книги из ГПНТБ / Прикладная спектрометрия с полупроводниковыми детекторами

тов в пробах, с которыми проводятся элементарные химиче­ ские манипуляции, доступные большинству лабораторий.

Использование спектрометрии заряженных частиц для опре­ деления параметров нейтронных потоков. Вопросу спектромет­ рии потоков нейтронов посвящена гл. 7. В данном разделе остановимся лишь на применении методов спектрометрии заря­ женных частиц для определения плотности потоков нейтронов.

В некоторых случаях кремниевые поверхностно-барьерные ППД удобны для измерения характеристик нейтронных полей из-за своих малых геометрических размеров, высокой стабиль­ ности, хорошего энергетического разрешения и малой чувстви­ тельности к (3- и у-излученню. Действительно, вследствие не­ большого порядкового номера {Z—14) кремний является прак­ тически комптон-рассеивателем для энергий у-квантов более 60 кэВ. При толщине чувствительной области ППД 50 мкм, до­ статочной для полного торможения а-частиц с энергией 9 МэВ,. созданные электроны будут терять в ней в среднем около 40 кэВ. Очевидно, при интенсивном у-фоне на разрешение ППД

10й нейтрон/см2) ограничивает использование ППД в блоках детектирования нейтронов, в особенности при внутриреакторных измерениях. Поэтому при разработке блоков детектирова­ ния для регистрации потоков нейтронов в активной зоне реак­ тора необходимо принимать меры, обеспечивающие работоспо­ собность ППД в течение требуемого времени эксплуатации. Наиболее простой и целесообразный способ удовлетворения этому требованию в таких блоках детектирования — это выне­ сение ППД из области интенсивных нейтронных потоков. Для получения информации о плотности нейтронного потока реги­ стрируется вторичное излучение мишени-конвертора, например,.

150

из делящегося под действием нейтронов вещества [89—91]. При этом для снижения энергетических потерь вторичного излуче­ ния (осколков деления) ППД и мишень-конвертор помещают в вакуумированную трубу (ме­ тод длинной трубы) [86—88] (рис. 3.10).

никающих при конкурирующих реакциях [протоны и тритоны из реакции D (d, р)Т].

В этой связи исследовали возможности определения выхода нейтронов из реакций (D, D) и (D, Т) в мишенях промышлен­ ного изготовления с помощью кремниевых поверхностно-барь­

151

ерных и диффузионно-дрейфовых ППД по числу 3Не, протонов иа-частнц [92—95].

Выход нейтронов, образующихся при реакциях (D, D) и (D, Т) в толстых мишенях промышленного изготовления, опре­ деляли по методике, описанной в работе [96]. Результаты вы­ числений погрешностей определения выхода нейтронов из обеих реакций приведены в табл. 3.6.

Из приведенных в работе [96] данных следует, что измерение выхода нейтронов пз реакции (D, D) в толстых мишенях с высокой точностью возможно только с помощью й£/^л:-счетчн- ков. В настоящее время имеются технические предпосылки для таких измерений с помощью кремниевых dEjdx-UUJX для за­ ряженных частиц с энергией несколько сотен килоэлектрон­ вольт.

Специализированные ППД, используемые в спектрометрии заряженных частиц. Разнообразие задач, решаемых методами спектрометрии заряженных частиц, потребовало создания де­ текторов, удовлетворяющих различным требованиям физиче­ ского эксперимента. В этом разделе будут рассмотрены неко­ торые типы ППД, которые успешно применяются при решении узкого круга задач прикладной спектрометрии тяжелых заря­ женных частиц.

Первые исследования, проведенные с помощью ППД, вы­ явили влияние толщины мертвого слоя на нижний энергетиче­ ский порог регистрируемых заряженных частиц [97, 98]. В связи с этим были предприняты широкие исследования по определе­ нию технологических возможностей уменьшения толщины мерт­ вого слоя ППД. Одно из направлений этих исследований при­ вело к появлению детекторов ускоренных ионов, способных осу­ ществлять спектрометрию ионов со средним зарядом в энерге­ тическом диапазоне от единиц до сотен килоэлектронвольт.

152

Детекторы указанного типа, как правило, изготавливают по стандартной поверхностно-барьерной технологии, с той . лишь разницей, что принимаются меры по тщательной подготовке поверхности входного окна и индивидуальному контролю напы­ ляемого на ППД золота так, чтобы его количество не превы­ шало нескольких мпкрограммов на квадратный сантиметр [99]. Второе направление получения таких ППД использует технику имплантации ионов для создания как самого электронно-дыроч­ ного перехода, так и контактов ППД [100— 109].

Для регистрации длипнопробежных заряженных частиц, у которых пробег в кремнии превышает 10 мм, используют «ядерпые телескопы» [ПО— 115]. Они представляют собой набор детекторов, у которых вся толщина полупроводникового мате­ риала представляет собой обедненную область (чувствительную к ионизирующему излучению). В этом случае энерговыделение от ионизирующей длиннопробежпой частицы происходит не в одном детекторе, а в нескольких. Поэтому информация о пол­ ной энергии регистрируемой частицы получается при суммиро­ вании сигналов, снимаемых с отдельных детекторов. Единст­ венное требование к детекторам, собираемым в «ядерный теле­ скоп», состоит в том, что для обеспечения высокой энергетиче­ ской линейности отдельные детекторы должны иметь одинако­ вые значения эффективности собирания заряда. Ядерный теле­ скоп можно использовать и как пороговый спектрометрический детектор. В этом случае логическая система амплитудно-вре­ менной селекции должна осуществлять анализ сигналов с от­ дельных детекторов и отбирать для регистрации события толь­ ко те сигналы, которые связаны с регистрацией частицы в од­ ном детекторе н с отсутствием сигнала в соседнем детекторе.

Другая возможность регистрации длипнопробежных ча­ стиц— применение кремниевых детекторов с поперечным полем [15, 116], о которых упоминалось выше. Наряду с хорошими спектрометрическими свойствами детекторы с поперечным по­ лем обладают высокими временными свойствами.

Для спектрометрии длипнопробежных заряженных частиц можно использовать также материал с более высокой тормоз­ ной способностью, чем кремний. В работах [111, 117, 118] сооб­ щается об использовании германиевых ППД для спектрометрии длипнопробежных тяжелых заряженных частиц.

ления места регистрации заряженной частицы не только в од­ ном, но и в двух измерениях, преимущественно при исследова­ ниях угловых распределений и пространственных корреляций.

.Линейные размеры «ядерных триодов» колеблются в пределах от единиц до нескольких десятков миллиметров. Погрешность определения локализации частицы у таких ППД составляет

153

доли миллиметра, а энергетическое разрешение не превышает

50кэВ для а-частиц с энергией около 5 МэВ.

Отечественная промышленность и некоторые зарубежные-

фирмы освоили производство кремниевых пролетных ППД для измерения удельных потерь энергии. Толщина чувствительной' области этих детекторов лежит в пределах 10—200 мкм, энер­ гетическое разрешение для а-частнц с энергией около 5 МэВсоставляет 30— 100 кэВ.

В связи со спросом на компактные детекторы для измере­ ния рассеяния заряженных частиц па угол более 150° ряд зару­ бежных фирм освоил производство так называемых «круговых» или кольцевых ППД. Первичный поток заряженных частиц на­ правляется через отверстие в центре такого ППД, а рассеян­ ные от исследуемой поверхности заряженные частицы регист­ рируются ППД при «оптимальной» геометрии. Такие ППД. нашли широкое применение в плотномерах, а также в ускори­ тельной технике [125].

Некоторые фирмы (например, «Кевекс», «Ортек», «Айоц Физике»— США, «Филипс»— Голландия, «АБ Атомэнерги» — Швеция) рекламируют «линейчатые» ППД, которые предна­ значены для использования в масс-епектрометрин и в ускори­ тельной технике. С помощью специальной технологии изготов­ ления на заготовке для ППД формируются линейчатые детек­ торы с размерами чувствительной поверхности 1X20 мм и с расстояниями между ними 0,1—0,5 мм [126].

Один из недостатков ППД — сравнительно малая площадь чувствительной поверхности, определяемая диаметром (габа­ ритными размерами) слитка исходного полупроводникового! материала.

Для преодоления этого недостатка в СССР и за рубежом освоено промышленное производство мозаичных ППД, у кото­ рых в одном корпусе размещено несколько ППД (от 4 до 16.}

сменьшими размерами чувствительной поверхности.

Взаключение рассмотрим один из специфических типов ППД, который обладает не очень высокими спектрометриче­ скими характеристиками, но представляет тем не менее боль­ шой интерес. Это так называемый детектор иммерсионного типа

растворе a-излучение. Интересно заметить, что у детектора от­ сутствует в явном виде электрический контакт с входным ок­ ном, поскольку среда, в которой работает детектор, является токопроводящей. В связи с тем что регистрация а-частпц идет из практически бесконечно толстого слоя, аппаратурные спек­ тры сс-излучепия значительно деформированы. У таких детекто­ ров имеются некоторые особенности при эксплуатации, связан­ ные с сорбцией и электролитическим осаждением материалов на чувствительную поверхность ППД. Авторы указывают, что

154

очищение (десорбцию) можно осуществить переменной поляр­ ности напряжения смещения ППД.

В последнее время в технике физического эксперимента все большее применение находят комбинированные спектрометриче­ ские системы, позволяющие проводить спектрометрию заря­ женных частиц с одновременной их идентификацией или отбо­ ром. Эти системы основаны на определении удельных потерь регистрируемой частицы dEjdx и ее энергии Е. Отбор необхо­ димого типа частиц осуществляется по произведению E-dEjdx, которое пропорционально mZ2, где т — масса частицы, a Z — ее заряд [130]. В качестве детекторов для измерения Е исполь­ зуют поверхностно-барьерные, диффузионные или диффузион- л-ю-дрейфовые ППД. Для определения удельных потерь исполь­ зуют тонкие детекторы (толщиной 10— 15 мкм) специального ■изготовления. Детектор сделан таким образом, что его чувстви­ тельная область простирается на всю толщину полупроводни­

ность применения ППД в жестких условиях эксплуатации (по­

•использованием детектора из этого материала диаметром 2 мм было получено энергетическое разрешение 24,5 кэВ при спек­ трометрии а-частиц, испускаемых 24|Аш. В работах сооб­ щается, что детекторы устойчиво работают в широком диапазо­ не температур, что связано с довольно большой шириной пер­

Такие детекторы нашли широкое применение при внутрпреак-

p. 279.

4.Pehl R. H. e. a. — «IEEE Trans. Nucl. Sci.», 1966, v. NS-13, No. 3, p.274.

155

9.Акимов Ю. К. и др. Полупроводниковые детекторы ядериых частиц и их применение. М., Атомпздат, 1967.

12.Ерыхайлов Ю. В. и др. В ки.: Ядерное приборостроение. Труды Союз, науч.-псслед. ии-та приборостроения. Вып. 12. М., Атомпздат, 1970.

17.Drain D. e. a. Ibid., p. 107.

18.Захарчук О. В. и др .— В км.: Ядериое приборостроение. Труды. Союз,

p. 43.

21.Антипов A. M. и др.— В ки.: Электронная техника. Сер. 2. Полупровод­ никовые приборы. 1968, вып. 4. с. 32.

22. Madden Т. С., Gibson W. Н.— «Rev. Sci. Instrum.», 1963, v. 34. No. 1,

p. 50.

23.Акимов T. И. и др. Выращивание оксидных пленок на р—i—/г-переходах кремниевых детекторов в борной кислоте. Дубна, 1971. Сообщ. ОПЯИ, Лаб. ядериых проблем. 13—5834.

24.Крацикова И. и др. Стабилизация электрофизических параметров крем­

29.Брыкина Л. С. и др. — В кн.: Труды Союз, науч.-псслед. нн-та приборо­ строения. Вып. 5. М., Атомпздат, 196/.

31.Детекторы ионизирующих излучений полупроводниковые. Методы изме­ рения параметров. ГОСТ 17619—72.

32. Stein J. D., White F. R.— IEEE Trans. Nucl. Sci., 1970, v. NS-17, No. 4,

p.37.

33.Walker W. W. e. a. Report ORNL-3778 (1964).

156

44.Матвеев В. В. м др.— В км.: Труды Союз, науч.-нсслсд. im-та приборо­ строения. Вып. 4. М., Атоммздат, 1967, с. 3.

50.Dearnaley G., Northrop D. С. Semiconductor Counters for Nuclear Radia­ tions, 2nd Edition, 1966. Wiley.

59.Сегре Э. Экспериментальная ядерная физика. Пер. с англ. М., Изд-во- нностр. лит., 1955.

77.Брыкина Jl. С. и др. — В кн.: Труды Союзн. науч.-исслед. нн-та прибо­ ростроения. Вып. 4. М., Атомиздат, 1967, с. 25.

157-

83.Салменкова H. А. и др.— В кн.: Труды Союз, науч.-псслед. пп-та прибо­ ростроения. Вып. 4. М., Атомиздат, 1967, с. 19.

84.Готтих Р. П. н др. Труды ВНИИЯГГ. Вып. 4. М., «Недра», 1968.

p. 204.

92.Депра Ж. — В кн.: Геофизические методы разведки и аппаратура. Сбор­ ник переводов № 40. М., «Недра», 1964, с. 47.

93.Schmitt Н. W. е. a. Report ORNL-P-1089, 1965.

121.Кушнирук В. Ф., Никитина Р. А. Поверхностно-барьерный детектор для определения координаты и энергии частицы. Препринт ОИЯИ, 13—4612, Дубна, 1969.

J58