1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Приборы и техника эксперимента
  4. № 3, 2019

Приборы и техника эксперимента, 2019, № 3, стр. 12-16

ДЕТЕКТОРЫ БЫСТРЫХ НЕЙТРОНОВ НА ОСНОВЕ ПОВЕРХНОСТНО-БАРЬЕРНЫХ GAAS-СЕНСОРОВ С КОНВЕРТЕРОМ ИЗ СВЕРХВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНОГО ПОЛИЭТИЛЕНА

С. В. Черных a, *, А. В. Черных a, Г. И. Бритвич a, b, А. П. Чубенко a, c, Н. Буртебаев d, Д. М. Зазулин d, Д. Мусаев e, Р. Ходжаев f, В. В. Чердынцев a, Ф. С. Сенатов a, С. И. Диденко a

a Национальный исследовательский технологический университет “МИСиС”
119049 Москва, Ленинский просп., 4, Россия

b Институт физики высоких энергий им. А.А. Логунова Национального исследовательского центра “Курчатовский институт”
142281 Московская область, Протвино, пл. Науки, 1, Россия

c Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН
119991 Москва, Ленинский просп., 53, Россия

d Институт ядерной физики Министерства энергетики Республики Казахстан
050032 Алматы, ул. Ибрагимова, 1, Республика Казахстан

e Казахский национальный университет им. аль-Фараби
050040 Алматы, просп. аль-Фараби, 71, Республика Казахстан

f Южно-Казахстанский государственный университет им. М. Ауезова
160012 Шымкент, просп. Тауке хана, 5, Республика Казахстан

* E-mail: chsv_84@mail.ru

Поступила в редакцию 18.01.2018
После доработки 24.11.2018
Принята к публикации 03.12.2018

Полный текст (PDF)

Аннотация

Поверхностно-барьерные структуры на основе тонких высокочистых эпитаксиальных слоев GaAs с конвертером из сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) испытаны в качестве детекторов быстрых нейтронов. Представлены результаты измерений спектров α-частиц, а также отклика к быстрым нейтронам при облучении от источника 241Am-Be. Детекторы продемонстрировали высокую эффективность детектирования нейтронов, 1.22 ⋅ 10–3 импульсов/нейтрон, и приемлемое отношение сигнал/γ-фон, на уровне 40. Показана возможность эксплуатации таких детекторов при температурах до 120°С.

1. ВВЕДЕНИЕ

Детекторы нейтронов на объемном SI GaAs (SI – semi-insulating) с различными конвертерами зарекомендовали себя как эффективные устройства для обнаружения быстрых или тепловых нейтронов благодаря высокой радиационной стойкости, хорошим детекторным характеристикам и низкой себестоимости материала [1–4]. Такие детекторы используются как при рабочем смещении (порядка 1 В на микрон толщины активной области), так и в режиме неполного обеднения для снижения чувствительности к γ-излучению [5].

В работах [6, 7] для регистрации быстрых нейтронов было предложено использовать в качестве сенсора протонов отдачи поверхностно-барьерные структуры на основе тонких (не более 50 мкм) эпитаксиальных слоев GaAs. Это позволило снизить порог регистрации протонов отдачи и увеличить соотношение сигнал/γ-фон, а также повысить рабочие температуры в сравнении с кремнием и SI GaAs.

Настоящая статья является продолжением этих исследований. Целью работы является увеличение температурного диапазона эксплуатации таких детекторов. Для этого в качестве конвертера предлагается использовать сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ) [8]. СВМПЭ имеет высокую плотность (>0.94 г/см3), температура его плавления выше, чем у полиэтиленов других типов, и составляет 135–150°С. Для сравнения, температура плавления полиэтилена низкой плотности (ПЭНП) составляет 100–120°С, а высокой плотности (ПЭВП) – 120–135°С. Кроме этого, СВМПЭ отличается высокой химической инертностью и стойкостью к воздействию агрессивных сред. Все это позволяет надеяться на успешное использование данного материала в качестве конвертера для детекторов быстрых нейтронов, предназначенных для работы в жестких условиях эксплуатации.

2. СВМПЭ-КОНВЕРТЕР

Для изготовления пленок СВМПЭ использовался порошок марки GUR4113 производства Ticona (Германия) с молекулярной массой 3.9 ⋅ 106 г/моль (плотность более 0.94 г/см3). Исходный порошок СВМПЭ подвергался механоактивационной обработке в режимах, описанных ранее [9, 10]. Термопрессование порошка СВМПЭ в пленочную заготовку проводилось с помощью вулканизационного пресса 40 ТЕСАР АПВМ-904. Предварительно проводился нагрев до 160°С в течение 40 мин с последующей выдержкой при этой температуре в течение 30 мин для равномерного прогрева плит. Затем проводилось горячее прессование с нагрузкой 90 кгс/см2 и дальнейшее охлаждение под давлением в течение 3 ч для снижения влияния термических напряжений. Порошковый композит помещался в уже нагретую пресс-форму. Полученные пленочные заготовки СВМПЭ были прокатаны на разогретых вальцах при температуре 90°С. Полученные пленки имели среднюю толщину 100–300 мкм.

3. ПОВЕРХНОСТНО-БАРЬЕРНЫЙ СЕНСОР

Поверхностно-барьерный сенсор протонов отдачи был изготовлен на основе высокочистых эпитаксиальных слоев GaAs толщиной 42 мкм с концентрацией носителей заряда на уровне 3 ⋅ 1011 см–3. Пленки выращивались методом хлоридной газофазной эпитаксии на двухдюймовых n++-GaAs-подложках, легированных кремнием до концентрации 2 ⋅ 1018 см–3.

Сплошной барьер Шоттки площадью 5 × 5 мм2 был изготовлен с использованием системы металлизации Pt/TiN/Au [11], в качестве омического контакта к n++-подложке была использована система Ni/AuGe/Au. Меза-структура защищалась полиимидом. Внешний вид сенсора представлен на рис. 1.

Рис. 1.

Фотографии поверхностно-барьерного VPE GaAs-сенсора: а – двухдюймовой подложки GaAs со сформированными приборными структурами, б – отдельного чипа (размер 6 × 6 мм, активная область 5 × 5 мм).

Изготовленные поверхностно-барьерные структуры имели низкие темновые токи: при обратных смещениях 50 и 100 В токи утечки составили 0.6 и 0.8 нА соответственно. Емкость структур не зависела от смещения и в среднем по пластине составила 70 пФ. Подробное описание параметров эпитаксиальных слоев, технологии изготовления и электрофизических характеристик поверхностно-барьерных сенсоров можно найти в работах [6, 7].

4. ХАРАКТЕРИЗАЦИЯ ПОВЕРХНОСТНО-БАРЬЕРНОГО СЕНСОРА НА ИСТОЧНИКЕ АЛЬФА-ЧАСТИЦ

Измерения спектров α-частиц проводились при комнатной температуре с использованием стандартной схемы. Сенсоры через малошумящий зарядочувствительный предусилитель и усилитель-формирователь подключались к 8192-канальному анализатору на базе комплекса ∆Е-Е методики Института ядерной физики МЭ РК. Облучение проводилось коллимированным пучком α-частиц от источника 226Ra при остаточном давлении 1.33 Па.

На первом этапе была исследована эффективность сбора заряда в зависимости от подаваемого на сенсор напряжения смещения. Для всех исследуемых сенсоров эффективность сбора заряда от самых длиннопробежных частиц (7.687 МэВ) выходила на максимум при обратном напряжении смещения ≥60 В, что обусловило выбор рабочей величины ≥65–75 В.

На рис. 2 приведен измеренный при этом значении напряжения смещения амплитудный спектр α-частиц от источника 226Ra. Энергетическая калибровка измерительного тракта представлена на рис. 3. Как видно, отклик сенсора в высшей степени линеен. Результаты измерения энергетического разрешения приведены в табл. 1. Отметим, что оно определялось в основном шумами электроники съема, а также разбросом потерь энергии α-частиц в защитном покрытии источника.

Рис. 2.

Амплитудный спектр α-частиц от источника 226Ra (энергия α-частиц 4784, 5489, 6002 и 7687 кэВ). Напряжение смещения –65 В.

Рис. 3.

Калибровка амплитудного анализатора на источнике 226Ra.

Таблица 1.

Энергетическое разрешение сенсора на α‑частицах от источника 226Ra

Энергия α-частиц, МэВ FWHM, каналы FWHM, кэВ
4.784 39.86 44.18
5.489 38.87 43.08
6.002 41.65 46.16
7.687 39.55 43.83
Генератор 19.89 22.04

При измерениях спектральных характеристик сенсоров в зависимости от температуры по различным причинам высокого вакуума достичь не удалось: остаточное давление было выше, чем при спектрометрических измерениях, – около 100 Па. Источник питания, мультиметр и предусилитель были вынесены за пределы вакуумной камеры и соединялись с нагревательным резистором, термопарой и детектором посредством высоковакуумных разъемов. Для поддержания постоянной температуры установка была оснащена системой автоматического включения и отключения тока.

Влияние температуры на разрешение сенсоров проверялось в диапазоне от 30 до 150°С при различных напряжениях смещения. Проведенные температурные испытания показали, что исследуемые сенсоры полностью сохраняют спектрометрические качества до температуры около 120°C (для всех линий FWHM находилась на уровне 135 кэВ), но для этого было необходимо увеличивать рабочее смещение до 180–190 В. Повышение температуры более 130°C приводило к катастрофическому ухудшению характеристик, однако при этом сенсор сохранял работоспособность в режиме счета.

5. РЕГИСТРАЦИЯ БЫСТРЫХ НЕЙТРОНОВ

При тестировании на источнике быстрых нейтронов для увеличения площади детектора до 1 см2 четыре сенсора помещались в один корпус и подключались параллельно. Измерения проводились при комнатной температуре и атмосферном давлении, использовался источник быстрых нейтронов 241Am-Be c активностью 1.62 ⋅ 106 Бк. Пленки СВМПЭ располагались непосредственно на корпусе, на расстоянии 2–3 мм от GaAs-сенсора. Для набора необходимой толщины пленки укладывались в стопку. При этом источник нейтронов (алюминиевый цилиндр высотой H = 3.2 см и диаметром D = 2.2 см) располагался непосредственно на конвертере.

Сенсор протонов отдачи подключался через усилитель NE592D14G, буферный усилитель BUF634 к 1024-канальному анализатору спектра АЦП-1К-2М (АСПЕКТ, Россия). Преимущество используемого усилителя – наличие обратной связи по входу, а также дифференциальных входов, что позволяло при подключении по схеме, представленной на рис. 4, подавлять шумовой сигнал.

Рис. 4.

Схема подключения сенсора протонов отдачи к электронике съема.

Для оптимизации чувствительности детектора быстрых нейтронов измерялась зависимость числа зарегистрированных нейтронов от толщины конвертера в диапазоне от 100 до 2400 мкм, спектры набирались в течение 1000 с. Рабочее напряжение смещения было выбрано –24 В. Предварительные измерения показали, что форма получаемых спектров протонов отдачи, а также число регистрируемых событий практически не меняются при подаче обратного смещения более этой величины.

Полученные амплитудные спектры протонов отдачи для толщин СВМПЭ 100 и 960 мкм, а также спектр без конвертера представлены на рис. 5. Спектр без конвертера соответствует шумам измерительного тракта и регистрации γ-квантов от источника. Порог регистрации протонов отдачи при измерениях скорости счета был выбран 0.5 МэВ. Скорость счета протонов отдачи резко возрастала с увеличением толщины СВМПЭ и при толщине >700 мкм достигала максимума (7.8 событий/c), после чего плавно уменьшалась. Наблюдаемое снижение скорости счета связано с геометрией измерений, как показано в [7]. Максимальное отношение сигнал/γ-фон при оптимальной толщине конвертера было на уровне 40.

Рис. 5.

Энергетические спектры протонов отдачи, измеренные для различных толщин СВМПЭ-конвертера.

Эффективность регистрации быстрых нейтронов определялась аналогично работе [6], для чего строилась зависимость числа зарегистрированных протонов отдачи от обратного квадрата эффективного расстояния:

${{N}_{n}} = {{N}_{0}}\eta = \frac{{ASt}}{{4\pi R_{{{\text{э ф ф }}}}^{2}}}\eta ,$
где Nn – число зарегистрированных сенсором событий; N0 – число нейтронов, попадающих в детектор; A – активность источника; S – площадь детектора; t – время измерения; η – эффективность регистрации быстрых нейтронов детектором; Rэфф = R + Rист – эффективное расстояние от центра активной части источника до детектора (здесь R – расстояние от источника до детектора, Rист – добавочное расстояние – расстояние от основания цилиндра до активной части). Полученная зависимость представлена на рис. 6.

Рис. 6.

Зависимость числа зарегистрированных протонов отдачи от обратного квадрата эффективного расстояния.

Для толщины конвертера 960 мкм было получено значение эффективности регистрации быстрых нейтронов 1.22 ⋅ 10–3 импульсов/нейтрон. Зависимость эффективности регистрации для сборки 4 × 25 мм от толщины СВМПЭ-конвертера представлена на рис. 7.

Рис. 7.

Зависимость эффективности регистрации быстрых нейтронов от толщины СВМПЭ-конвертера.

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведено тестирование детекторов быстрых нейтронов на основе поверхностно-барьерных VPE GaAs-сенсоров с СВМПЭ-конвертером. Измеренная эффективность регистрации быстрых нейтронов от источника 241Am-Be составила 1.22 ⋅ 10–3 импульсов/нейтрон при толщине конвертера 960 мкм. Полученный результат находится на уровне лучших кремниевых детекторов с полиэтиленовым конвертером [12], однако диапазон эксплуатации представленного детектора значительно шире. Сочетание характеристик СВМПЭ и результаты проведенных температурных измерений спектральных характеристик сенсоров позволяют рассчитывать на возможность использования таких детекторов при температурах до 120°С.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках Государственного задания вузу № 3.2794.2017/4.6.

Список литературы

  1. Šagátová-Perd’ochová A., Dubecký F., Zaťko B., Chodák I., Ladzianský M., Nečas V. // Nucl. Instrum. and Methods in Physics Research. 2007. V. A576. P. 56. https://doi.org/doi 10.1016/j.nima.2007.01.120

  2. Zaťko B., Sedlačková K., Dubecký F., Boháček P., Sekáčová M., Nečas V. // Journal of Instrumentation. 2011. V. 6. P. C12047. https://doi.org/10.1088/1748-0221/6/12/ C12047

  3. Šagátová A., Zaťko B., Sedlačková K., Nečas V., Dubecký F., Boháček P., Chodák I. // Journal of Instrumentation. 2013. V. 8. P. C03016. https://doi.org/10.1088/1748-0221/ 8/03/C03016

  4. Šagátová A., Kubanda D., Zaťko B., Sedlačková K., Nečas V., Solar M., Granja C. // Journal of Instrumentation. 2016. V. 11. P. C12002. https://doi.org/10.1088/1748-0221/11/12/C12002

  5. McGregor D.S., Klann R.T., Gersch H.K., Yang Y.H. // Nucl. Instrum. and Methods in Physics Research. 2001. V. A466. P. 126.

  6. Chernykh A.V., Chernykh S.V., Didenko S.I., Koltsov G.I., Baryshnikov F.M., Britvich G.I., Kostin M.Yu., Chubenko A.P., Guly V.G., Sveshnikov Yu.N., Burtebayev N., Burtebayeva J.T. // Journal of Instrumentation. 2015. V. 10. P. C01021. https://doi.org/10.1088/1748-0221/10/01/ C01021

  7. Chernykh A.V., Chernykh S.V., Baryshnikov F.M., Didenko S.I., Burtebayev N., Britvich G.I., Kostin M.Yu., Chubenko A.P., Nassurlla Marzhan, Nassurlla Maulen, Kerimkulov Zh., Zholdybayev T., Glybin Yu.N., Sadykov T.Kh. // Journal of Instrumentation. 2016. V. 11. P. C12005. https://doi.org/doi 10.1088/1748-0221/11/12/C12005

  8. ISO 115421: 2001. Plastics. Ultra-high-molecular-weight polyethylene (PE-UHMW) moulding and extrusion materials. Part 1: Designation system and basis for specifications.

  9. Senatov F.S., Gorshenkov M.V., Tcherdyntsev V.V., Kaloshkin S.D., Sudarchikov V.A. // Composites: Part B. 2014. V. 56. P. 869. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2013.08. 083

  10. Senatov F.S., Baranov A.A., Muratov D.S., Gorshenkov M.V., Kaloshkin S.D., Tcherdyntsev V.V. // Journal of Alloys and Compounds. 2014. V. 615. P. S573. https://doi.org/10.1016/ j.jallcom.2013.12.175

  11. Кольцов Г.И., Диденко С.И., Черных А.В., Черных С.В., Чубенко А.П., Свешников Ю.Н. // Физика и техника полупроводников. 2012. Т. 46. Вып. 8. С. 1088.

  12. Greiffenberg D., Fiederle M., Vykydal Z., Král V., Jakůbek J., Holý T., Pospíšil S., Maneuski D., O’Shea V., Suk M., Králík M., Lebel C., Leroy C. // Nucl. Instrum. and Methods in Physics Research. 2009. V. A607. P. 38. https://doi.org/doi 10.1016/j.nima.2009.03.103

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Приборы и техника эксперимента

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал