Регистрация / Вход
Прислать материал

14.579.21.0030

Аннотация скачать
Общие сведения
Номер
14.579.21.0030
Тематическое направление
Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика
Исполнитель проекта
Акционерное общество"Государственный научный центр Российской Федерации Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований"
Название доклада
Разработка и тестирование детекторов и преобразователей ионизирующих излучений на основе синтетического алмаза.
Докладчик
Родионов Николай Борисович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Цели исследования:
1.1 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.
1.2 Разработка методов эпитаксиального осаждения тугоплавких металлов на алмазную подложку для создания детекторов, способных работать в экстремальных условиях.
1.3 Разработка методов формирования заглубленных графитовых электродов в синтетическом алмазе для создания на их основе «трехмерных» детекторов ядерных излучений с повышенной эффективностью.
Задачи исследований:
2.1 Разработка и изготовление (p-i)-структуры, состоящей из НРНТ алмаза p-типа сильно легированного бором, с нанесенной алмазной CVD-пленкой типа IIа.
2.2 Разработка детекторов частиц и ионов на основе (p-i)-структуры.
2.3 Разработка преобразователей ионизирующего излучения в электричество на основе (p-i)-структуры.
2.4 Тестирование детекторов и преобразователей ионизирующего излучения в электричество.
2.5 Тестирование эпитаксиальных алмазных структур в качестве детекторов и преобразователей ионизирующего излучения.
2.6 Тестирование измерительной системы регистрации протонов и нейтронов алмазным детектором при взаимодействии протонов с энергией 660 МэВ с подкритической урановой сборкой из природного урана и свинцовой мишенью.
2.7 Применение алмазных детекторов для измерения выгорания ядерного топлива уран-графитовых реакторов.
Актуальность и новизна исследования
Наиболее успешное применение алмаза в электронике – устройства для детектирования всех видов ионизирующих излучений. В самом распространенном виде детектор представляет собой полированную пластинку монокристаллического синтетического алмаза толщиной несколько сот микрометров с контактами на противоположных сторонах. Но для регистрации ионизирующих излучений с небольшими пробегами (ионы, альфа-частицы, мягкие рентгеновские кванты, УФ излучение) лучше использовать детекторы толщиной несколько десятков микрон, чтобы обеспечить полный сбор заряда и минимальную длительность импульса. Это можно реализовать в конструкции детектора на основе (i-p)-структуры, которая представляет собой подложку из НРНТ алмаза p-типа сильно легированного бором, с нанесенной алмазной CVD-пленкой типа IIа. На основе разработанных (p-i)-структур созданы детекторы частиц и ионов, преобразователи ионизирующих излучений в электричество и выполнено тестирование таких устройств.
Продемонстрирована работоспособность измерительной системы регистрации протонов и нейтронов алмазным детектором при взаимодействии протонов с энергией 660 МэВ с подкритической урановой сборкой из природного урана и свинцовой мишенью. Преимущества алмазных детекторов в экспериментах по взаимодействию протонного пучка высокой энергии с мишенями это его малые размеры, радиационная стойкость, низкая чувствительность к нейтронам, возможность спектрометрии нейтронов.
Проведена апробация алмазных детекторов для регистрации гамма излучения с целью измерения выгорания отработавшего ядерного топлива и создания широкодиапазонного блока детектирования для выявления аварийных ситуаций на радиационно-опасных объектах.
Описание исследования

При создании (p-i)-структуры в качестве подложек для нанесения гомоэпитаксиальных слоев использовались пластины площадью 3×3 мм2 и толщиной 0,3 мм, вырезанные в плоскости (100) из синтетических монокристаллов алмаза, выращенных методом НРНТ. Содержание примеси азота в них не превышало 5×1017 cm-3. В процессе роста кристаллы легировались примесью бора с концентрацией ~2×1019 cm-3, что обеспечивало р+-тип проводимости. Для подготовки подложки использовалась следующая процедура: сначала подложки отжигались в вакууме при температуре 1500 °С в течение 1 часа. При этом верхняя, самая дефектная часть поврежденного слоя трансформировалась в графит, который удалялся химическим травлением  и последующей промывкой в дистиллированной воде. Оставшийся дефектный слой алмаза толщиной ~4 мкм удалялся ионным травлением (пучком ионов Ar+ с энергией 7 кэВ на установке IEU100 (Balzers)). 

 Синтез эпитаксиальных алмазных пленок проводили на плазмохимической установке ARDIS-100. Плазма, образующаяся в углеводородной газовой смеси в камере реактора под действием мощного СВЧ излучения, является источником углеводородных радикалов и атомарного водорода, необходимых для роста алмаза, а также обеспечивает нагрев подложки. Синтез осуществляли в смесях метана и водорода высокой чистоты - 99,9995 % и 99,99999 %, соответственно, при следующих условиях роста: давление 130 Торр; содержание метана в смеси СН42 3 %; суммарный поток газа 500 – 1000 см3/мин; СВЧ мощность 2,5 - 2,8 кВт; температура подложки 1030 – 1060 °С ; время роста 4 - 4,5 часа; скорость роста ~2,5 мкм/час. Были изготовлены образцы с эпитаксиальными пленками толщиной ~10 мкм. После гомоэпитаксиального наращивания образцы снова были подвергнуты вакуумному отжигу при температуре 1500 °С в течении 1 часа и химической очистке. На структуры,  методом магнетронного распыления на установке DESKV, были нанесены Pt контакты толщиной 35 нм.

Измерения вольт-фарадных характеристик структур проводились с помощью измерителя импеданса Е7-20 на частоте 1 МГц в диапазоне напряжений смещения -10÷+2 В. Для измерения вольтамперных характеристик (ВАХ) структур к образцам прикладывались либо постоянное напряжение, либо прямоугольные импульсы в схеме последовательно соединенных образца и нагрузочного сопротивления. Измерялось падение напряжения на образце и на сопротивлении нагрузки; из последнего находилась величина тока через образец.  Для измерений использовались генератор импульсов Г5-63 (Россия), источник постоянного напряжения ТЕС 7М (Болгария), мультиметр Keithley 2000, осциллограф Tektronix TDS 3034B. Структуры №1 и №2 были использованы также для измерения спектров альфа-частиц с энергией 5,48 МэВ от радиоактивного источника 241Am. Для этого применялся спектрометрический тракт, состоявший из зарядочувствительного предусилителя CanBerra 2001A, формирующего усилителя БУИ-16П и спектрометрического АЦП “Parsek”.

На основе (р-i)-структуры созданы преобразователи ионизирующего излучения в электричество. С этой целью на (p-i)-структуры наносились как сплошные, так и полупрозрачные золотые контакты толщиной ~30 нм. Полупрозрачный контакт напылялся на CVD-пленку, который имел ширину 3 мм и состоял из полос ~50 микрон шириной, расстояние между которыми составляло ~50 микрон. В случае УФ-фотопреобразователя полупрозрачный контакт существенно улучшал эффективность преобразования УФ-излучения в электричество.

Проведены эксперименты по измерению алмазным детектором протонного и нейтронного излучений, возникающих при взаимодействии протонов с энергией 660 МэВ со свинцовой мишенью и с подкритичной сборкой из природного урана на фазотроне-ускорителе протонов ОИЯИ, г Дубна. Энергия протонов была 660 МэВ. Были измерены скорости счета алмазных детекторов. Выполнены измерения спектров откликов детектора в зависимости от угла между направлением протонного пучка и прямой, проходящей через детектор и центр установки «КВИНТА» для свинцовой мишени и с подкритичной сборкой из природного урана. 

Для измерения выгорания ядерного топлива уран-графитовых реакторов АМБ-100, АМБ-200 и РБМК-1000 разработан метод, основанный на прямых измерениях радиационных характеристик ОЯТ – плотности потока нейтронов и мощности поглощенной дозы гамма-излучения. В  качестве детекторов гамма-излучения использовались алмазные детекторы.  Определение диапазонов измерения выгорания ядерного топлива реакторов проведено на основе экспериментальных данных, полученных с учетом начального обогащения, расчетных зависимостей изотопного состава и потока нейтронов из ОТВС от выгорания и времени выдержки ОТВС после извлечения из реактора. 

 

 

Результаты исследования

 Измерены вольт-амперные характеристики (p-i)-структур на постоянном и импульсном напряжении. В широком диапазоне постоянный ток пропорционален квадрату напряжения, что указывает на инжекционный механизм транспорта носителей заряда в i-слое. На постоянном напряжении из-за асимметрии (p-i)- структур токи в прямом и обратном направлении отличаются на три порядка величины. Импульсные ВАХ кардинально отличаются от статических: 1) имеется область напряжений, где токи в обеих полярностях совпадают, 2) в значительном интервале напряжений ВАХ линейны, что определяется собственными носителями в i-слое, концентрацию которых удалось оценить.  На созданной структуре получен фотовольтаический эффект, то есть в эпитаксиальной пленке имеется встроенное электрическое поле. Значения перепада напряжения в структурах составили 1,87 и 2,48 В. Детекторы на (p-i) - структурах тестировались на возможность регистрации частиц и ионов.

Алмазная (p-i)-структура продемонстрировала способность работать в качестве преобразователя ионизирующего излучения в электричество. Изготовлен алмазный фотоэлемент со сплошным и полупрозрачным входным окном. Разработана технология создания полупрозрачных контактов в качестве входных окон фотопреобразователей.  Были проведены испытания преобразователя ионизирующих излучений. Фотовольтаический сдвиг напряжения для альфа-, рентгеновского- и УФ-излучений составил 0,62 В, 1.5, В 1,1 В, соответственно. Эффективность преобразования по оценкам оказалась в диапазоне 4,2-15%.

Продемонстрирована работоспособность измерительной системы с алмазным детектором   при взаимодействии протонов с энергией 660 МэВ с подкритической урановой сборкой из природного урана и свинцовой мишенью.В случае свинцовой мишени вклад в амплитудный отклик алмазного детектора дают как протоны так и нейтроны при этом диапазон измеренного отклика детектора составил 2-80 МэВ.   В случае подкритической урановой сборки в амплитудный отклик дают нейтроны, при этом   диапазон отклика алмазного детектора составлял  2-20 МэВ. Из спектра отклика алмазного детектора, оценен анализируемый спектр нейтронов: 7,4-25,7 МэВ. Вклад вторичной активации в общий сигнал, в рассматриваемом диапазоне регистрируемых энергий мал по сравнению с нейтронным потоком.

Показано, для современного топлива РБМК-1000 с начальным обогащением 2.6 и 2.8% нижняя граница измерения выгорания составляет 7.5 и 8.5 МВт×сут/кг, соответственно. Для блоков детектирования гамма-излучения на основе алмазных детекторов нижняя граница измерения выгорания ядерного топлива РБМК для любого начального обогащения составляет 4 МВт×сут/кг, а верхняя граница во много раз превышает  предельное выгорание 40 МВт×сут/кг. При выгорании ядерного топлива до 10 МВт×сут/кг предпочтительнее использовать БДД с алмазными детекторами, так как в этом случае на порядок величины сокращается время измерений по сравнению с БДН на основе камер деления.

 

Практическая значимость исследования
Детекторы частиц и ионов будут востребованы для диагностики термоядерной плазмы. Диагностика потоков нейтральных атомов является важнейшим источником информации о поведении тепловых и сверхтепловых ионов в плазме токамака. Алмазный детектор можно эффективно использовать в качестве анализатора частиц, благодаря его высокой радиационной стойкости. Детектор частиц, созданный на основе (p-i)-структуры позволит решить задачу диагностики термоядерных альфа-частиц в термоядерном реакторе. Разрабатываемые детекторы ядерных излучений на основе тонких гомоэпитаксиальных пленок синтетического алмаза актуальны также для ядерной энергетики, радиационной медицины и т.д.

В настоящее время наблюдается потребность в создании компактных источников энергии, способных работать в автономном режиме длительное время. В качестве перспективных кандидатов на такой источник рассматриваются радиоактивные изотопы в связке с фотовольтаическими элементами, преобразующими энергию фотонов в электрическую энергию. Существует несколько способов преобразования энергии радиоактивного распада. Возможности улучшения характеристик источников ядерной энергии появились с предложением использовать в фотовольтаических преобразователях широкозонные полупроводники, например, легированный искусственный алмаз. На основе подобных элементов можно создать простой и компактный источник энергии, способный функционировать в течении многих десятков лет в экстремальных условиях.

В настоящее время одно из направлений решения фундаментальных проблем современных ядерных энергетических технологий связано с использованием более жесткого, чем делительный, спектра нейтронов в глубоко подкритичной активной зоне из природного урана. Путь реализации этого направления это разработка схемы электроядерного синтеза, основанной на ядерных релятивистских технологиях.
Преимущества алмазных детекторов в таких экспериментах это его малые размеры, радиационная стойкость, низкая чувствительность к нейтронам, возможность спектрометрии нейтронов.
На основе алмазных детекторов гамма-излучения может быть создан блок детектирования, предназначенный для выявления аварийных ситуаций на радиационно-опасных объектах.