Детекторы ионизирующего излучения на основе нейтроно-легированного кремния Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

Computational nanotechnology

4-2016

ISSN 2313-223X

3.2. ДЕТЕКТОРЫ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ НЕЙТРОНО-ЛЕГИРОВАННОГО КРЕМНИЯ

Муминов Рамизулла Абдуллаевич, д-р физ.-мат. наук, академик, Физико-технический институт НПО «Физика-Солнце» АН РУз

Раджапов Сали Аширович, д-р физ.-мат. наук, Физико-технический институт НПО «Физика-Солнце» АН РУз

Раджапов Бегжан Солиевич, аспирант, Физико-технический институт НПО «Физика-Солнце» АН РУз, e-mail: [email protected]

Рахимов Рустам Хакимович, д-р тех. наук, зав. лабораторией №1. Институт Материаловедения. Научно-производственное объединение «Физика-Солнце» Академии наук Республики Узбекистан, e-mail: rustam-shsul@yandex. com

Аннотация: В статье рассмотрены особенности разработки детекторов ионизирующего излучения с рабочей площадью S>30 мм2 и толщиной W>0,2 мм на основе монокристаллов компенсированного нейтронным легированием кремния. Показаны особенности электрофизических и спектрометрических характеристик.

Ключевые слова: монокристаллический кремний, нейтронно-легированный кремний, «входные» и «выходные» окна детектора, деградация, энергетическое разрешение.

3.2. THE IONIZING RADIATION DETECTORS BASED ON NEUTRON-

DOPED SILICON

Muminov Ramizulla Abdullaevich, doctor of sciences, academic, Physical-technical Institute, SPA «Physics-Sun», Academy of Sciences of the Republic of Uzbekistan

Radzhapov Sаli Ashirovich, doctor of sciences, Physical-technical Institute, SPA «Physics-Sun», Academy of Sciences of the Republic of Uzbekistan

Radzhapov Begjan Sаlievich, PhD student, Physical-technical Institute, SPA «Physics-Sun», Academy of Sciences of the Republic of Uzbekistan, e-mail: [email protected]

Rakhimov Rustam Khakimovich, Dr. of sciences, head of laboratory №1. Institute of materials science, «Physics-sun». Uzbekistan Academy of sciences, e-mail: [email protected]

Abstract: the article considers features of development of detectors of ionizi-roumega radiation with the working area S>30 mm2 and a thickness of W>0.2 mm, based on single crystals of compensated neutron doping of silicon. Peculiarities of elec-trophysical and spectral characteristics.

Index terms: monocrystalline silicon, neutron-doped silicon, «input» and «output» window of the detector degradation, energy times-the decision.

Использование нейтронно-легированных компенсированных полупроводниковых материалов для создания детекторов ионизирующих излучений больших объемов является актуальной и перспективной задачей, благодаря их радиационной устойчивости и слабой деградации.

В настоящем сообщении описывается технология изготовления кремниевых детекторов на основе нейтронно-легированного кремния (НЛК) с толщиной от 0,3 мм до 1,5 мм и диаметром кремниевой шайбы от 3 мм до 10 мм.

В качестве исходного кремния для НЛК использовались монокристаллический кремний р-типа (р = 2-5 кОм.см) с высоким временем жизни неосновных носителей заряда, выращенных методом зонной плавки. Монокристаллические кремниевые шайбы до и после механической и химической обработки промываются 2-3 раза в дистиллированной воде, кипятится в толуоле, а затем в дистиллированной воде.

Подготовленные шайбы помещают в кварцевую ампулу и запаивают, чтобы избежать поверхностного загрязнения образцов р-частицами. Далее, ампулы с образцами подвергают

нейтронному облучению в канале атомного реактора до полной компенсации основных носителей заряда атомами фосфора наведенного в результате ядерной реакции [1]:

При этом концентрацию фосфора можно рассчитать по формуле [1]: 1\1р=1,740-^ф-:, где ф - интенсивность медленных нейтронов, см-2с-1, : - время облучения, с.

После выдержки облученные образцы в ампулах помещают в бокс и, в случае превышения предельно допустимого уровня мощности у-излучения, образцы вынимают из ампул.

Для отжига радиационных дефектов, облученные пластины помещаются в кварцевую ампулу и загружают в рабочую зону печи при температуре 800-9000С на 3 часа, затем печь выключают. В результате пластины остывают вместе с печью.

После проведения нейтронной компенсации кремния, весь кристалл с размерами чувствительной области, подвергался химико-технологической обработке в целях обеспечения ми-

ДЕТЕКТОРЫ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ НЕЙТРОНО-ЛЕГИРОВАННОГО КРЕМНИЯ

Муминов Р. А., Раджапов С. А., Раджапов Б. С., Рахимов Р. Х.

нимальных толщин «мертвых» слоев входных окон и обратного тока утечки для минимизации шумовых характеристики детектора. [2,3]. Затем кристалл помещался в корпус; методом вакуумного напыления наносились контакты А1 (1000А°) и Аи (~200А°). В последующем проводили низкотемпературный отжиг при температуре Т=140-1600С в течение 25-60 часов. Затем проводили контрольные измерения электрофизических и радиометрических характеристик [4-7].

12 10 В* в

5 '

4 ■ 2 ■

о и 0,1

Электрофизические и радиометрические характеристики изготовленной партии детекторов при рабочем напряжении U=(5-40)B находятся в пределах: темновой ток I=(5.10-7- 2.10-6) А, емкость С=(70-230) пФ, шумы Еш=(25-85) кэВ, энергетическое разрешение а- частицам Ra=(100-135) кэВ по Ra226, толщина входного окна ДЕвх =(10±5 ) кэВ, выходного ДЕвьх =(30±10 ) кэВ, соответственно. (Рис.1).

Таким образом, на основе учета особенностей получения монокристаллического НЛК, а также способов формирования на их основе соответствующих детекторных структур, показана возможность обеспечения высокой эффективности электрофизических и радиометрических характеристик.

Список литературы:

1. Л.С. Смирнов, С.П.Соловьев, В.Ф. Стась, В.А.Харченко. Легирование полупроводников методом ядерных реакций / Ответ. редак. Л.С. Смирнов. - Новосибирск: Наука, 1981. - 181 с.

2. Азимов С.А., Муминов Р.А., Шамирзаев С.Х., Яфасов А.Я. Кремний-литиевые детекторы ядерного излучения. // - Ташкент: Фан.1981.-257 с.

3. Раджапова С.А. Особенности физических процессов формирования кремний-литиевого детектора ядерного излучения с большой чувствительной областью// Автореф. Дис. док. д.ф-м.н. - Ташкент: 2010.

4. R. A. Muminov, S. A. Radzhapov, Yo.K. Toshmurodov, Sh. Risalieva, S. Bekbaev, and A. Kurmantaev // Development and Optimization of the Production Technology of Large_Size Position_Sensitive Detectors // Instru-

На основе проведенных исследований электрофизических и радиометрических характеристик изготовленной партии детекторов, установлено, что нейтронно-компенсированые кремниевые детекторы по своим основным характеристикам не уступают традиционным детекторам, полученных на базе промышленных высокоомных материалов. Однако преимуществом детекторов предлагаемого типа является малое рабочее напряжение и относительно малые потери энергии во «входном» и «выходном» окнах.

29 30 4»

ments and Experimental Techniques. - New York - 2014 Vol. 57, No. 5, pp. 564-565.

5. R.A. Muminov, S.A. Radzhapov, Yo.K. Toshmurodov S. Bekbaev. //Silicon-Lithium Nuclear Radiation Detectors with a Large Surface of Sensitive area // Uzbek journal of Physics 2013. рр. 179-184.

6. Р.А. Муминов, С.А. Раджапов, Ё.К. Тошмуродов. // Электрофизические характеристики разных типов кремниевых детекторов ядерного излучения с большой поверхностью чувствительной области// Uzbek journal of Physics. 2014. № 3-4.

7. Муминов Р.А., Раджапов С.А., Тошмуродов Ё.К., Раджапов Б.С. //Особенности технологии формирования Si(Li) p-i-n детекторов ядерного излучения больших размеров. «Computational nanotechnology» № 1. 2016 г. c. 62-66