Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка детекторов для избирательной регистрации ядерных излучений и фотовольтаических преобразователей на основе синтетического алмаза

Номер контракта: 14.579.21.0030

Руководитель: Родионов Николай Борисович

Должность: Директор Научно-образовательного центра Алмазной радиационно-стойкой наноэлектроники и инноваций

Организация: Акционерное общество "Государственный научный центр Российской Федерации Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований"
Организация докладчика: Акционерное общество"Государственный научный центр Российской Федерации Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований"

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Ключевые слова:
детекторы ядерных излучений, синтетический алмаз, синтез алмаза из газовой фазы, алмазные гетероструктуры, эпитаксия, алмаз электронного качества, фотовольтаический преобразователь, трехмерный детектор, графитовые электроды, лазерное облучение.

Цель проекта:
1. 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. 2. Разработка методов эпитаксиального осаждения тугоплавких металлов на алмазную подложку для создания детекторов, способных работать в экстремальных условиях. 3. Разработка методов формирования заглубленных графитовых электродов в синтетическом алмазе для создания на их основе «трехмерных» детекторов ядерных излучений с повышенной эффективностью.

Основные планируемые результаты проекта:
Разработать экспериментальные образцы алмазных пластин высокочистых монокристаллов и эпитаксиальных структур алмаза, тонкопленочных детекторов для избирательной регистрации ионизирующих излучений на основе синтетического алмаза, а также детекторов с трехмерной архитектурой электродов с повышенной чувствительностью и алмазных детекторов для радиометрии тепловых нейтронов, детекторов ионизирующих излучений для работы в экстремальных условиях. 
Разработать макеты фотовольтаических преобразователей на основе эпитаксиальных структур алмаза.
Разработать технологию выращивания алмазного материала электронного качества для детекторов ионизирующих излучений и фотопреобразователей.


Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Создаваемые в процессе выполнения проекта алмазные детекторы для избирательной регистрации ионизирующих излучений, а также макеты фотовольтаических преобразователей ионизирующего излучения в электричество отличаются высокой радиационной стойкостью,компактными размерами, механической прочностью, химической инертностью, высокой теплопроводностью и отличными электронными свойствами.
Алмазный материал, используемый для создания детекторов и фотопреобразователей, изготавливается в России.
Результаты проекта будут соответствовать международному уровню в области разработки детекторов ионизирующих излучений.
Работы выполняются впервые, разрабатываемые в процессе выполнения проекта новые технологии и технические решения патентуются.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Детекторы и дозиметры ионизирующих излучений различных типов будут применяться в термоядерных исследованиях, ядерной энергетике, медицине, экологии, космических исследованиях, геофизических исследованиях скважин и др.
На базе разрабатываемых детекторов могут быть созданы приборы радиационного контроля, предназначенные для выявления аварийных ситуаций на радиационно-опасных объектах, в том числе атомных станциях (АС), контроля за ходом их развития и ликвидации путем
измерения мощности поглощенной в воздухе дозы фотонного излучения.
Также могут быть созданы блоки детектирования гамма излучения на основе алмазных детекторов для определения диапазонов измерения выгорания отработанного ядерного топлива.
На основе фотопреобразователей ионизирующих излучений в электричество могут быть созданы компактные автономные источники длительного использования. Разрабатываемые технологии могут использоваться для создания приборов обнаружения взрывчатых веществ.
Проводимые научные исследования будут способствовать совершенствованию и развитию отечественных технологий выращивания высокочистого алмазного материала электронного качества для различных отраслей промышленности.
Разрабатываемые в ходе выполнения проекта технологии создания структур на основе синтетического алмаза могут использоваться для разработки новых модулей и компонентов алмазной наноэлектроники, например, высокотемпературных диодов и транзисторов, компонентов полупроводниковых лазеров, способных функционировать при рекордных потоках энергии, элементов и модулей мощной радиационно-стойкой электроники и силовой электроники.
Исследования выполнены на мировом уровне. Полученные результаты представляют интерес для исследователей занимающихся аналогичными задачами, потому что направлены на разработку приборов ионизирующих излучений и фотопреобразователей нового поколения.

Текущие результаты проекта:
Разработаны технические решения по размещению и ориентации массива электродов в объеме алмаза для создания трехмерной системы контактов детектора, отработаны процессы формирования графитовых каналов в алмазе под действием ультракоротких лазерных импульсов, отработаны процессы формирования массивов заглубленных в алмаз электродов для изготовления детекторов.
Рассмотрены три варианта трехмерной периодической системы заглубленных графитовых микростолбчатых электродов, создаваемых локальной лазерной графитизацией в объеме алмаза. Сформулированы условия выбора оптимальной величины межэлектродного расстояния. Показано, что сбор заряда с заглубленных электродов предпочтительно осуществлять с помощью поверхностных графитизированных дорожек, что обеспечивает более равномерное распределение электрического поля в объеме пластины. Проведена отработка решений по улучшению качества алмазных гомоэпитаксиальных структур для создания фотовольтаических преобразователей и детекторов для избирательной регистрации частиц и ионов.
По разработанным ЭКД, изготовлены макеты фотовольтаических преобразователей на основе алмазной гомоструктуры и экспериментальные образцы тонкопленочных детекторов.
Создан макет преобразователя ионизирующего излучения в электричество на основе алмаза. Рассмотрено три типа контактов: «а» - сплошные, «б» - полупрозрачные, состоящие из параллельных полосок ~50 микрон шириной, с расстоянием между ними ~60 микрон, «в» - на контакты типа «б» дополнительно напылялись две поперечные проводящие (золотые) полоски, шириной 50 мкм, чтобы обеспечить электрическое соединение параллельных полосок между собой.
Исследованы электрофизические характеристики изготовленных экспериментальных образцов алмазных детекторов для избирательной регистрации нейтральных частиц и ионов, а также макетов фотовольтаических преобразователей на основе высокочистых алмазных гетероструктур.
Фотовольтаический сдвиг алмазной (p,i)-структуры 0,9 В (альфа-частиц), 1.4 В (рентгеновское излучение), 1.5 В (УФ-излучение).
Токовая чувствительность 0.05 А/Вт (альфа-частиц), 0.055(рентгеновское излучение), 0.18 А/Вт, (УФ-излучение).
КПД 4,9% А/Вт (альфа-частиц), 7, %(рентгеновское излучение), 14%, (УФ-излучение).