Разработка базовых функциональных структур для детекторного модуля ионизирующих излучений

• Автор: Кацоев, Леонид Витальевич
• Шифр специальности: 01.04.10
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 124 с. : ил.

Содержание диссертации.

ГЛАВА I. Введение

1.1. Состояние проблемы. Актуальность проблемы

1.2. Предлагаемые подходы к решению проблемы. Цели и задачи

1.3. Краткая характеристика работы

ГЛАВА 11. Разработка материала для собственно детекторов на основе ваАз: спектрометрические исследования ГЭЦ в исходном и обработанном иттербием полуизолируютцем арсеннде галлия; изучение характеристик взаимодействия а-частиц с твердотельными детекторами на основе иолуизолирующего арсеиида галлия
2.1. Спектрометрические исследования глубоких энергетических центров в исходном и обработанном иттербием полуизолируютцем арсениде галлия
2.2. Спектрометрические характеристики взаимодействия а-частиц с твердотельными детекторами на основе полуизолирующего арсенида галлия
2.3. Физико-математическая модель процессов взаимодействия тяжелых заряженных частиц с материалом приемной области полупроводникового детектора, учитывающая генерационно-рекомбинационные процессы в БІ-ваЛя
ГЛАВА III. Теоретический анализ процессов потерь энергии, сопровождающих детектирование высокоэнергетических электронов твердотельными детекторами на основе арсенида галлия

3.1. Частицы больших энергий и характер их взаимодействия

3.2. Прохождение (3-лучей через вещество
3.3. Прохождение у-излучения через вещество
3.4. Исследование механизма транспорта неравновесных носителей при прохождении высокоэнергетических электронов через твердую среду
Глава IV. Экспериментальные исследования вторичной эмиссии электронов умножителями на основе микроструктурпрованных алмазных пленок
4.1. Базовые процессы технологического маршрута изготовления мембран на основе микроструктуурированных алмазных пленок
4.2. Исследование вторичной электронной эмиссии в алмазных пленках
Глава V. Анализ конструкции детекторного модуля,в составе замедлителя на основе вольфрама, умножителя потока электронов на основе микроструктурпрованных алмазных пленок и собственно детектор на основе БІ-ваЛя
4.1. Архитектура и назначение базовых функциональных структур детекторного модуля
4.2. Интеграция умножителя потока электронов и собственно детектора в одном кристалле
4.3. Пример реализации детекторного модуля для конкретного случая
Заключение. Основные результаты и выводы
Список литературы

ГЛАВА I. Введение.
1.1. Состояние проблемы. Актуальность проблемы.
Любопытство является основным мотивом, движущим ученого к новым открытиям и приближающим его к пониманию природы. Прогресс достигается путем тщательной формулировки вопросов к природе. Ответы на эти вопросы ищутся с помощью экспериментов, в которых используются самые разнообразные регистрирующие приборы. Наиболее доступными из них являются органы человеческих чувств, однако для ответа на современные вопросы эти естественные «средства» регистрации либо не обладают достаточной чувствительностью, либо их диапазон слишком ограничен. Это становится очевидным, если, например, проанализировать возможности человеческого глаза. Для зрительного восприятия света глазу требуется около 20 фотонов. В то же время фотоумножитель способен «видеть» один-единственный фотон. Динамический диапазон человеческого глаза составляет половину частотного разряда (длина волн от 400 до 800 нм), в то время как спектр электромагнитных волн от бытового тока радиоволн, микроволн, инфракрасного излучения, видимого света, ультрафиолетового, рентгеновского и гамма-излучения покрывает 23 разряда!
Таким образом, для получения ответов на множество вопросов возникла необходимость в разработке точных измерительных приборов, позволяющих получать объективные результаты в широком динамическом диапазоне амплитуд и частот. С их помощью человеку удалось не только обострить свои «чувства», но и «разработать» новые.
Ускоренное развитие различных технологий, замечаемое нами по их внедрению в производство и быт, основано, прежде всего, на достижениях в области фундаментальных исследований, углубляющих наши представления о свойствах материи. Ведущая роль здесь принадлежит исследованиям в области физики элементарных частиц и ядерной физики. Впечатляющими открытиями последних лет в этих областях мы обязаны в основном исследованиям на крупнейших ускорителях элементарных частиц [1-5]. Чем больше энергия ускоренных частиц, тем на более глубоком энергетическом уровне и нанометровом масштабе мы можем проводить исследования, поскольку длина волны частицы уменьшается с ростом энергии. Это особенно может быть востребовано при диагностировании наноструктур, где по причине атомных размеров изучаемых объектов неприменимы традиоцианные методы исследования. Но вместе с тем, чем больше энергия, тем более сложными и масштабными

должны быть не только сами ускорители, но и экспериментальные установки - детекторы элементарных частиц.
Успехи в области экспериментальной физики всегда непосредственно тесно связаны с совершенствованием методов измерений. Для исследования микромира и структуры вселенной необходимо уметь регистрировать энергии в диапазоне от долей МэВ (фоновое излучение космических микроволн) до ~Ю20 эВ (космическое излучение высоких энергий). При упомянутых исследованиях физики используют ускорители частиц и приборы для регистрации продуктов столкновения элементарных частиц. Этими продуктами могут быть как массивные частицы, так и кванты электромагнитного излучения.
Физика высоких энергий встречает XXI век реализацией гигантского проекта Большого Адронного Коллайдера (LHC). Этот уникальный, не имеющий равных по масштабам и сложности, научный проект направлен на решение краеугольных проблем современной субъядерной физики. В настоящее время LIIC уже оборудован детекторами для начального периода работы. Эти детекторы представляют собой гигантские комплексные установки. Каждый из них представляет собой комплекс различных типов детекторов [6]. В целом можно сказать, что большие детекторы крупнейших ускорителей мира включают все наиболее прогрессивное, что существует в методах регистрации элементарных частиц, их идентификации, измерении массы, энергии, импульса и других параметров.
Важно отмстить, что детекторы элементарных частиц широко используется не только при исследовании свойств самих элементарных частиц, но и в различных областях промышленности, науки и социальной сферы [7]. Например, сцинтилляторы - для нейтронного каротажа в нефтяной промышленности, пропорциональные счетчики — для рентгенофлуоресцентного анализа в горнодобывающей промышленности, где также используется сцинтилляционные и полупроводниковые детекторы при проведении нейтронноактивационного анализа. Техника изготовления зеркал, разработанная для сбора черенковского света, используется в энергетических установках да я концентрации солнечного света. Изобретение многопроволочных пропорциональных камер и дрейфовых камер позволило значительно уменьшить радиационную дозу, получаемую пациентами при медицинской диагностике. В медицине, и в особенности в ядерной медицине, визуализирующие устройства обычно используются в том случае, если нужно определить геометрические размеры и функциональные характеристики внугренних органов, например, путем регистрации у-излучения от контрастных веществ (радионуклидов), введенных в организм человека. В геофизике возможен поиск минералов с помощью естественной и наведенной у-

веществе электронно-дырочных пар. Это справедливо и для у-квантов рентгеновского диапазона, в силу значительности коэффициента преобразования энергии у - квантов в неравновесные электронно-дырочные пары.
Обращаясь к сравнительному анализу указанных процессов взаимодействия высокоэнергетических частиц с твердотельной матрицей, акцентируем внимание на следующих экспериментальных фактах:
- эффективность ионизации в арсениде галлия более чем в 1,5 раза превышает эффективность ионизации в кремнии;
- для коэффициента поглощения энергии у-квангов рентгеновского диапазона веществом справедливо соотношение: у я*с-7'1Х3 (А.-длина волны, Ъ - зарядовое число элемента матрицы,
с - скорость света), а для коэффициента рассеяния о и — -, (т - масса атомов элемента
3 тс
матрицы);
- по стойкости к дозовым радиационным нагрузкам схемы на ваАя существенно превосходят кремниевые;
- верхняя граница значения критической мощности ваАя ИС существенно превышает аналогичный параметр кремниевых ИС;
- для микрочастиц коэффициент поглощения пропорционален зарядовому числу, а многочисленные эксперименты показывают, что количество пар неравновесных носителей, возникающих в твердом теле, пропорционально отношению энергии частицы к средней энергии образования пары (последние практически идентичны для кремния и арсенида галлия).
Как следует из вышеизложенного, в указанном энергетическом диапазоне эффективность преобразования энергии у-квантов в неравновесные электронно-дырочные пары на единицу толщины слоя для арсенида галлия ожидается выше, чем у кремния, в меру

отношения / ПаА‘ ]4, а для микрочастиц в [ —Л5 ] раз, где Х.ц, ~ 14, а ~ 32. Так как

подавляющее число 5-электронов имеет энергии, достаточные для генерации у-квантов рентгеновского диапазона, и сечение этого процесса достаточно велико, то следует ожидать параллельную реализацию следующей цепочки событий: микрочастицы —» у-кванты —э неравновесные электронно-дырочные пары. Значит, и для микрочастиц с большой вероятностью