Приборы и техника эксперимента, 2021, № 3, стр. 106-111

ВВЕДЕНИЕ

Решение многих проблем современной науки и техники и в первую очередь экспериментальной ядерной физики требует создания новых и усовершенствования уже существующих приборов для регистрации ядерных излучений. Из всех задач спектроскопии ядерного излучения наиболее актуальной является создание специализированных приборов для контроля облучения при работе с радиоактивными изотопами. При работе с радиоактивными изотопами и другими источниками ионизирующей радиации необходимо сведение уровня облучения человека к возможному минимуму. При этом требуются компактные и точные приборы, работающие как в счетном, так и спектрометрическом режимах. Такие приборы разрабатываются с учетом конкретных условий, предполагают оптимальные технологические решения.

Актуальность работы определяется необходимостью создания нового прибора для экспрессного измерения α-излучения (²³⁸U, ²³⁴U, ²³²Th, ²²⁶Ra, ²²²Rn, ²¹⁸Po, ²¹⁴Bi и т.д.) естественных изотопов в различных средах. Прибор должен быть компактным и безопасным. В настоящее время определение содержания α-излучения естественных изотопов в технологических средах и растворах подземного выщелачивания проводится главным образом с использованием титраторов (титриметрическим методом) или спектрофотометров (фотометрическим методом). Существующие приборы стационарны, т.е. устанавливаются в специально оснащенных лабораториях. Анализ проводится в лаборатории, куда пробы доставляются с технологических участков. При этом требуется специальная подготовка проб растворов, использование квалифицированного труда лаборантов.

Целью данной работы было создание измерительного комплекса регистрации α-излучения с использованием современных достижений в управлении, математической обработки и визуализации.

В данной работе приводится описание разработанного радиометра для экспрессного измерения α-излучения радиоактивных элементов на базе кремниевого детектора большого диаметра. Приводятся результаты разработки технологии изготовления, а также данные исследования электрофизических и радиометрических характеристик полупроводниковых поверхностно-барьерных и гетеропереходных Al–αGe–pSi–Au-детекторов больших размеров.

РАЗРАБОТКА ДЕТЕКТОРОВ

Разработка и оптимизация технологии изготовления, численные расчеты и компьютерное математическое моделирование кремниевых детекторов больших размеров изложены в работах [1–9].

Поверхностно-барьерные детекторы изготавливались из кремния n-типа, гетеропереходные Al–αGe–pSi–Au-детекторы – из кремния р-типа. Удельное сопротивление исходных пластин варьировалось в диапазоне 3–8 кОм·см, время жизни неосновных носителей составляло от 300 до 1000 мкс. Для создания гетероперехода методом вакуумного напыления при давлении 3 · 10^–5 Торр на пластины р-типа наносили аморфный αGe (300 Å) и контакты Al (300 Å) и Au (~200 Å). Для поверхностно-барьерных детекторов – контакты Al (300 Å) и Au (~200 Å).

Изготовленные детекторы имели следующие характеристики: диаметр 40–100 мм, толщина чувствительной области W = 0.3–0.5 мм при рабочем напряжении U_раб = 10–80 В, “темновой” ток I_обр = 0.5–2 мкА, емкость С = 1000–1750 пФ, энергетический эквивалент шума Е_ш = 40–52 кэВ, энергетическое разрешение R_α составляло 86 кэВ (рис. 1) при температуре Т = +27°С [3, 4].

Рис. 1.

Энергетическое разрешение детекторов.

Внешний вид полученных детекторов приведен на рис. 2.

Рис. 2.

Полупроводниковые детекторы большого размера: а – поверхностно-барьерные, б – гетеропереходные Al–αGe–pSi–Au.

На основе поверхностно-барьерных и гетеропереходных Al–αGe–pSi–Au-детекторов больших размеров в лаборатории ФТИ АН РУз разработан радиометр, обеспечивющий измерение содержания радона в воздухе, почве, воде и в различных материалах, а также позволяет проводить мониторинг в течение продолжительного времени. Принцип работы прибора основан на закачке исследуемого воздуха в измерительную камеру с последующим измерением его радиоактивности в течение регламентного времени, причем устройство настроено на селективное измерение продуктов распада радона в исследуемом воздухе (без использования осаждения на поглотители).

Электронная часть радиометра. Для реализации поставленной задачи был выбран метод регистрации α-излучения (радон) путем использования кремниевого детектора с большой площадью активной поверхности. В процессе создания радиометра было выполнено следующее: разработана геометрия рабочей камеры [8]; разработаны, рассчитаны и изготовлены элементы аналоговых узлов; разработаны, спроектированы и изготовлены элементы цифровых узлов; разработано программное обеспечение для микроконтроллера и для компьютера.

Структурная схема радиометра приведена на рис. 3. В его состав входят следующие функциональные элементы: рабочая камера c детектором (РК), узел усиления и селекции информации (УСИ) (аналоговая часть), микроконтроллерный узел МК (цифровая часть), узел вторичного электропитания (ВП), узел воздухозаборника (ВЗ), персональный компьютер с установленным программным обеспечением (ПК).

Рис. 3.

Блок-схема радиометра. РК – рабочая камера с детектором, УСИ – усиление и селекция информации, МК – микроконтроллер, ВП – вторичное электропитание, ВЗ – воздухозаборник, ПК – персональный компьютер.

Рабочая камера. Рабочая камера представляет собой пустотелый цилиндр, внутри которого в геометрическом центре, на подвесках укреплен кремниевый детектор с диаметром чувствительной области 60 мм, который чувствителен к регистрации α-частиц с двух сторон. На корпусе цилиндра также укреплены штуцеры для подключения к системе воздухозабора и разъем для подключения детектора к элементам питания и усиления.

Питание детектора обеспечивается напряжением 24–30 В через RC-цепи от вторичного преобразователя напряжения, расположенного в конструкции совместно с зарядочувствительным предусилителем.

Узел усиления и селекции информации. Узел усиления и селекции обеспечивает преобразование заряда, возникшего в объеме детектора от взаимодействия с регистрируемой α-частицей, в импульс напряжения и затем его усиление. Далее дискриминирующим узлом обеспечивается “обрезание” информации, представляющей собой шум.

Микроконтроллерный узел. Микроконтроллерный узел (рис. 4) обеспечивает полную автономную работу устройства регистрации.

Рис. 4.

Схема микроконтроллерного узла. Microcontroller – ATmega32; Display – Winstar1602; Sensor – DHT11 (датчик влажности и температуры); Linear Regulator – LM1117-5 (линейный стабилизатор напряжения); Real Time Clock – DS3231. T₁ – ВС549, Т₂ – IRF46; D₁, D₂ – 4148, светодиоды – 40106.

В качестве микроконтроллера выбрана микросхема ATmega32 c программируемой памятью (32 кбайт) на кристалле.

В соответствии с поставленной задачей была разработана обвязка микроконтроллера и разработано программное обеспечение, “зашитое” в управляющий микроконтроллер и которое обеспечивает варьируемое управление технологическим процессом измерения, а именно:

– выбор варианта работы устройства – ручной или автоматический (периодический);

– варьируемое управление регламентом работы воздухозаборника;

– варьируемое управление регламентом измерения;

– измерение погодных режимов работы – температуры и влажности;

– управление встроенными электронными часами реального времени и даты;

– обеспечение логической связи с компьютером по интерфейсу USB;

– управление состоянием встроенного накопителя информации.

Узел вторичного электропитания. Питание всего устройства обеспечивается от встроенной батареи аккумуляторов 18 650 с суммарным напряжением 12 В и емкостью 2600 мA/ч. Узел вторичного электропитания осуществляет преобразование этого напряжения в напряжения питания, необходимые для нормальной работы всех функциональных узлов: +30 В (для детектора), +5 В (для цифровых узлов микроконтроллерного узла), +8 В (для аналоговой части устройства).

В состав узла входит схема контроля и индикации состояния аккумулятора, а также элементы зарядного устройства для возможности зарядки от внешнего сетевого источника напряжения. Предусмотрена возможность электропитания от внешнего источника напряжения при работе в стационарных (лабораторных) условиях.

Узел воздухозаборника. Для осуществления операции нагнетания и последующего обновления анализируемого воздуха в качестве воздухозаборника был выбран вариант с использованием поршневой малогабаритной помпы. Питание воздухозаборника осуществляется от автономного комплекта аккумуляторов 18650 емкостью 2600 мA/ч.

Программное обеспечение компьютера. Для обработки, накопленной в устройстве информации, оно подключается к персональному компьютеру, на котором установлено разработанное в соответствии с техническим заданием прикладное программное обеспечение – программа ADL-V1.9-3.3 [9].

Изготовлены радиометр α-излучения и радонометр для измерений в воздухе, почве и воде (рис. 5).

Рис. 5.

Внешний вид: а – радиометра (альфаметра), б – радонометра (для измерений в воздухе, почве и воде).

Результаты проведенных нами исследований по определению активности в радийсодержащей естественной пробе на альфа-радиометре и радонометре приведены на рис. 6 и 7.

Рис. 6.

Естественная радиоактивность радийсодержащей пробы: а – объемная активность радона от времени и влажности Н; б – альфа-радиоактивность от влажности пробы.

Рис. 7.

Излучение радона из почвы (период 11.09.2019–20.03.2020): 1 – изменение интенсивности объемной активности радона во времени, 2 – изменение влажности во времени, 3 – изменение температуры во времени.

В таблице 1 дан протокол испытаний различных проб радонометром RR-4M.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Детекторы с большой чувствительной областью и рабочим объемом из кремния диаметром больше 50 мм и толщиной 0.3–0.5 мм в мировой практике используются редко из-за сложной технологии изготовления. Использование таких детекторов большого диаметра позволяет изготовить радиометр, измеряющий заряженные частицы indirect, т.е. измерять непосредственно в измеряемой ячейке. Данный метод позволяет избегать осаждения активного вещества различными методами на измерительные фильтры и соответственно упрощает подготовку пробы.

Таким образом, в результате исследования и проведения технологических работ нами разработана схема изготовления радиометра. Оптимизированы технологические режимы, исследованы электрофизические и радиометрические характеристики изготовленных кремниевых детекторов больших размеров. Проведены численные расчеты и компьютерное математическое моделирование получаемых истинных характеристик кремниевых детекторов. Разработанная компьютерная математическая модель позволила обобщить и обеспечить высокое качество получаемой информации в детекторах и в целом точности информаций о радиоактивностях.

На основе наших детекторов созданы радиометр α-излучения, электронная схема которого настроена на конкретную идентификацию продуктов распада ²³⁸U и радонометры.

Разработанные приборы работают как в комплекте с персональным компьютером с операционной системой Windows 7, 8, так и автономно.