Разработка детекторов для избирательной регистрации ядерных излучений и фотовольтаических преобразователей на основе синтетического алмаза
Работа проведена в 2 полугодии 2016 г. по теме: «Испытания образцов детекторов и фотовольтаических преобразователей. Обобщение и оценка результатов исследований» в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014–2020 г. г.» Соглашение о предоставлении субсидии № 14.579.21.0030 (Этап 5, начало этапа 01.07.2016 г., окончание этапа 31.12.2016 г.).
Научный руководитель проекта: Начальник лаборатории «ЛАРСНИ», доктор физ.-мат. наук,
Соисполнители:
Институт общей физики им. Российской академии наук, 2015 г., 2016 г.
Научно-исследовательский ядерный университет «МИФИ», 2015 г. , 2016 г.
1. Цель прикладного научного исследования и экспериментальной разработки:
- Разработка детекторов ядерных излучений на основе высокочистого, осаждаемого из газовой фазы, синтетического алмаза для избирательной регистрации ядерных излучений, а также разработка методов изготовления фотовольтаических преобразователей УФ-, альфа-, гамма - излучения на основе синтетического алмаза и исследование их параметров.
- Разработка методов эпитаксиального осаждения тугоплавких металлов на алмазную подложку для создания детекторов, способных работать в экстремальных условиях.
- Разработка методов формирования заглубленных графитовых электродов в синтетическом алмазе для создания на их основе «трехмерных» детекторов ядерных излучений с повышенной эффективностью.
2. Основные результаты ПНИР
На 5 (заключительном) этапе работ на экспериментальном стенде для отработки технологии контактов на основе тугоплавких металлов на кристалл проведены работы по оптимизации режимов гетероэпитаксиального осаждения. Определены оптимальные режимы осаждения (температура нагрева, давление в камере и скорость осаждения), гарантирующие высокое качество наносимого покрытия и его кристаллографическую ориентацию.
На основе разработанной ЭКД изготовлены экспериментальные образцы алмазных детекторов ядерных излучений для работы в экстремальных условиях, где в качестве чувствительного элемента использовался образец высокочистой CVD пластины с контактами из тугоплавкого и химически инертного металла иридия. Проведены их испытания, показавшие работоспособность детекторов в кислотной и щелочной средах, а также в условиях высоких температур (более 500 оС).
Проведены испытания изготовленных на 4 этапе экспериментальных образцов алмазных детекторов для радиометрии тепловых нейтронов. В качестве контактов данных детекторов использовался диборид титана, входящий в его состав 10В является конвертером тепловых нейтронов. Испытания показали, что детектор с контактами из TiB2 может регистрировать тепловые нейтроны. Проведены испытания фотовольтаических преобразователей, изготовленных на основе алмазных гомоструктур с толщинами эпитаксиальных CVD пленок 10,2 и 12,6 мкм соответственно. Испытания показали, что при таких толщинах эпитаксиальной пленки для достижения нужной для сбора заряда напряженности поля требуется напряжение смещения меньше, чем для пленок толщиной около 50 мкм. Измерения вольт-амперных характеристик гомоэпитаксиальных структур с толщиной CVD пленки 10 мкм показали, что фотовольтаический сдвиг может достигнуть значения 2,48 В.
Проведено обобщение результатов исследований, определены основные результаты выполнения проекта, эффективность которых сравнима с мировым научно-техническим уровнем в данной области. Анализ выполнения требований ТЗ на ПНИ показал, что все работы выполнены в полном объеме в соответствии с Планом-графиком, а полученные результаты соответствуют ТЗ. Разработаны рекомендации по использованию разработанных в процессе экспериментальных исследований детекторов ионизирующих излучений и фотовольтаических преобразователей в атомной энергетике и в термоядерных исследованиях. Описаны технические условия, которым должен удовлетворять процесса производства чувствительных элементов алмазных детекторов ядерных излучений и фотовольтаических преобразователей для достижения технико-экономических показателей, заданных в ТЗ. Определены требования, которым должны удовлетворять чувствительные элементы для изготовления алмазных детекторов и ФВП. На основе этих требований разработан проект ТЗ на ОКР «Разработка технологии создания радиационно-стойких детекторов для избирательной регистрации ядерных излучений и фотовольтаических преобразователей на основе синтетического алмаза».
За внебюджетные средства проведены следующие работы:
Проведено определение радиационного ресурса работы алмазного детектора, используемого при измерениях выгорания и количества ядерных материалов отработавшего ядерного топлива. Допустимое время нахождения алмазного детектора вблизи ОЯТ составляет минимум 2×108 с или ~6 лет, что сравнимо со сроком службы детекторов. Деградация алмазных детекторов вблизи ОТВС за счет облучения гамма-излучением не существенна.
Проведены маркетинговые исследования потенциального рыночного спроса на алмазные детекторы ядерных излучений и фотовольтаические преобразователи. В результате исследований определено, что при уменьшении стоимости искусственного алмазного материала детекторы и фотовольтаические преобразователи на основе алмаза будут пользоваться спросом и иметь широкие рынки сбыта.
Проведена технико-экономическая оценка рыночного потенциала при внедрении в производство средств дозиметрического контроля.
Работы данного этапа выполнены полностью в соответствии с планом-графиком и Техническим заданием.
3. Работы направлены на создание новых синтетических алмазных материалов электронного качества и гетероструктур, на их основе, с целью существенного повышения характеристик алмазных детекторов ионизирующих излучений и фотопреобразователей.
4. Область применения результатов ПНИР
- Детекторы и дозиметры ионизирующих излучений различных типов для применений в областях: ядерная энергетика, термоядерные исследования, медицина, экология, космические исследования;
- Модули и компоненты алмазной наноэлектроники: высокотемпературные диоды и транзисторы, элементы и модули мощной радиационно-стойкой электроники и силовой электроники;
- Компактные автономные источники длительного использования на основе преобразователей ионизирующих излучений в электричество.
5. Оценка перспектив продолжения работ по проекту.
Результаты, полученные в процессе выполнения Соглашения, дают основание полагать, что продолжение работы по данной теме позволит создать:
- детекторы ионизирующих излучений для термоядерных исследований и атомной промышленности;
- детекторы гамма-излучения для выявления аварийных ситуаций на радиационно-опасных объектах;
- преобразователи ионизирующего излучения в электричество.
