Наименование медицинской услуги

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 3, начало этапа 01.07.2015 г., окончание этапа 31.12.2015 г.).

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 третьем этапе Соглашения о предоставлении субсидии выполнены следующие работы:

Разработана методика измерения подвижности носителей заряда в изготовленных монокристаллических алмазных пластинах время-пролётным методом.  Методика основана на измерении времени прохождения носителей заряда через образец под действием внешнего электрического поля. Генерация носителей заряда происходит при  взаимодействии б-частицы  с материалом образца. Проведены исследования электрофизических характеристик экспериментальных образцов алмазных детекторов для избирательной регистрации нейтральных частиц и ионов. Тестирование алмазного детектора проводилось в пучках протонов (от 100 до 350 кэВ), дейтонов (от 110 до 350 кэВ) и альфа-частиц (от 80 до 600 кэВ). Детектор стабильно регистрирует протоны с энергией  от 150 кэВ, дейтоны от 160 кэВ и альфа-частицы – от 180 кэВ. Проведено исследование электрофизических характеристик изготовленных на основе алмазной (p-i)-структуры фотовольтаических преобразователей ионизирующего излучения в электричество со сплошным и полупрозрачными контактами. Продемонстрирована способность работы преобразователя. Показано, что  применение полупрозрачных контактов вместо сплошных в случае УФ-излучения позволяет увеличить КПД в 5 раз. В сравнении с кремниевым преобразователем, в алмазном преобразователе может быть достигнуто в несколько раз большее рабочее напряжение. Фотовольтаический сдвиг напряжения для альфа-, рентгеновского - и УФ-излучений составил 0.9 В, 1.3 В, 1.5 В, соответственно. Эффективность преобразования по оценкам для альфа-излучения ≈ 3,4%, рентгеновского излучения ≈8.2%, УФ-излучения ≈ 10%, причем КПД преобразователя  на основе алмаза может быть сравнимо с КПД ФЭП на основе кремния. Создан экспериментальный стенд для отработки технологии нанесения контактов на основе тугоплавких металлов на кристалл. В СВЧ плазме на монокристаллических алмазных подложках HPHT p-типа выращены образцы эпитаксиальных гетероструктур алмаза толщиной от 10 до 15 мкм на основе которых изготовлены два  образца тонкопленочных детекторов. Созданы экспериментальные образцы массивов заглубленных графитовых электродов в синтетическом алмазе. На основании сравнения матриц заглубленных графитовых электродов с различными параметрами, созданных в ходе экспериментов было обнаружено, что все зафиксированные макротрещины ориентированы вертикально и проходили, в основном, лишь через некоторые, вертикальные ряды электродов в пределах одной матрицы. В ходе работы не удалось установить четкой корреляции между параметрами матрицы (периодом матрицы, формой ячейки и последовательностью формирования матрицы) и возникновением макротрещин. Единственной очевидной тенденцией являлось отсутствие макротрещин, если расстояние между электродами по вертикали становилось достаточно большим (например, > 300 мкм). Изготовлен экспериментальный образец высокочистой алмазной монокристальной пластины с оптимизированным массивом заглубленных электродов с оптимизированной геометрией в пластине монокристаллического CVD алмаз размером 4Ч4Ч0,5 мм. Элементарная ячейка массива - треугольная, расстояние между любыми двумя ближайшими электродами равно 150 мкм, электроды соединены графитизированными дорожками. Площадь поверхности, занимаемой массивом составила 2,34 Ч 3,0 мм2. Анализ структуры облученной лазером поверхности методом спектроскопии КР подтвердил, что она соответствует разупорядоченному графитоподобному углероду. Разработаны методы расчета и алгоритмы обработки сигналов алмазного детектора. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования показали, что для алмазного детектора гамма-излучения  влиянием нейтронов с энергией до 10 МэВ можно пренебречь. Алгоритм обработки сигналов алмазного детектора предполагает, что непосредственно измеряемой величиной является сила тока, а косвенно измеряемой величиной – мощность дозы гамма-излучения. Связь силы тока с мощностью поглощенной дозы гамма-излучения устанавливается на этапе калибровке в аттестованном поле ионизирующего излучения. Проведена доработка конструкции установки химического газофазного осаждения в СВЧ-плазме для получения монокристаллов высокой чистоты: разработана новая конструкция подложкодержателя, перемещающегося в процессе синтеза. Проведенная модернизация позволит получать в стабильном режиме монокристаллические слои алмаза высокой  чистоты толщиной до 1 мм и более. Проведена закупка оборудования для проведения испытаний алмазного материала и выбор основных параметров контроля алмазного материала: содержание азота, бора и кристаллического качества.

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 фотопреобразователей ионизирующих излучений в электричество.

5. Оценка перспектив продолжения работ по проекту.

Результаты, полученные на третьем 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;

-детекторов гамма-излучения для выявления аварийных ситуаций на радиационно-опасных объектах;

-преобразователей ионизирующего излучения в электричество.

Материалы  3 этапа опубликованы в работах:

1.N. B. Rodionov, V. N. Amosov, S. A. Meshchaninov, R. N.Rodionov, A. F. Pal and A. G. Trapeznikov, Convertor of Ionizing Radiation into Electric Power Based on the Synthetic Diamond, International Journal of Circuits, Systems and Signal Processing, V.9, p. p 435-439, 2015

2., ,  , , Фотоэлектрический преобразователь на основе алмаза, ПТЭ, 2015, принята в печать.

3.G. Conte, P. Allegrini, M. Pacilli, S. Salvatori, T. Kononenko, A. Bolshakov, V. Ralchenko, V. Konov, Three-dimensionalgraphiteelectrodesinCVDsinglecrystaldiamond detectors: Charge collection dependence on impinging в-particles geometry Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, A799, p.10–16, 2015