Разработка детекторов для избирательной регистрации ядерных излучений и фотовольтаических преобразователей на основе синтетического алмаза
Работа проведена в 2015 г. 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 2014г. (Этап 2).
Научный руководитель проекта: Директор НОЦ «ЦАРСНИ», доктор физ.-мат. наук,
Соисполнители:
Институт общей физики им. Российской академии наук, 2015 г.
Научно-исследовательский ядерный университет «МИФИ», 2015 г.
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.
Основные результаты ПНИР
На отчетном этапе в соответствии с «Планом-графиком исполнения обязательств» по Соглашению выполнены теоретические и экспериментальные работы, перечисленные ниже.
Разработаны технические решения по размещению и ориентации массива электродов в объеме алмаза для создания трехмерной системы контактов детектора. Разработана методика и отработаны процессы формирования графитовых каналов в алмазе под действием ультракоротких лазерных импульсов. Найдены оптимальные режимы работы лазера для получения оптимальной формы канала. Отработаны процессы формирования массивов заглубленных в алмаз электродов для изготовления детекторов;
Проведена работа по оптимизации условий роста для улучшения кристалличности алмазных пленок, осаждаемых на подложку из НРНТ алмаза и получению CVD-пленок высокой чистоты для создания алмазных гетероструктур и фотовольтаических преобразователей.
Разработаны ЭКД на:
-макет фотовольтаического преобразователя на основе алмазной гетероструктуры;
-стенд для измерения подвижности носителей заряда по времяпролетному принципу;
- экспериментальный образец тонкопленочного детектора.
Изготовлены:
- отдельные блоки для экспериментального стенда по нанесению тугоплавких металлов на кристалл;
- стенд для измерений подвижности носителей заряда;
- экспериментальные образцы монокристаллов и эпитаксиальных гетероструктур алмаза, синтезированные в СВЧ плазме;
- экспериментальные образцы тонкопленочных детекторов в количестве 2 шт;
-макеты фотовольтаических преобразователей в количестве 2 шт.
Проведено математическое моделирование работы детекторов, фотовольтаических преобразователей и детекторов с заглубленными электродами. Разработана программа и методики измерения электрофизических характеристик экспериментальных образцов алмазных детекторов и фотовольтаических преобразователей. Проведена калибровка каналов регистрации нейтронного излучения на основе камер деления и гамма-излучения на основе алмазных детекторов. Разработаны требования к алмазным детекторам потенциальных потребителей, на основе которых разработан проект ТЗ на детектор от потребителей. Проведены дополнительные патентные исследования по технологии газофазного осаждения монокристаллических алмазных слоев и разработке способа фотовольтаического преобразования ионизирующих излучений в электричество.
Работы, выполненные за счет внебюджетных средств:
-проведена калибровка каналов регистрации нейтронного излучения на основе камер деления и гамма-излучения на основе алмазных детекторов, предназначенных для измерения выгорания ядерного топлива уран-графитовых реакторов типа РБМК-1000;
-разработаны требования потенциальных потребителей к алмазным детекторам для регистрации нейтронного и гамма излучений с целью выявить потенциальных потребителей и использовать результаты проекта для создания приборов регистрации ионизирующих излучений;
Полученные результаты полностью соответствуют техническим требованиям к выполняемому проекту.
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 фотопреобразователей ионизирующих излучений в электричество.
5. Оценка перспектив продолжения работ по проекту.
Результаты, полученные на втором этапе выполнения Соглашения, дают основание полагать, что продолжение работы позволит выполнить все поставленные задачи и результаты ПНИР найдут применение в разработке и создании:
-детекторов ионизирующих излучений для термоядерных исследований;
- широкодиапазонных блоков детектирования, предназначенных для выявления аварийных ситуаций на радиационно-опасных объектах, в том числе атомных станциях, и контроля за ходом их развития или ликвидации путем измерения мощности поглощенной в воздухе дозы фотонного излучения, как в условиях нормальной эксплуатации, так и при авариях всех типов;
- блоков детектирования в составе измерительных каналов автоматизированных систем радиационного контроля на объектах с ядерными энергетическими установками и на объектах, связанных с получением, переработкой и использованием радиоактивных материалов;
-детекторов гамма-излучения для измерения выгорания ядерного топлива уран-графитовых реакторов АМБ-100, АМБ-200 и РБМК-1000;
- малогабаритной, обладающей большим ресурсом работы, аппаратуры он-лайн мониторинга для регистрации космического излучения в широком диапазоне потоков и энергий заряженных частиц космических лучей.
