

ТЕХНИКА ЯДЕРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА

УДК 539.1.07

ИССЛЕДОВАНИЕ ВРЕМЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДЕТЕКТОРОВ НА УСКОРИТЕЛЕ СПИН-2

© 2014 г. Н. И. Терентьев, В. В. Казаков

НИИ приборов

Россия, 140080, Лыткарино Московской обл., промзона Тураево, стр. 8 E-mail: nikterentev@mail.ru Поступила в редакцию 14.01.2014 г.

Исследованы отклики полупроводниковых дозиметрических детекторов ДППД1, ДППД2 и ДАД1 на субнаносекундный импульс ускорителя СПИН-2. Исследованы импульсные характеристики канала регистрации с помощью генератора перепада напряжения И1-12 с длительностью фронта 0.05 нс. Длительность импульных характеристик канала регистрации оценивается величиной ti/2 = 0.19 нс, а осциллографа RT01044 — = 0.17 нс. Длительность отклика детектора электронов с бегущей волной на СПИН-2 составила t1/2 = 0.22 нс. Длительности откликов ДППД1 и ДППД2 на рентгеновский импульс составили соответственно 0.8 и 0.55 нс. Длительности откликов алмазных детекторов ДАД1 находились в диапазоне 0.28—0.4 нс, длительности восстановленных импульсных характеристик ДАД1 составили 0.15—0.3 нс.

DOI: 10.7868/S003281621405022X

ВВЕДЕНИЕ

Полупроводниковые дозиметрические детекторы ДППД1, ДППД2 и ДАД1 используются для измерения мощности дозы тормозного излучения на импульсных ускорительных моделирующих установках. В качестве чувствительного элемента в ДППД1 используется диод 2А523Б [1], в ДППД2 -диод КД104А [2], в ДАД1 — алмазная пластина производства фирмы DDL (Англия). Все чувствительные элементы подвергались специальной технологической обработке включая радиационное облучение высокими дозами.

Одной из важнейших характеристик детекторов импульсных излучений является импульсная характеристика. Для исследований импульсных характеристик детекторов использовался ускоритель электронов СПИН-2 с длительностью импульса 0.15 нс (по эксплуатационной документации). Методик и результатов корректного измерения формы и длительности импульса СПИН-2 в документации нет.

В работе [3] приводится длительность импульса подобного ускорителя, измеренная с помощью цилиндра Фарад ея и составившая t1/2 = 0.17 нс, длительность импульсной характеристики цилиндра Фарадея не приводятся, длительность импульсной характеристики канала регистрации (к.р.) оценивается величиной 0.1 нс, но ее вид и способ определения не приводится. Без корректного ядра (в уравнении Фредгольма 1-го рода,

описывающего связь отклика и искомой зависимости) провести восстановление и сделать вывод об истиной длительности излучения затруднительно.

Опубликованы результаты исследований временных характеристик детекторов на основе СёТе типа СППД29 на СПИН-2 [4]. Длительности отклика двух модификаций детекторов на осциллографе Ье Сгоу WM8500A с граничной частотой 5 ГГц с кабелем РК-50-2-22 длиной 6 м составили соответственно 0.29 и 0.47 нс. Оценка длительности восстановленных импульсных характеристик детекторов проводится по геометрической разности длительностей отклика и ядра (корень квадратный из разности квадратов), что справедливо для зависимостей в виде функций Гаусса. Однако в данном случае это некорректно, так как импульсная характеристика кабеля существенно несимметрична.

ИМПУЛЬСНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА КАНАЛА РЕГИСТРАЦИИ

Исследование импульсных характеристик детекторов проводилось с использованием осциллографа ЯТ01044 с граничной частотой 4 ГГц. Кабельная линия связи (к.л.с.) состояла из основного кабеля РК75-5-286 длиной 5.5 м (до разделительной емкости) и дополнительного кабеля РК75-9-13 длиной 1.2 м (после разделительной

емкости). Использовалась разделительная емкость от осциллографа С9-4А.

Запуск осциллографа и контроль наличия излучения при измерениях проводились с помощью детектора СКД1, установленного сбоку от трубки СПИН-2. Исследование импульсной характеристики к.р. проводилось в соответствии с работой [5] с использованием генератора перепада напряжения И1-12 с длительностью фронта 0.05 нс. Экспериментальная длительность продифференцированного отклика осциллографа на импульс И1-12 составила ^/2 = 0.175 нс. Импульсная характеристика аппроксимировалась функцией Гаусса с дисперсией а = 0.0722 нс, соответствующей длительности на полувысоте ^/2 = 0.17 нс, что учитывало вклад генератора. Экспериментальная длительность импульсной характеристики к.р. составила t1/2 = 0.19 нс.

Для представления импульсной характеристики к.л.с. использовалась аналитическая аппроксимация результатов расчетов сложной цифровой программы при длине 1э = 5 м эквивалентного кабеля РК75-9-13 в виде следующих функций (модернизированной функции Крампа):

&1 (%) = %-1'63 ехр[-(|/э/2)2/%] 0 < % < %2,

где ц — параметр, характеризующий затухание, для РК75-9-13 ц = 3.05 • 10-7 с1/2/м; г2 — время, соответствующее половине амплитуды импульсной характеристики на спаде;

Е 2(0 = й(0/{1 + 0.222[1 -- ехр(% - %2)/5.8536 • 10-5/(/ + 84)]}, % > %2,

Амплитуда, отн. ед. 1.0

0.8 0.6 0.4 0.2

0

-0.2

.7 0.8 Время, нс

где / = д/422 + /э/1.63.

Импульсная характеристика к.р. в виде прямой свертки импульсной характеристики осциллографа и импульсная характеристика к.л.с. хорошо совпадают с экспериментальным откликом по длительности (лучше 3%). Сравнение расчетной и экспериментальной импульсных характеристик к.р. приведено на рис. 1. Осцилляция на спаде экспериментальной импульсной характе-рисики, полученной дифференцированием отклика, обусловлена неидеальностью формы импульса генератора на плоской части.

ИССЛЕДОВАНИЕ ФОРМЫ И

ДЛИТЕЛЬНОСТИ ИМПУЛЬСА СПИН-2

Оценка формы и длительности импульса излучения ускорителя СПИН-2 проводилась с помощью "детектора электронов с бегущей волной" (д.б.в.). Временное разрешение д.б.в. по данным работы [6] не превышает 0.04 нс, а по оценке апертуры — не более 0.02 нс. Детектор выполнен на отрезке кабеля РК75-17-31 длиной около 0.5 м,

Рис. 1. Сравнение экспериментальной (1) и расчетной (2) импульсных характеристик канала регистрации.

в центре которого имеется отверстие 04 мм до центральной жилы для впуска электронов, а с двух сторон подсоединены разъемы СР-75-168П. К одному из них подключался отрезок кабеля РК75-9-13 с согласованной нагрузкой 75 Ом на другом его конце, ко второму разъему д.б.в. подключался к.р., используемый для всех детекторов. Детектор устанавливался на расстоянии 20 мм от трубки ускорителя за диафрагмой 02 мм. Длительность отклика д.б.в. составила ^/2 = 0.22 нс, что мало отличается от длительности импульсной характеристики к.р. для этого случая (?1/2 = 0.19 нс).

Как показывает опыт, восстановление сигналов с помощью программ для компьютера эффективно лишь в случае, если отношение длительностей ядра и восстанавливаемого сигнала (в уравнении Фредгольма 1-го рода) находится в диапазоне от 0.25 до 0.85. В данном случае использовался метод модельного подбора возможной формы импульса излучения и проведения прямой свертки с импульсной характеристикой к.р. до совпадения длительности получаемой функции с экспериментальным сигналом. При использовании в качестве модели функции Гаусса удовлетворительное совпадение длительности свертки и сигнала д.б.в. (лучше 3%) происходит при длительности гу2 = 0.12 нс (а = 0.051 нс).

Так как известные формы импульсов подобных ускорителей, в том числе в работе [3], являются несимметричными, более правдоподобным видится представление импульса излучения несимметричным колокольчиком в виде функции /({) = В этом случае удовлетворительное

совпадение получается при длительности импульса излучения t1/2 = 0.10 нс. Сравнение результата свертки для этого случая и инвертированного сигнала д.б.в. приведено на рис. 2. Колебания на спаде вызваны неидеальностью согласования элементов измерительного канала.

20

ТЕРЕНТЬЕВ, КАЗАКОВ

Длительность импульса излучения СПИН-2 (0.1—0.12 нс) оказалась короче приведенной в документации и, видимо, соответствует реально имевшейся в работе [3].

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЛИТЕЛЬНОСТИ ИМПУЛЬСНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ДЕТЕКТОРОВ

Детекторы исследовались с помощью рентгеновского излучения, получаемого за мишенью из тантала толщиной 50 мкм и фильтра из алюминия толщиной 1 мм, устанавливаемых на трубку ускорителя ИМА3-150Э. Детекторы устанавливались в дюралевой обечайке, надеваемой на трубку, и фиксировались по центру с помощью втулок из пенополиэтилена. Чувствительные элементы детекторов располагались на расстояниях от 5 до 20 мм до трубки в зависимости от чувствительности. Сигналы детекторов записывались в файлы с шагом 0.01 нс.

Восстановление импульсных характеристик детекторов, представляющее собой решение интегрального уравнения Фредгольма 1-го рода, проводилось как методом Тихонова, так и методом Тараско. В качестве ядра использовался как сглаженный инвертированный экспериментальный отклик д.б.в. без отрицательной части, так и свертка расчетного ядра с импульсом СПИН-2 в виде функции /({) = Iа е-в'. Известно, что такие задачи не имеют точного решения. Выбор правдоподобного решения зависит от опыта экспериментатора, учитывающего расчетные оценки импульсных характеристик и результаты для разных детекторов, полученные в разное время. В качестве верхней оценки длительности импульсной характеристики использовалась геометрическая разность длительностей отклика и ядра, что в точности справедливо лишь для симметричных сигналов в виде функции Гаусса.

Амплитуда, отн. ед.

Рис. 2. Сравнение нормированного инвертированного сигнала д.б.в. (1) и свертки (2) импульсной характеристики к.р. с функцией ДО = ?ае-в'.

Расчеты импульсных характеристик кремниевых детекторов проводились по методу, приведенному в работе [7]. Неполный сбор носителей из-за облучения чувствительного элемента учитывался уменьшением времени сбора носителей Тп и Тр наполовину по сравнению с полным сбором. Это приблизительно соответствует соотношению чувствительностей сильно облученных и мало облученных образцов. Полученные результаты приведены в табл. 1 для расчетного ядра (в скобках результаты для ядра — отклика д.б.в.). Результаты, полученные по методу Тихонова, приводятся с минимальной невязкой около 0.1%, еще не вызывающей осцилляции, а по мет

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»