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 3, начало этапа 01.07.2015 г., окончание этапа 31.12.2015 г.). 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 третьем этапе Соглашения о предоставлении субсидии выполнены следующие работы: 1) Разработана методика измерения подвижности носителей заряда в изготовленных монокристаллических алмазных пластинах время-пролётным методом. Методика основана на измерении времени прохождения носителей заряда через образец под действием внешнего электрического поля. Генерация носителей заряда происходит при взаимодействии α-частицы с материалом образца. 2) Проведены исследования электрофизических характеристик экспериментальных образцов алмазных детекторов для избирательной регистрации нейтральных частиц и ионов. Тестирование алмазного детектора проводилось в пучках протонов (от 100 до 350 кэВ), дейтонов (от 110 до 350 кэВ) и альфа-частиц (от 80 до 600 кэВ). Детектор стабильно регистрирует протоны с энергией от 150 кэВ, дейтоны от 160 кэВ и альфачастицы – от 180 кэВ. 3) Проведено исследование электрофизических характеристик изготовленных на основе алмазной (p-i)-структуры фотовольтаических преобразователей ионизирующего излучения в электричество со сплошным и полупрозрачными контактами. Продемонстрирована способность работы преобразователя. Показано, что применение полупрозрачных контактов вместо сплошных в случае УФ-излучения позволяет увеличить КПД в 5 раз. В сравнении с кремниевым преобразователем, в 4) 5) 6) 7) 8) 9) алмазном преобразователе может быть достигнуто в несколько раз большее рабочее напряжение. Фотовольтаический сдвиг напряжения для альфа-, рентгеновского- и УФ-излучений составил 0.9 В, 1.3 В, 1.5 В, соответственно. Эффективность преобразования по оценкам для альфа-излучения ≈ 3,4%, рентгеновского излучения ≈8.2%, УФ-излучения ≈ 10%, причем КПД преобразователя на основе алмаза может быть сравнимо с КПД ФЭП на основе кремния. Создан экспериментальный стенд для отработки технологии нанесения контактов на основе тугоплавких металлов на кристалл. В СВЧ плазме на монокристаллических алмазных подложках HPHT p-типа выращены образцы эпитаксиальных гетероструктур алмаза толщиной от 10 до 15 мкм на основе которых изготовлены два образца тонкопленочных детекторов. Созданы экспериментальные образцы массивов заглубленных графитовых электродов в синтетическом алмазе. На основании сравнения матриц заглубленных графитовых электродов с различными параметрами, созданных в ходе экспериментов было обнаружено, что все зафиксированные макротрещины ориентированы вертикально и проходили, в основном, лишь через некоторые, вертикальные ряды электродов в пределах одной матрицы. В ходе работы не удалось установить четкой корреляции между параметрами матрицы (периодом матрицы, формой ячейки и последовательностью формирования матрицы) и возникновением макротрещин. Единственной очевидной тенденцией являлось отсутствие макротрещин, если расстояние между электродами по вертикали становилось достаточно большим (например, > 300 мкм). Изготовлен экспериментальный образец высокочистой алмазной монокристальной пластины с оптимизированным массивом заглубленных электродов с оптимизированной геометрией в пластине монокристаллического CVD алмаз размером 4×4×0,5 мм. Элементарная ячейка массива - треугольная, расстояние между любыми двумя ближайшими электродами равно 150 мкм, электроды соединены графитизированными дорожками. Площадь поверхности, занимаемой массивом составила 2,34 × 3,0 мм2. Анализ структуры облученной лазером поверхности методом спектроскопии КР подтвердил, что она соответствует разупорядоченному графитоподобному углероду. Разработаны методы расчета и алгоритмы обработки сигналов алмазного детектора. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования показали, что для алмазного детектора гамма-излучения влиянием нейтронов с энергией до 10 МэВ можно пренебречь. Алгоритм обработки сигналов алмазного детектора предполагает, что непосредственно измеряемой величиной является сила тока, а косвенно измеряемой величиной – мощность дозы гамма-излучения. Связь силы тока с мощностью поглощенной дозы гамма-излучения устанавливается на этапе калибровке в аттестованном поле ионизирующего излучения. Проведена доработка конструкции установки химического газофазного осаждения в СВЧ-плазме для получения монокристаллов высокой чистоты: разработана новая конструкция подложкодержателя, перемещающегося в процессе синтеза. Проведенная модернизация позволит получать в стабильном режиме монокристаллические слои алмаза высокой чистоты толщиной до 1 мм и более. 10) Проведена закупка оборудования для проведения испытаний алмазного материала и выбор основных параметров контроля алмазного материала: содержание азота, бора и кристаллического качества. Работы данного этапа выполнены полностью в соответствии с планом-графиком и Техническим заданием. 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 третьем 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; -детекторов гамма-излучения для выявления аварийных ситуаций на радиационноопасных объектах; -преобразователей ионизирующего излучения в электричество. Материалы 3 этапа опубликованы в работах: 1.N.B. Rodionov, V.N. Amosov, S.A. Meshchaninov, R.N.Rodionov, A.F. Pal and A.G. Trapeznikov, Convertor of Ionizing Radiation into Electric Power Based on the Synthetic Diamond, International Journal of Circuits, Systems and Signal Processing, V.9, p.p 435-439, 2015 2.Н.Б. Родионов, В.Н. Амосов, С.А. Мещанинов, В.П. Родионова, А.Ф Паль, А.Г. Трапезников, Фотоэлектрический преобразователь на основе алмаза, ПТЭ, 2015, принята в печать. 3.G. Conte, P.Allegrini, M.Pacilli, S.Salvatori, T.Kononenko, A.Bolshakov, V. Ralchenko, V.Konov,Three-dimensionalgraphiteelectrodesinCVDsinglecrystaldiamond detectors: Charge collection dependence on impinging β-particles geometry Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, A799, p.10–16, 2015