Регистрация / Вход
Прислать материал

14.577.21.0150

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.577.21.0150
Тематическое направление
Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский технологический университет"
Название доклада
Проведение исследований и разработка твердотельных устройств контроля радиационных потоков на основе алмазных полупроводниковых эпитаксиальных структур для перспективных атомных электростанций на базе ядерного реактора на тепловых нейтронах типа ВВЭР
Докладчик
Зяблюк Константин Николаевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Создание технологической базы модернизации и развития аппаратуры контроля нейтронного потока, обеспечивающей повышение надежности эксплуатации существующих и перспективных атомных электростанций, в том числе, на базе ядерного реактора на тепловых нейтронах типа ВВЭР (водо-водяной энергетический реактор).
Создание новых типов твердотельных устройств контроля радиационных потоков на основе алмазных полупроводниковых эпитаксиальных структур.
Конкурентные преимущества разработки по сравнению с существующими аналогами заключаются в уменьшении ресурсных характеристик (отказ от использования в своем составе стратегического остродефицитного материала (НеЗ), объем потребления которого для создания детекторов тепловых нейтронов составляет примерно 100-150 млн. руб.); меньшей стоимостью изделия, габаритами и энергопотреблением, улучшенными ТТХ, обеспечивающих многофункциональную автоматизацию и компьютеризацию измерений, конкурентоспособных на внешнем и внутреннем рынках.
Актуальность и новизна исследования
Разрабатываемые твердотельные устройства контроля радиационных потоков обеспечат: улучшение качества жизни и здоровья
населения; повышение производительности труда и улучшение его условий; совершенствование технологических процессов с
точки зрения повышения производственной безопасности (включая экологическую); повышение уровня автоматизации
производства. Новизна предлагаемого технологического решения состоит в разработке датчиков устройств контроля радиационных потоков на основе алмазных полупроводниковых эпитаксиальных структур с улучшенными технологическими параметрами и приемлемыми для широкого внедрения ценовыми показателями.

Описание исследования

Работа, проделанная на 4 этапе НИР, экспериментально подтверждает аналитические и теоретические разработки 1–3 этапов. Она окончательно разъясняет многие конструктивные, технологические и экспериментальных вопросы, возникшие на протяжении предыдущих этапов. В частности, на 1 этапе НИР были проанализированы публикации про алмазные детекторы нейтронов различных конструкций для различных приложений. Рассматривались как тонкопленочные алмазные детектора на  подложке, так и самостоятельные алмазные пластины; измерения проводились на генераторах нейтронов, исследовательских ядерных реакторах и экспериментальных установках термоядерного синтеза (токамаках), исследовались детекторы с радиатором медленных нейтронов на основе изотопов В-10 иLi-6, так и без него. На 2 этапе НИР были проведены предварительные эксперименты с алмазными детекторами, изготовленными на основе монокристаллических алмазных пластин толщиной 0.5 мм с радиатором медленных нейтронов из оксида бора В2О3, так и без него. Результат моделирования, проведенного на 2 этапе, привел к выводу, что для подавления сигналов от гамма-излучения толщина активного алмазного слоя детектора нейтронов не должна превышать 0.1 мм. Тем не менее математическое моделирование всегда имеет ряд допущений, и выводы требуют экспериментальной проверки. Работа с алмазными пластинами толщиной менее 0.1 мм затруднительна из-за их хрупкости. Поэтому было принято решение использовать тонкопленочные алмазные детекторы (без отделения от подложки) для изготовления макетных образцов чувствительных элементов датчиков радиационных потоков на 4 этапе НИР.

На 3 этапе НИР был разработан технологический регламент изготовления макетных образцов чувствительных элементов датчиков на основе тонкопленочных алмазных структур и программа испытаний. Алмазная пленка активного слоя датчика выращивается методом газофазного осаждения (CVD) на монокристаллических алмазных пластинах, выращенных при высоком давлении и высокой температуре (HPHT, такие пластины дешевле, но худшего качества). Из-за невозможности отделить алмазную пленку толщиной несколько десятков мкм от пластины, на верхней плоскости подложки должен быть сформирован проводящий слой, который служит одним из электродов детектора. Для этого было принято решение использовать ионную имплантацию с последующим отжигом, которая приводит к образованию проводящего графитизированного слоя под поверхностью подложки. Однако такая операция приводит к образованию дефектов на поверхности подложки и не было ясно, не приведет ли она к ухудшению качества выращенной алмазной CVD пленки, и, в конечном счете, к неработоспособности детектора.

Работа по изготовлению и испытаниям макетных образцов ДАТН, выполненная на 4 этапе НИР, позволила разрешить эти вопросы. Макетные образцы изготовлены на алмазных структурах с толщиной активного алмазного слоя 10 мкм с электродами в виде заглубленного графитизированного слоя и металлизации сверху алмазной пленки. Испытания на источнике альфа-излучения показали, что эффективность сбора заряда составляет не менее 70–80%, причем она может быть ограничена не качеством пленки, а не достаточно оптимальной конструкцией датчика. Это подтверждает высокое качество алмазной CVD пленки, несмотря на повреждения поверхности подложки, вызванные ионной имплантацией, и ее применимость для изготовления детекторов ионизирующих излучений. Далее, испытания макетных образцов на источнике нейтронов подтвердили расчеты предыдущих этапов, что уменьшение толщины активного слоя детектора приводит к пропорциональному уменьшению амплитуды сигналов, возникающих от гамма-излучения источника. При этом амплитуда сигналов от поглощения  нейтронов не зависит от толщины активного слоя, поэтому в тонкопленочном детекторе нейтронные сигналы могут быть легко отделены от гамма-фона. Кроме того, эффективность регистрации нейтронов, измеренная в процессе испытаний на 4 этапе НИР, согласуется с выполненными ранее теоретическими расчетами. Таким образом, результаты исследовательских испытаний макетных образцов и устройства контроля подтверждают правильность выбранной конструкции и технологии изготовления.

Результаты исследования

Изготовлены макетные образцы чувствительных элементов радиационных потоков на основе тонкопленочных алмазных структур, которые состоят из монокристаллической алмазной подложки, заглубленного графитизированного слоя, полученного методом ионной имплантации с последующим отжигом и активного алмазного слоя толщиной около 10 мкм, выращенного методом газофазной эпитаксии.

Отработана технология нанесения металлических электродов на поверхности алмазной структуры, обеспечивающая его работоспособность. Технология включает операции нанесения слоя алюминия методом магнетронного распыления и формирования изолирующего промежутка между электродами на верхней грани структуры с помощью методов фотолитографии.

Проведены испытания макетных образцов чувствительных элементов датчиков радиационных потоков.  Испытание на моноэнергетическом альфа-источнике показали высокую эффективность сбора заряда в пределах, заданных в программе и методиках испытаний 80±20%.

Проведена доработка технической и технологической документации изготовления макетных образцов, а также доработана программа и методики исследовательских испытаний. Изменением подверглись режимы химической и плазменной очистки поверхности структуры перед нанесением контактов и технология формирования контактов.

Изготовлен макет устройства контроля радиационных потоков, состоящий из блока датчиков и блока усиления. Основным элементом блока усиления является зарядочувствительный усилитель на основе малошумящих операционных усилителях и формирователь импульса из дифференцирующей и интегрирующей цепей для максимизации отношения сигнал/шум.

Разработана эскизная конструкторская документация на изготовление макета устройства контроля радиационных потоков.

Проведены испытания макета устройства контроля радиационных потоков. Испытания показали, что устройства контроля в комплекте с таким датчиком может обеспечивать эффективную регистрацию нейтронов в диапазоне от 3×107 до 1.27×1010 см–2с–1.

 

Практическая значимость исследования
Результаты ПНИЭР найдут применение в целом ряде отраслей промышленности.
Перспективные направления применения результата:
- автоматизированные системы мониторинга ионизирующих и ядерных излучений для АЭС;
- системы контроля безопасности ядерно-физических установок;
- системы контроля радиационной безопасности на транспорте;
- разведка и эксплуатация месторождений полезных ископаемых;
- проведение мероприятий по охране недр и окружающей среды;
- технология изготовления активных устройств микро- и наноэлектроники на новых полупроводниковых материалах (алмазные материалы).
Созданные твердотельные устройства контроля радиационных потоков на основе алмазных полупроводниковых эпитаксиальных структур могут быть использованы для контроля мощности реакторов деления в ядерной энергетике, для контроля радиационной обстановки в процессах переработки и утилизации ядерного топлива, а также в других областях науки и техники, где необходим компактный детектор нейтронов с высоким ресурсом (до ~1016 n/см2). Внедрение систем экологического и радиационного контроля, созданных на основе предлагаемой разработки, обеспечит более качественный мониторинг окружающей среды и технических средств, что, несомненно, скажется на улучшении качества жизни и здоровье населения.