ТЕХНИКА ЯДЕPНOГO ЭКСПЕРИМЕНТА
УДК 539.16.07
ПРИМЕНЕНИЕ ДВУХСТОРОННЕГО СТРИПОВОГО Si-ДЕТЕКТОРА В ФОКАЛЬНОЙ ПЛОСКОСТИ СЕПАРАТОРА ВАСИЛИСА
© 2011 г. А. В. Исаев*, А. В. Ерёмин*, Н. И. Замятин**, А. Н. Кузнецов*, О. Н. Малышев*, А. И. Свирихин*, М. Л. Челноков*, В. И. Чепигин*, K. Hauschild***, A. Lopez-Martens***, O. Dorvaux****
Объединенный институт ядерных исследований *Лаборатория ядерных реакций им. Т.Н. Флерова **Лаборатория физики высоких энергий им. В.И. Векслера и А.М. Балдина Россия, 141980, Дубна, ул. Жолио-Кюри, 6 Institut national de physique nucléaire et de physique des particules — Centre national de la recherche scientifique (IN2P3—CNRS) ***Centre de Spectrométrie Nucléaire et de Spectrométrie de Masse, F-91405, Orsay Campus, France **** Institut de recherches subatomiques de strasbourg, F-67037, Strasbourg, France
E-mail: isaev@jinr.ru Поступила в редакцию 09.06.2010 г.
Описаны новый двухсторонний многостриповый Si-детектор (48 х 48 стрипов) и первые результаты его использования в экспериментах по спектроскопии трансфермиевых элементов на сепараторе ВАСИЛИСА.
ВВЕДЕНИЕ
В последние годы a-, ß-, у-спектроскопия с применением пучков тяжелых ионов и сепараторов ядер отдачи интенсивно используется для получения данных о свойствах радиоактивного распада и внутренней структуре ядер в плохо изученной области изотопов с Z> 100 [1]. Работы по изучению свойств радиоактивного распада изотопов тяжелых элементов ведутся во многих мировых научных центрах, таких как GSI (Gesellschaft für Schwerionenforschung) (Дармштадт, Германия), RIKEN (Rikagaku Kenkyusho) (Вако, Япония), Университет Ювяскюля (Ювяскюля, Финляндия), GANIL (Grand Accélérateur National d'Ions Lourds) (Канн, Франция), LBNL (Lawrence Berkeley National Laboratory) (Беркли, США) и др.
В ОИЯИ (Дубна, Россия) в 2004 г. стартовал совместный с IN2P3 (Франция) проект по спектроскопии трансфермиевых элементов на сепараторе ВАСИЛИСА. В рамках этой международной коллаборации была создана многофункциональная детектирующая система GABRIELA (Gamma Alpha Beta Recoil Investigations with the Electromagnetic Analyser) [2].
Комбинированная установка GABRIELA располагается в фокальной плоскости сепаратора ВАСИЛИСА [3] и включает в себя 7 детекторов из сверхчистого германия для регистрации рентгеновского излучения и у-квантов, а также сборку из полупроводниковых стриповых Si-детекторов,
обеспечивающих регистрацию а-, Р-частиц и осколков деления в геометрии, близкой к 4я. Для увеличения эффективности регистрации а- и Р-частиц, а также осколков деления, вылетевших из фокального Si-детектора, вокруг последнего в обратной полусфере дополнительно смонтированы четыре боковых стриповых детектора, которые образуют "колодец" [4]. Внешний вид установки GABRIELA показан на рис. 1. Один Ge-де-тектор помещен позади фокального стрипового Si-детектора, остальные шесть детекторов расположены вокруг камеры с кремниевыми детекторами.
C использованием системы GABRIELA был выполнен ряд экспериментов, направленных на детальное изучение свойств радиоактивного распада и особенностей ядерной структуры изотопов Ra, Fm, Md, No и Lr, основные результаты которых представлены в работах [5—8]. В описанных экспериментах конверсионные электроны, испускаемые в процессе радиоактивного распада исследуемых изотопов, регистрировались "боковыми" детекторами. Фокальный детектор (размер 60 х 60 мм, 16 резистивных позиционно-чув-ствительных стрипов), в который имплантировались ядра отдачи, использовался для регистрации а-частиц и осколков спонтанного деления с пространственным разрешением ~1 х 3.6 мм2 (гранулярность 928 пикселов). Вдоль направления отдельно взятого стрипа пространственное разре-
шение ухудшалось пропорционально росту загрузки детектора. Плохое пространственное разрешение затрудняло анализ корреляционных зависимостей между имплантированным в детектор ядром отдачи и частицами от его последующих распадов. Кроме того, свойства указанного фокального детектора не позволяли во время эксперимента регистрировать конверсионные электроны с энергиями 30—300 кэВ с разрешением на уровне 4—5 кэВ.
Для улучшения пространственного разрешения и повышения эффективности регистрации конверсионных электронов с хорошим энергетическим разрешением фокальный детектор был заменен на двухсторонний стриповый Вьдетектор (48 х 48 стрипов) размером 60 х 60 мм. Позиционное и энергетическое разрешение такого детектора существенно лучше, чем детектора с резистив-ными стрипами, а уровень шумов меньше. Настоящая работа посвящена описанию результатов первых экспериментов с новым фокальным детектором.
СБОРКА ИЗ СТРИПОВЫХ
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДЕТЕКТОРОВ
Детектирующая сборка из полупроводниковых 8ьдетекторов ("колодец") представляет
собой фокальный двухсторонний (48 х 48)-стри-повый детектор (рис. 2а), по периметру которого расположены четыре боковых 32-стриповых детектора. Внешний вид сборки показан на рис. 2б.
Все кристаллы кремниевых стриповых детекторов были изготовлены по планарной технологии в НИИ МВ (Зеленоград). Топология кремниевых стриповых детекторов была разработана в НИИ МВ совместно с ЛФВЭ ОИЯИ (Дубна).
Двухсторонний стриповый кремниевый детектор имеет 48 х 48 взаимно перпендикулярных стри-пов, его габаритные размеры 60 х 60 мм, толщина 300 ± 15 мкм, чувствительная область 58 х 58 мм. Рабочее напряжение детектора 100 В при напряжении полного обеднения 60 В. Пробивное напряжение более 200 В. Ниже приведены характеристики стрипов.
Лицевая сторона ^+-стрипа и+-стрип
Ширина, мкм 1148 972
Шаг, мкм 1208 1207
Зазор между соседни- 40 (с инверсией) 235
ми стрипами, мкм 60 (без инверсии)
Заметим, что емкость стрипа при напряжении полного обеднения составляет ~22 пФ, а темно-
ПРИМЕНЕНИЕ ДВУХСТОРОННЕГО СТРИПОВОГО ЯьДЕТЕКТОРА
45
I ' Мм
— ШММШПММШИМИШШШШШШМШ
(а)
и1ШЯЛЯ».1|».' 'LL.IL1 1»1'"') ЧРЩШ'И
Рис. 2. Фокальный (48 х 48)-стриповый детектор, вид со стороны р+-стрипов (а) и сборка из полупроводниковых детекторов, вид сверху (б).
вой ток одного стрипа детектора — 20 нА при напряжении 100 В и температуре 20°С.
Шаг размножения р+-стрипов больше, чем п+-стрипов, поскольку активная площадь р+-сто-роны, откуда растет область пространственного заряда, должна быть больше активной площади я+-стороны с учетом возможной несовмещенности сторон (до 30 мкм). Детектор имеет систему охранных р+-колец, расположенных по периметру его чувствительной площади и предназначенных для снижения поверхностных токов. Согласно условиям эксперимента, охранные кольца могут либо находиться под плавающим потенциалом, либо на них подается приложенный к детектору потенциал. Детекторы собраны на печатной плате с двумя разъемами; стрипы детектора соединены с контактами печатной платы методом ультразвуковой сварки. Разработка конструкции, сборка и тестирование детекторных модулей проводились в ЛФВЭ ОИЯИ.
Двухсторонний стриповый детектор измеряет две координаты падающих на детектор частиц в прямоугольной системе координат, так как стри-пы на противоположных сторонах детектора взаимно ортогональны. Пространственное разрешение фокального детектора составляет ~ 1.208 х х 1.208 мм2 для обеих сторон детектора.
Для создания контакта с минимальным электрическим сопротивлением с имплантированной р+-областью стрипы детектора запылены слоями алюминия, что позволяет улучшить быстродействие. На каждом р+-стрипе на "лицевой" стороне имеется окно без алюминиевой металлизации, через которое можно импульсно подавать свет
для тестирования собранного детектора. Толщина алюминиевой металлизации стрипов лицевой и обратной сторон детектора составляет 0.7 и 1 мкм соответственно.
Из-за алюминиевой металлизации на поверхности стрипов энергетическое разрешение отдельно взятого стрипа фокального детектора для а-частиц с энергией 5.499 МэВ от 238Ри-источни-ка, удаленного на расстояние ~5 см, составляет ~25 кэВ. Однако в реальных экспериментальных условиях, когда прошедшие сепарацию ядра отдачи имплантируются в фокальный детектор на глубину ~3—5 мкм и лишь затем испытывают а-распад, энергетическое разрешение детектора составляет ~15 кэВ (например, см. рис. 3).
Разрешение отдельно взятого стрипа фокального детектора для Р-частиц с энергией 322 кэВ от 133Ва-источника составляет ~5.5 кэВ (рис. 4). Фокальный детектор позволяет с хорошим разрешением регистрировать конверсионные электроны, образующиеся в процессе девозбуждения ядра. Это важно для уточнения схемы уровней возбужденного тяжелого ядра и возможных переходов между ними, а также для подтверждения истинности найденных событий с корреляцией между ядрами отдачи и у-квантами от их распадов.
В качестве боковых детекторов используются односторонние 32-стриповые детекторы толщиной 700 мкм с габаритными размерами 65 х 65 мм и активной площадью 61 х 61 мм2. Каждые четыре стрипа боковых детекторов соединены между собой для экономии. Энергетическое разрешение бокового детектора (стрипы соединены по четы-
<ч о
¡3
о н о о ч о
и
&
500 450 400 350 300 250 200 150 100 50
210Кп (6040)
I
208Ип (6138)
■ I
213Яа (6731)
212Яа (6901)
1
I
'Л
213Яа (6624)
214Яа (7136)
216ТИ (7920)
I
6000 6500 7000 7500
8000
217ТИ (9250)
8500
9000
9500 10000 Энергия, кэВ
Рис. 3. Спектр а-частиц, полученный с отдельно взятого стрипа лицевой стороны фокального детектора. Калибровоч-
ная реакция 48Са + 174УЪ ■
222
ТИ*.
0
ре) для а-частиц от 238Ри-источника с энергией 5.499 МэВ составляет ~25 кэВ, а для отдельно взятого стрипа ~15 кэВ. Энергетическое разрешение бокового детектора для Р-частиц от 133Ва-источни-ка с энергией 322 кэВ составляет ~12 кэВ, а для отдельно взятого стрипа ~6 кэВ. При регистрации частиц, вылетевших с фокального детектора, энергетическое разрешение боковых детекторов будет существенно хуже из-за значительного разброса потерь энергии частицами в приповерхностных слоях фокального и боковых детекторов, обусловленного широким диапазоном углов вылета из фокального детектора.
Эффективность регистрации а-частиц и осколков деления сборкой из полупроводниковых 8ьде-текторов составляет ~83%. Д
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.