Разработка детекторов для избирательной регистрации ядерных излучений и фотовольтаических преобразователей на основе синтетического алмаза Работа проведена в 2015 г. в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 – 2020 г.г.» Соглашение о предоставлении субсидии №: 14.579.21.0030 2014г. (Этап 2). Научный руководитель проекта: Директор НОЦ «ЦАРСНИ», доктор физ.-мат. наук, Родионов Николай Борисович Соисполнители: Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук, 2015 г. Научно-исследовательский ядерный университет «МИФИ», 2015 г. 1. Цель прикладного научного исследования и экспериментальной разработки: 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. 2. Разработка методов эпитаксиального осаждения тугоплавких металлов на алмазную подложку для создания детекторов, способных работать в экстремальных условиях. 3. Разработка методов формирования заглубленных графитовых электродов в синтетическом алмазе для создания на их основе «трехмерных» детекторов ядерных излучений с повышенной эффективностью. 2. Основные результаты ПНИР На отчетном этапе в соответствии с «Планом-графиком исполнения обязательств» по Соглашению выполнены теоретические и экспериментальные работы, перечисленные ниже. Разработаны технические решения по размещению и ориентации массива электродов в объеме алмаза для создания трехмерной системы контактов детектора. Разработана методика и отработаны процессы формирования графитовых каналов в алмазе под действием ультракоротких лазерных импульсов. Найдены оптимальные режимы работы лазера для получения оптимальной формы канала. Отработаны процессы формирования массивов заглубленных в алмаз электродов для изготовления детекторов; Проведена работа по оптимизации условий роста для улучшения кристалличности алмазных пленок, осаждаемых на подложку из НРНТ алмаза и получению CVD-пленок высокой чистоты для создания алмазных гетероструктур и фотовольтаических преобразователей. Разработаны ЭКД на: -макет фотовольтаического преобразователя на основе алмазной гетероструктуры; -стенд для измерения подвижности носителей заряда по времяпролетному принципу; - экспериментальный образец тонкопленочного детектора. Изготовлены: - отдельные блоки для экспериментального стенда по нанесению тугоплавких металлов на кристалл; - стенд для измерений подвижности носителей заряда; - экспериментальные образцы монокристаллов и эпитаксиальных гетероструктур алмаза, синтезированные в СВЧ плазме; - экспериментальные образцы тонкопленочных детекторов в количестве 2 шт; -макеты фотовольтаических преобразователей в количестве 2 шт. Проведено математическое моделирование работы детекторов, фотовольтаических преобразователей и детекторов с заглубленными электродами. Разработана программа и методики измерения электрофизических характеристик экспериментальных образцов алмазных детекторов и фотовольтаических преобразователей. Проведена калибровка каналов регистрации нейтронного излучения на основе камер деления и гамма-излучения на основе алмазных детекторов. Разработаны требования к алмазным детекторам потенциальных потребителей, на основе которых разработан проект ТЗ на детектор от потребителей. Проведены дополнительные патентные исследования по технологии газофазного осаждения монокристаллических алмазных слоев и разработке способа фотовольтаического преобразования ионизирующих излучений в электричество. Работы, выполненные за счет внебюджетных средств: -проведена калибровка каналов регистрации нейтронного излучения на основе камер деления и гамма-излучения на основе алмазных детекторов, предназначенных для измерения выгорания ядерного топлива уран-графитовых реакторов типа РБМК-1000; -разработаны требования потенциальных потребителей к алмазным детекторам для регистрации нейтронного и гамма излучений с целью выявить потенциальных потребителей и использовать результаты проекта для создания приборов регистрации ионизирующих излучений; Полученные результаты полностью соответствуют техническим требованиям к выполняемому проекту. 3. Работы направлены на создание новых синтетических алмазных материалов электронного качества и гетероструктур, на их основе, с целью существенного повышения характеристик алмазных детекторов ионизирующих излучений и фотопреобразователей. 4. Область применения результатов ПНИР Детекторы и дозиметры ионизирующих излучений различных типов для применений в областях: ядерная энергетика, термоядерные исследования, медицина, экология, космические исследования; Модули и компоненты алмазной наноэлектроники: высокотемпературные диоды и транзисторы, элементы и модули мощной радиационно-стойкой электроники и силовой электроники; Компактные автономные источники длительного использования на основе фотопреобразователей ионизирующих излучений в электричество. 5. Оценка перспектив продолжения работ по проекту. Результаты, полученные на втором этапе выполнения Соглашения, дают основание полагать, что продолжение работы позволит выполнить все поставленные задачи и результаты ПНИР найдут применение в разработке и создании: -детекторов ионизирующих излучений для термоядерных исследований; - широкодиапазонных блоков детектирования, предназначенных для выявления аварийных ситуаций на радиационно-опасных объектах, в том числе атомных станциях, и контроля за ходом их развития или ликвидации путем измерения мощности поглощенной в воздухе дозы фотонного излучения, как в условиях нормальной эксплуатации, так и при авариях всех типов; - блоков детектирования в составе измерительных каналов автоматизированных систем радиационного контроля на объектах с ядерными энергетическими установками и на объектах, связанных с получением, переработкой и использованием радиоактивных материалов; -детекторов гамма-излучения для измерения выгорания ядерного топлива уранграфитовых реакторов АМБ-100, АМБ-200 и РБМК-1000; - малогабаритной, обладающей большим ресурсом работы, аппаратуры он-лайн мониторинга для регистрации космического излучения в широком диапазоне потоков и энергий заряженных частиц космических лучей.