МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЯДЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИФИ»

Факультет Экспериментальной и Теоретической физики

Кафедра № 11

«Экспериментальные методы ядерной физики»

Специальность: «Физика атомного ядра и частиц»

Коды УДК: 539.12; 537.8

Регистрационный номер: 2013.Т07-11.1

Инвентарный номер: 2

«Проверка пропорциональности кремниевого поверхностно-барьерного полупроводникового детектора ДКПс-100, при регистрации альфа-частиц в диапазоне энергий 0-20 MэВ».

Отчет о научно-исследовательской работе студента

Исполнитель _____________________ Валиева А.А., студентка группы Т7-11

(ПОДПИСЬ)

Консультант _____________________ Шарапов М.П., Ведущий инженер каф. №11

(ПОДПИСЬ)

Утвердил _____________________ к.ф.-м.н., доцент, Рунцо М.Ф., Первый Зам. Зав. Кафедрой №11

(ПОДПИСЬ)

Комиссия ______________________________________________________ _______________________________________________

(ПОДПИСИ)

Москва, 2013

1.Реферат.

Отчет содержит в себе результаты измерения зависимости амплитуд импульсов, соответствующих максимумам пиков полного поглощения от энергии альфа-частиц (энергии в диапазоне 0-20 МэВ). Измерение произведено таким образом, что относительная погрешность количества отсчетов в максимуме распределения импульсов по амплитудам не превышает 4%.

Проведен сравнительный анализ экспериментально полученной зависимости с теоретической моделью, с данными из аналогичных экспериментов, проведенных другими научными группами. Проведено соответствующее патентное исследование.

Объем: стр.: иллюстраций - 3 ( в приложениях - 5); таблицы - 4

( в приложениях - 2); формулы - 12 ( в приложениях - 6); источников - 4; приложения - 4.

Содержание.

1. Аннотация ……………………………………………………………………...4

2. Определения……………………………………………………………………5

3. Обозначения и сокращения …………………………………………………...6

4. Введение………………………………………………………………………...7

5. Описание установки и методики измерения…………………………………13

6. Экспериментальная часть……………………………………………………...17

7. Заключение ……………………………………………………………………..22

8. Список используемой литературы…………………………………………….23

9.Приложение 1. Расчеты величин, необходимых для проведения и анализа эксперимента.

10. Приложение 2. Обработка и анализ результатов.

11.Приложение 3. Патентные исследования

12.Приложение 4. Компакт-диск, содержащий электронные копии документов, разработанных в рамках настоящей НИРС.

1.Аннотация.

Данная НИРС выполнена на лабораторной установке «Полупроводниковый детектор», которая входит в учебный комплекс лабораторных работ по курсу «Экспериментальные методы ядерной физики» в лаборатории «Методы регистрации излучения» кафедры №11 НИЯУ МИФИ.

Объектом исследования является кремниевый поверхностно-барьерный полупроводниковый детектор ДКПс-100. Цель работы: проверка пропорциональности полупроводникового детектора ДКПс-100, работающего в спектрометрическом режиме, при регистрации альфа-частиц с энергиями от 0 до 20 МэВ для уточнения характеристик детектора.

В ходе работы были проведены все необходимые исследования для проверки пропорциональности детектора.

2.Определения.

В настоящем отчёте о НИРС используются следующие термины с соответствующими определениями:

Диффузионный ток – ток, протекающий через переход за счет диффузии неосновных в область перехода. [3]

Мертвый слой ППД – часть ППД, расположенная между наружной поверхностью и чувствительной областью детектора, в пределах которой взаимодействие ионизирующего излучения с веществом не приводит к возникновению сигналов на сигнальных выходах детектора. [3]

Темновой ток ППД – электрический ток, протекающий через сигнальные выводы ППД при отсутствии падающего на детектор ионизирующего излучения и при отсутствии проникновения света в чувствительную область детектора. [3]

Чувствительная область ППД – часть объема ППД, в пределах которой взаимодействие ионизирующего излучения с полупроводниковым материалом приводит к возникновению сигналов на сигнальных выходах детектора.

Эффективность собирания зарядов в ППД – отношение заряда, полученного на собирающем электроде ППД для энергии Еα, к значению заряда, создаваемого ионизирующей частицей в чувствительном объеме ППД. [3]

3.Обозначения и сокращения.

НИРС – научно-исследовательская работа студента.

ДКПс-100 – кремниевый поверхностно-барьерный полупроводниковый детектор (площадь чувствительной поверхности детектора 100 мм²)

ППД – полупроводниковый детектор.

N₀ – среднее число образованных пар зарядов.

E_п – энергия, потерянная заряженной частицей в веществе.

ω – средняя энергия, требующаяся на образование одной пары носителей заряда.

τ –среднее время жизни, показывает, за какое время число свободных зарядов уменьшится в е раз.

µ+ ,µ- - подвижности положительных и отрицательных зарядов.

Vдр – скорость дрейфа (скорость перемещения носителей в электрическом поле).

Е – напряженность поля.

I₀ – постоянный ток, создаваемый перемещающимися между электродами носителями зарядов.

σ(N) – среднеквадратическое отклонение от среднего числа носителей, создающих постоянный ток.

d – расстояние между электродами.

4.Введение.

Данная научно-исследовательская работа основана на лабораторной работе «Полупроводниковый детектор» в лаборатории методов регистрации излучения кафедры № 11 НИЯУ МИФИ. Физическое обоснование эксперимента приведено из лабораторного практикума по курсу «Экспериментальные методы ядерной физики». [1].

Полупроводниковые детекторы (ППД) относятся к классу ионизационных детекторов. Требования к рабочему веществу ППД и принцип их действия проще всего рассмотреть на примере однородного твердотельного проводящего детектора. Конструктивно такой детектор представляет собой пластину диэлектрика или полупроводника, помещенную между двумя плоскими электродами. К электродам приложена разность потенциалов, создающая внутри рабочего вещества электрическое поле. Будем анализировать случай, когда диэлектрик или полупроводник имеет омический контакт с электродами и диэлектриком или полупроводником.

Заряженная частица, проходя через рабочее вещество, образует на своем пути свободные электроны и дырки. Под действием электрического поля образованные свободные носители смещаются к электродам, индуцируя при этом на них заряд, что приводит к возникновению во внешней цепи импульса тока.

Выбор диэлектрика или полупроводника в качестве рабочего вещества однородного проводящего детектора не случаен, так как это вещество должно удовлетворять одновременно нескольким требованиям.

1. Если заряженная частица потеряла в веществе энергию E_п, то среднее число образованных пар зарядов N₀ составляет N₀= E_п/ω, где ω – средняя энергия, требующаяся на образование одной пары носителей заряда. Чем меньше ω, тем больше носителей возникает в рабочем веществе и тем больше амплитуда сигнала, снимаемого с детектора. Диэлектрики и полупроводники обладают сравнительно небольшой величиной ω, значение которой лежит в диапазоне от единиц до нескольких десятков электронвольт.

2. При движении зарядов, образованных заряженной частицей, к электродам их число вследствие рекомбинации или захвата ловушками может уменьшаться. Процесс изменения числа свободных зарядов принято характеризовать величиной среднего времени жизни τ, которая показывает, за какое время число свободных зарядов уменьшается в e раз. Очевидно, что амплитуда сигнала во внешней цепи зависит не только от исходного числа образованных частицей носителей N₀, но и от их среднего времени жизни τ. Поэтому, чем больше значений τ, а точнее, соотношение величины τ и времени собирания зарядов, тем больше амплитуда сигнала. В некоторых полупроводниках время жизни электронов и дырок может достигать значений порядка τ=10^-3÷10^-4с и существенно превышать время их собирания на электроды.

3.Время собирания зарядов на электроды определяется скоростью перемещения носителей (скорость дрейфа) в электрическом поле, которая, в свою очередь, связана с напряженностью поля соотношением:

V⁺_др=µ₊ E, V^-_др=µ_- E, (1)

где µ₊ ,µ_- - подвижности положительных и отрицательных зарядов. Чем больше подвижности зарядов, тем меньше время их собирания на электроды и тем лучшим разрешающим временем будет обладать детектор. В ряде диэлектриков и полупроводников электроны и дырки имеют приблизительно равные и достаточно большие значения подвижностей, и поэтому детекторы на их основе могут обладать хорошими временными характеристиками.

4. Очень важное требование предъявляется к величине удельного электрического сопротивления рабочего вещества рассматриваемого детектора. Так как любой материал обладает конечной электропроводностью, то под действием электрического поля через него течет ток. Число носителей заряда, перемещающихся между электродами и создающих постоянный ток I₀, испытывает флуктуации, абсолютное значение которых больше, чем больше ток. Если флуктуация числа носителей тока сравнимы с числом носителей N₀, образованных частицей, то становится невозможным выделение полезного сигнала на фоне этих флуктуаций (часто говорят – на фоне шумов). Для оценки допустимой величины удельного сопротивления рабочего вещества однородного твердотельного проводящего детектора найдем отношение числа носителей N₀к флуктуациям постоянного тока I_0.

Будем характеризовать флуктуации постоянного тока величиной среднеквадратичного отклонения σ(N) от среднего числа носителей, создающих постоянный ток. Считая, что число носителей постоянного тока, пересекающих расстояние d между электродами за время собирания носителей T=d/V_др, описывается распределением Пуассона, получим:

(2)

где e- заряд носителя. Тогда отношение числа пар носителей, созданных заряженной частицей с энергией E_п, к величине σ(N) составляет:

N₀/s(N)= (3)

Выберем отношение ², т.е. зададим величину сигнала от заряженной частицы на два порядка больше флуктуаций постоянного тока во внешней цепи детектора. Тогда для среднего значения постоянного тока, проходящего через детектор, должно выполняться условие:

I₀, (4)

Учитывая, что ток связан с удельным сопротивлением материала соотношением

I₀=, (5)

где Е – напряженность электрического поля в объеме детектора, и полагая µ+≈µ-= µ, получаем

(6)

где V=Sd – объем детектора.

Для количественной оценки значения ρ предположим, что в детекторе объемом 1 см³ заряженные частицы полностью теряют свою энергию E_п=1 МэВ, ω≈ 5 эВ, µ= 10³ см²/(B.c). По порядку величины ω и µ соответствуют их значениям в диэлектриках и полупроводниках. Тогда минимально допустимое удельное сопротивление оказывается равно ρ≈10⁹ Ом. см .

В настоящее время развитие детекторов на основе кремния и германия идет в направлении создания неоднородных ППД. В таких ППД используются свойства перехода между полупроводниками с разными типом проводимости или перехода между полупроводником и металлом.

Рассмотрим процессы, происходящие в переходе, образованном между полупроводниками p-типа и n-типа, или сокращенно p-n переходе (примеры способов создания переходов приведены ниже). Выберем часто встречающийся на практике случай, когда один из полупроводников (например, p-типа) сильно легирован, т.е. концентрация акцепторных примесей в нем существенно превышает концентрацию примесей в кристалле n-типа. В n-области полупроводника основными носителями являются электроны, в р-области - дырки. В момент возникновения контакта между n- и p- полупроводниками из-за различия концентрации происходит диффузия носителей в сторону уменьшения их градиента концентрации. Так как ионизованные атомы донорных и акцепторных примесей двигаться не могут, в n-области полупроводника вблизи контакта возникает не скомпенсированный положительный объемный заряд, в p-области – отрицательный заряд ионов акцептора. По мере накопления объемных зарядов на переходе появляется скачок потенциала, играющий роль потенциального барьера и препятствующий диффузии электронов в p-область и дырок в n-область.

В состоянии наступившего динамического равновесия ток основных носителей каждого знака за счет остаточной диффузии будет уравновешиваться током неосновных носителей, диффундирующих из другой области, среднее значение тока через переход оказывается равным нулю, а концентрация носителей в области перехода будет резко понижена (рис. 1,1).

В принципе такой детектор с p-n переходом можно уже использовать для регистрации заряженных частиц даже при отсутствии внешнего источника напряжения, так как в полупроводнике существует область, в которой напряженность электрического поля отлична от нуля. Если через эту область пролетит заряженная частица и создаст свободные носители, то они будут перемещаться под действием поля объемного заряда и индуцировать заряд на электродах.

Однако область объемного заряда в p-n переходе (толщина области перехода d) оказывается меньше, чем 10^-4см. Поскольку пробеги заряженных частиц обычно превышают эту величину, практического интереса такой режим не представляет.

Поэтому при использовании неоднородных ППД толщину перехода увеличивают, прикладывая к электродам детектора обратное напряжение смещения U_см, т.е. к электроду со стороны n-области присоединяют «плюс» источника напряжения, к электроду со стороны p-области – «минус». В этом случае высота потенциального барьера растет, внешнее поле растаскивает основные носители из области перехода, увеличивая тем самым протяженность объемного заряда и соответственно толщину перехода (рис.1,2).

Проводимость переходной области, к которой приложено обратное напряжение смещения, отлична от нуля, так как в области перехода имеется определенная плотность свободных носителей заряда и, следовательно, через переход постоянно протекает ток. Действительно, в отличие от p-n перехода без внешнего электрического поля ток неосновных носителей уже не уравновешивается током основных носителей, поскольку практически ни один основной носитель не может преодолеть высокий потенциальный барьер, созданный внешним электрическим полем в области перехода. Поэтому через переход будет протекать ток за счет диффузии неосновных носителей в области перехода (диффузионный ток).

Так как концентрация неосновных носителей вне перехода (это, в основном, дырки в слаболегированной n-области) пропорциональна τ_р, где τ_р– время жизни дырок до их рекомбинации в n-области, а концентрация неосновных носителей в переходе пропорциональна T, где T- время дрейфа дырок через переход, то их соотношение в переходе и вне его составляет величину T/ τ_р.

Кроме того, в зоне перехода постоянно идет тепловая генерация электронов и дырок. Это носители, перемещаясь под действием электрического поля, также являются источником тока (генерационный ток).

При скорости тепловой генерации носителей в переходе ≈ n_i/ τ_р их плотность в области p-n перехода по отношению к плотности вне перехода пропорциональна отношению T/ τ_р.

Так, например, в ППД с p-n переходом на основе кремния в зависимости от размеров области перехода время собирания Т лежит в диапазоне 10^-6-10^-9с. Сравнивая Т с величиной τ_рв кремнии, приведенной в табл.1 (τ_р≈10^-3с), видим, что Т<< τ_р.Поэтому плотность носителей в переходе оказывается на несколько порядков меньше плотности носителей вне перехода. Следовательно, через переход будет протекать существенно меньший ток, чем в случае однородного проводящего детектора одинаковых геометрических размеров. Другими словами, поскольку удельное сопротивление обратно пропорционально плотности свободных носителей, значение ρ полупроводникового материала в области перехода оказывается приблизительно в τ_р/T больше, чем величина удельного сопротивления вне области перехода, т.е. исходного полупроводникового материала.

Рис.1. Характеристики равновесного p-n перехода (I) и перехода с обратным смещением (II): а – концентрация электронов и дырок; б – концентрация ионизованных атомов примесей; в – распределение объемного заряда. [1].

Современная промышленность выпускает много различных типов неоднородных кремниевых и германиевых ППД. В отличие от неоднородных ППД на основе германия с кремниевыми ППД обычно работают при комнатной температуре. В зависимости от способа создания перехода различают следующие типы кремниевых детекторов: диффузионные, ионно-легированные, поверхностно-барьерные. В диффузионных детекторах переход создается диффузией донорных атомов (в основном фосфора) в полупроводник р-типа или акцепторных атомов (бора) в полупроводник n-типа.

В ионно-легированных детекторах переход создается введением примесных атомов в полупроводник при его облучении пучком ионов.

В поверхностно-барьерных детекторах возникает на поверхности кремния при нанесении на нее испарением в вакууме некоторых металлов и окислением поверхности в воздухе.

Особенно широкое применение для регистрации различного типа заряженных частиц нашли кремниевые поверхностно-барьерные ППД. Толщина перехода таких ППД сравнительно невелика, они обычно используются для спектрометрии тяжелых частиц (протонов с энергией до 5 МэВ, альфа-частиц с энергией до 20 МэВ, тяжелых ионов, осколков деления),электронов с энергией до 200 кэВ, для регистрации потоков низкоэнергетических рентгеновских и гамма-квантов.

5. Описание установки и методики проведения эксперимента.

Функционально схема установки приведена на рис.2. Исследуется стандартный поверхностно-барьерный полупроводниковый детектор ДКПс-100 (площадь чувствительной поверхности детектора 100 мм²).

Рис.2. Функциональная схема установки [1].

Таблица 1

Позиция		Наименование	Погрешность измерения (абсолютная)
1	А1	Насос
2	А2	Блок детектирования «Блок 1»
3	А3	Набор конденсаторов «Набор С»
4	А4	Предусилитель БУС2-01-1
5	А5	Генератор ВБ2-07
6	А6	Блок напряжения смещения	3%
7	А7	Амплитудный анализатор ПК
8	А8	Усилитель БУС2-47
9	А9	Осциллограф С1-112А	5%

Полупроводниковый детектор и источники альфа-излучения расположены в блоке детектирования «Блок 1». Область перехода полупроводникового детектора со стороны золотого электрода облучается одним из альфа-источников, которые можно менять с помощью ручки, выведенной на боковую стенку блока 1. Вращением ручки, расположенной на верхней крышке блока 1, можно варьировать расстояние между детектором и источником в пределах 6 - 40мм.

Для того чтобы исключить потери энергии альфа-частиц в воздухе между детектором и источником, воздух из рабочего блока 1 откачивается форвакуумным насосом. Насос включается на все время эксперимента и обеспечивает в рабочем объеме блока детектирования вакуум ~ 6,6 Па (~5. 10^-2мм рт.ст.). С помощью вентиля В магистраль откачки может соединяться с атмосферой.

ППД подключён к зарядочувствительному предусилителю БУС2-01-1, имеющему коэффициент преобразования заряда в напряжение ~4^. 10¹² В/Кл (± 40 %), и источнику внешнего напряжения (блок «напряжение смещения»), установленному в крейте. Резистор Rн расположен в блоке предусилителя. Полярность импульсов, поступающих от ППД на вход предусилителя, положительная.

С выхода предусилителя импульсы поступают на разъем «вход А» основного усилителя БУС2-47, коэффициент усиления которого изменяется в пределах от 4 до 2048, с помощью ступенчатого переключателя коэффициента усиления «грубо» и регулятора плавного изменения коэффициента усиления «плавно» от 0,5 до 1 в пределах каждой ступени.

В схеме усилителя предусмотрен блок формирования импульсов, состоящий из интегрирующей τ_и (τ_и ≥ 0,05 мкс) и дифференцирующей τ_д(τ_д ≤ 12,8 мкс) цепочек. Параметры формирующих цепей устанавливаются с помощью переключателей «Дифф. мкс» и «Интегр. мкс». Максимальная амплитуда выходного сигнала БУС2-47 не должна превышать 10 В, так как при амплитудах, превышающих 10 В, нарушается линейность усиления и наблюдается ограничение сигнала.

С помощью универсального осциллографа С1-112А осуществляется контроль формы импульсов и измерение их амплитуды, а также измерение напряжения смещения, подаваемого на детектор.

Для калибровки электронного тракта в единицах заряда используется «Генератор ВБ2-07», «прямой» выход которого через дозирующую емкость Сдоз=1 пФ, расположенную в блоке предусилителя, соединен со входом предусилителя БУС2-01-1 (разъем «генератор»). Полярность импульсов генератора положительная.

Под эффективностью собирания зарядов ППД понимается величина æ, равная отношению зарядов:

æ = Q₁/ Q_{2 ,}(7)

где Q₁– значение заряда, полученного на собирающем электроде ППД для энергии Еα, потерянной ионизирующей частицей в чувствительном объеме детектора; Q₂ – расчетное значение заряда, создаваемого ионизирующей частицей в чувствительном объеме ППД. Значение Q₂вычисляется по формуле:

Q₂ = eE_a/w, (8)

где е-заряд электрона, ω – средняя энергия ионообразования в кремнии.

В данной работе для определения величины Q₁необходимо выполнить следующие операции.

Установить под детектором альфа-источник ²³⁹Pu+²³⁸Pu+²³³U (в окошке на крышке блока 1 должна стоять цифра 1). Подать на вход предусилителя через конденсатор Сдоз (см. рис.2) импульс напряжения с генератора (переключатель «частота» на генераторе ВБ2-07 установить в положение 140 Hz). Дозирующий конденсатор Сдоз расположен в блоке предусилителя. Варьируя плавную регулировку «Амплитуда» генератора, подобрать амплитуды импульсов от альфа-частиц и генератора были равны. Сравнение амплитуд импульсов на выходе усилительного тракта производится с помощью осциллографа.

Величина Q₁вычисляется по формуле:

Q₁ = DV_г∙ С_доз (9)

Для определения ΔV_Готключить осциллограф от выхода усиления и подключить к выходу генератора. При этом, чтобы параметры импульсов с генератора не изменились, генератор должен оставаться подключенным к предусилителю. Установить переключатель осциллографа на соответствующий диапазон измерения амплитуд. Измерить с помощью осциллографа амплитуду импульсов на выходе генератора.

6. Экспериментальная часть.

Для проверки пропорциональности ППД была измерена зависимость ширины распределения импульсов по амплитудам при регистрации альфа-частиц с энергиями от 4,816 до 5,499 МэВ .

При проведении измерений на приборах установки были выставлены параметры, указанные в таблице 2.

Таблица 2

Прибор установки	Параметр	Значение	Примечание
Блок детектирования «Блок 1»	Значение в окошке на крышке блока 1	3	В ходе измерений не изменялось
Блок детектирования «Блок 1»	Расстояние между детектором и альфа- источником	10 мм	В ходе измерений не изменялось
Генератор ВБ2-07	Частота генерации	140 Hz	В ходе измерений не изменялась
Насос	Давление в рабочем объеме блока детектирования	~ 6,6 Па	В ходе измерений не изменялось
Осциллограф С1-112А	Делитель входного напряжения	1 В/дел	В ходе измерений не изменялся
	Длительность развертки	1 мс/дел	В ходе измерений не изменялась
	Множитель развертки	1	В ходе измерений не изменялся
Предусилитель БУС2-01-1	Дозирующая емкость	1 пФ	В соответствии c [8]
	Коэффициент преобразования заряда в напряжение	~ 4∙10¹² В/Кл(±40%)	В соответствии c [8]
	Коэффициент усиления	1	В ходе измерений не изменялся
	Положение тумблера «Дифф. мкс»	1	В ходе измерений не изменялось
	Уровень экспандирования	9,11	В ходе измерений не изменялся
Усилитель БУС2-47	Коэффициент усиления	4	В ходе измерений не изменялся
	Максимальная амплитуда выходного сигнала	4 В	В ходе измерений не изменялась
	Постоянная времени дифференцирования	1,6 мкс	В ходе измерений не изменялась
	Постоянная времени интегрирования	1,6 мкс	В ходе измерений не изменялась

Перед началом измерений подготовить блок детектирования к работе. Для этого необходимо: а) закрыть вентиль В, соединяющий магистраль откачки с воздухом; б) включить форвакуумный насос тумблером «Насос».

Поместить под детектором источник альфа-частиц 233U + + 239Pu + 238Pu (в окошке на крышке блока 1 должна стоять цифра 3. Энергии альфа-частиц изотопов приведены в табл.3. Установить между детектором и альфа-источником расстояние 10 мм. В этом случае загрузка ППД (т.е. число частиц, регистрируемых в единицу времени) становится такой, при которой энергетическое разрешение детектора за счет наложения импульсов практически не ухудшается.

Таблица 3

Энергии альфа-частиц изотопов

Изотоп

Энергия альфа-частиц, МэВ

Выход, %

²³⁹Pu

5,156

5,143

5,105

73,3

15,1

11,5

²³³U

4,773

4,816

²³⁸Pu

5,499

5,456

²²⁶Ra

4,599

4,782

5,490

6,002

7,687

5,4

94,6

100

Для разных значений энергий с помощью амплитудного анализатора были сняты распределения импульсов по амплитудам. Полученные амплитудные распределения сохранены в виде файлов на диске (Приложение). Для каждого распределения была определена ширина на полувысоте, как

∆N = 2,35∙СКО (8), где СКО определено с помощью программы «ACP V2.0». Данные измерений занесены в таблицу 4.

Таблица 4

СКО

37,63

35,09

38,84

59,48

42,59

44,29

62,68

∆N,

каналы

88,43

82,46

91,27

139,78

100,09

104,08

147,30

E_a, Мэв

5,156

(²³⁹Pu)

4,816

(²³³U)

5,499

(²³⁸Pu)

5,490

(²²⁶Ra)

7,687

(²²⁶Ra)

6,002

(²²⁶Ra)

4,782

(²²⁶Ra)

По результатам измерений с помощью программы Mathcad6 (операционная система Windows XP) методом наименьших квадратов построен график зависимости номеров каналов анализатора, соответствующих максимумам амплитудных распределений от энергии альфа-частиц.

Рис. 3. Зависимость номеров каналов анализатора от энергии альфа-частиц.

На основе информации, представленной на рисунке 3, можно сделать вывод о том, что проведенный эксперимент качественно подтверждает ожидаемую зависимость выходного сигнала от энергопотерь альфа-частиц.

Однако, данный график не совпадает с экспериментальным полностью. Это может быть объяснено старением детектора и тем, что в процессе измерений не учитывалась флуктуация тока детектора.

7.Заключение.

По результатам эксперимента была получена зависимость амплитуд импульсов, соответствующих максимумам пиков полного поглощения от энергии альфа-частиц. Данная зависимость является пропорциональной, как и следовало ожидать. Следовательно, можно утверждать, что данный кремниевый поверхностно-барьерный полупроводниковый детектор является пропорциональным в исследованном диапазоне энергий альфа-частиц.

Обработанные результаты, полученные в ходе выполнения данной НИРС, могут быть использованы, в качестве эталонных, для проверки утверждения о пропорциональности детектора, исследуемого в данной работе.

8.Список используемой литературы.

[1]. Основы экспериментальных методов ядерной физики: Учебное пособие для вузов.[текст]/ А.И.Абрамов, Ю.А.Казанский, Е.С.Матусевич. – М.: Энергоатомиздат, 1985.–488с.

[2]. Полупроводниковые детекторы ядерных частиц и их применение./ Акимов Ю.К. [и др.]. – М.: Атомиздат, 1967.

[3]. Детекторы элементарных частиц./ В.И.Калашникова, М.С.Козодаев. – М.: Наука, 1966, 408с.

[4]. Статистика отсчётов при регистрации ядерных частиц./ Гольданский В.И., Куценко А.В., Подгорецкий М.И. – М.: Физматгиз, 1959.

[5]. Электронные методы ядерно-физического эксперимента./ Григорьев В.А., Колюбин А.А., Логинов В.А. – М.: Энергоатомиздат, 1988.

[6]. Многослойные полупроводниковые установки для спектрометрии заряженных частиц на ускорителях: автореферат дис. д-ра физ.-мат. наук : 01.04.01 / Ю.Б. Гуров; Нац. исслед. ядер. ун-т "МИФИ". - М., 2012 .— 36 с.

[7]. Полупроводниковые счетчики ядерных излучений / Дж. Дирнли, Д. Нортроп; пер. с англ. под ред. В.С. Вавилова.— М. : Мир, 1966. — 359 с.

[8]. Детекторы элементарных частиц./ Калашникова В.И., Козодаев М.С. – М.: Наука, 1966.- 408 с.

[9]. Кремниевые детекторы ионизирующих излучений / О.П. Федосеева, Л.С. Гаценко, О.В. Захарчук, Б.А. Никитин [и др.]; Под ред. Н.С. Лидоренко.— М.: Энергоатомиздат, 1983 .— 95 с.

[10].Экспериментальная ядерная физика./ Мухин К.Н – М.: Энергоатомиздат, 1983. — 616 с.

[11]. Полупроводниковые детекторы в экспериментальной физике / Ю. К. Акимов, О. В. Игнатьев, А. И. Калинин [и др.]; Под ред. Ю. К. Акимова.— М.: Энергоатомиздат, 1989.— 342 с.

[12]. Полупроводниковые детекторы в дозиметрии ионизирующих излучений; Под ред. В.К. Ляпидевского.— М.: Атомиздат, 1973 .— 180 с.

Приложение 1. Расчеты величин, необходимых для проведения и анализа эксперимента.

Приложение 2. Обработка и анализ результатов.

Рис. 5 Распределение импульсов по амплитудам (альфа-источник ²²⁶Ra ).

Рис. 6 Распределение импульсов по амплитудам (альфа-источник ²³³U + ²³⁹Pu + ²³⁸Pu ).

Приложение 3. Патентные исследования.

ОТЧЕТ

О ПАТЕНТНЫХ ИССЛЕДОВАНИЯХ

по теме: «Полупроводниковый детектор».

РЕГЛАМЕНТ ПОИСКА

Область исследования: ионизационные детекторы.

Цель поиска информации: анализ тенденций развития и прогнозирование развития исследуемой области.

Страна поиска: Российская Федерация.

Ретроспектива: ретроспектива поиска составляет 10 лет, что является достаточной глубиной для установления тенденций развития исследуемой области.

Поиск произведен по следующим патентным базам:

URL: http://www.bankpatentov.ru

URL: http://www1.fips.ru

Период проведения патентных исследований: 1.09.2013 – 10.10.2013.

СИСТЕМАТИЗАЦИЯ ПОЛУЧЕННЫХ ДАННЫХ

Поиск проводился по следующим ключевым словам:

«Полупроводниковый детектор».

Материалы, отобранные для последующего анализа: см. таблицу 1.

МПК — Международная патентная классификация.

Таблица 1. Патентные данные

Предмет патентования

МНОГОКАНАЛЬНЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДЕТЕКТОР ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ АЛЬФА-ЧАСТИЦ В НЕЙТРОННОМ ГЕНЕРАТОРЕ СО СТАТИЧЕСКИМ ВАКУУМОМ И ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ НЕГО

МПК

G01T1/24

№ заявки,

дата приоритета, дата публикации

2011122937/28,

08.06.2011

20.12.2012

Автор(ы)

Быстрицкий Вячеслав Михайлович (RU),
Замятин Николай Иванович (RU),
Зубарев Евгений Валерьевич (RU),
Сапожников Михаил Григорьевич (RU),
Слепнёв Вячеслав Михайлович (RU)

Индекс изобретения

RU 2011122937 A

Реферат,

Формула

1. Многоэлементный полупроводниковый детектор для регистрации альфа-частиц в нейтронном генераторе со статическим вакуумом, включающий корпус детектора, пластину полупроводникового кристалла, размещенную перпендикулярно потоку альфа-частиц, регистрирующие элементы с электрическими контактами и токоотводами, размещенные на обеих сторонах пластины полупроводникового кристалла, отличающийся тем, что пластина полупроводникового кристалла выполнена с возможностью размещения на обеих ее сторонах всех регистрирующих элементов с электрическими контактами и токоотводами, закреплена по периметру на керамической плате, в центральной части которой выполнено отверстие для попадания альфа-частиц на регистрирующие элементы; керамическая плата закреплена на корпусе, в котором также выполнено отверстие для попадания альфа-частиц на регистрирующие элементы; регистрирующие элементы сделаны в виде полос, выполненных на пластине полупроводникового кристалла методом ионного легирования, а электрические контакты выполнены методом напыления металла на регистрирующие элементы; при этом полосы регистрирующих элементов на одной стороне пластины полупроводникового кристалла параллельны друг другу и перпендикулярны направлению полос регистрирующих элементов на другой стороне пластины полупроводникового кристалла; на керамической плате выполнены металлизированные контактные площадки для закрепления токоотводов от электрических контактов регистрирующих элементов и токоотводов наружу нейтронного генератора; притом токоотводы закреплены на электрических контактах регистрирующих элементов и металлизированных контактных площадках керамической платы методом ультразвуковой сварки, а токоотводы от керамической платы для вывода наружу нейтронного генератора выполнены в виде полосок из металлической фольги и закреплены на контактных площадках керамической платы с помощью болтов.

2. Детектор по п.1, отличающийся тем, что р+ полосы регистрирующих элементов электроизолированы между собой обратно смещенными (p-n)-переходами, образованными между регистрирующими элементами p+ типа проводимости и объемом детектора n-типа проводимости, а n+ полосы регистрирующих элементов электроизолированы между собой обратно смещенными (p-n)-переходами, образованными между разделительными полосами p+ типа проводимости и объемом детектора n-типа проводимости.

3. Чувствительный элемент многоэлементного полупроводникового детектора для регистрации альфа-частиц в нейтронном генераторе со статическим вакуумом, включающий пластину полупроводникового кристалла, регистрирующие элементы с электрическими контактами и токоотводами, размещенные на обеих сторонах пластины полупроводникового кристалла, отличающийся тем, что пластина полупроводникового кристалла выполнена с возможностью размещения на обеих ее сторонах всех регистрирующих элементов с электрическими контактами и токоотводами; регистрирующие элементы сделаны в виде полос, выполненных на пластине полупроводникового кристалла методом ионного легирования, а электрические контакты выполнены методом напыления металла на регистрирующие элементы; при этом полосы регистрирующих элементов на одной стороне пластины полупроводникового кристалла параллельны друг другу и перпендикулярны направлению полос регистрирующих элементов на другой стороне пластины полупроводникового кристалла; притом токоотводы закреплены на электрических контактах регистрирующих элементов методом ультразвуковой сварки.

4. Чувствительный элемент по п.3, отличающийся тем, что p+ полосы регистрирующих элементов электроизолированы между собой обратно смещенными (p-n)-переходами, образованными между регистрирующими элементами p+ типа проводимости и объемом детектора n-типа проводимости, а n+ полосы регистрирующих элементов электроизолированы между собой обратно смещенными (p-n)-переходами, образованными между разделительными полосами p+ типа проводимости и объемом детектора n-типа проводимости.

Таблица 1.(продолжение)

Предмет патентования	ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДЕТЕКТОР ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ СОПУТСТВУЮЩИХ НЕЙТРОНАМ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ В НЕЙТРОННОМ ГЕНЕРАТОРЕ СО СТАТИЧЕСКИМ ВАКУУМОМ
МПК	G01T1/24
№ заявки, дата приоритета, дата публикации	2004113598/28, 23.04.2004 27.02.2005
Автор(ы)	Кузнецов А.В. (RU), Евсенин А.В. (RU)
Индекс изобретения	RU 2247411 C1
Реферат, Формула	Реферат Изобретение относится к области ядерной физики и может быть использовано для регистрации сопутствующих нейтронам заряженных частиц в нейтронном генераторе со статическим вакуумом. Сущность: в полупроводниковом детекторе для регистрации сопутствующих нейтронам заряженных частиц в нейтронном генераторе, включающем полупроводниковый регистрирующий элемент, размещенный в диэлектрическом корпусе, закрытый как со стороны потока заряженных частиц, так и с противоположной стороны слоями металла, электрически соединенными с токоотводами, токоотвод со стороны потока заряженных частиц выполнен в виде жесткой прижимной металлической пластины с отверстием напротив чувствительной зоны полупроводникового регистрирующего элемента, прикрепленной к диэлектрическому корпусу, а токоотвод с противоположной стороны выполнен в виде жесткой металлической пластины, поджатой пружинным элементом к полупроводниковому регистрирующему элементу, при этом диэлектрический корпус выполнен из вакуум-плотного материала, с газовой десорбционной способностью, не более 5· 10^-8 мбар· см^-2·с^-1; корпус может быть выполнен из керамики. Технический результат изобретения: обеспечение возможности регистрации сопутствующих нейтронам заряженных частиц в нейтронном генераторе со статическим вакуумом при скорости регистрации до 10⁷ частиц в секунду. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Таблица 1.(продолжение)

Предмет патентования	МНОГОКАНАЛЬНЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДЕТЕКТОР ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ АЛЬФА-ЧАСТИЦ В НЕЙТРОННОМ ГЕНЕРАТОРЕ СО СТАТИЧЕСКИМ ВАКУУМОМ И ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ НЕГО
МПК	G01T1/24
№ заявки, дата приоритета, дата публикации	2011122937/28, 08.06.2011 27.02.2013
Автор(ы)	Быстрицкий Вячеслав Михайлович (RU), Замятин Николай Иванович (RU), Зубарев Евгений Валерьевич (RU), Сапожников Михаил Григорьевич (RU), Слепнёв Вячеслав Михайлович (RU)
Патентообладатели	Общество с ограниченной ответственностью "Нейтронные технологии" (RU)
Индекс изобретения	RU 2476907 C2
Реферат, Формула	Реферат:Изобретение относится к области измерения излучения физических частиц с помощью полупроводниковых детекторов и может быть использовано при создании многоэлементных детекторов заряженных частиц на основе полупроводниковых кристаллов. Технический результат - повышение надежности детектора и его чувствительности. Сущность изобретения заключается в том, что в многоэлементном полупроводниковом детекторе для регистрации альфа-частиц в нейтронном генераторе со статическим вакуумом, включающем корпус детектора, пластину полупроводникового кристалла, размещенную перпендикулярно потоку альфа-частиц, регистрирующие элементы с электрическими контактами и токоотводами, размещенные на обеих сторонах пластины полупроводникового кристалла, при этом пластина полупроводникового кристалла выполнена с возможностью размещения на обеих ее сторонах всех регистрирующих элементов с электрическими контактами и токоотводами, закреплена по периметру на керамической плате, в центральной части которой выполнено отверстие для попадания альфа-частиц на регистрирующие элементы; керамическая плата закреплена на корпусе, в котором также выполнено отверстие для попадания альфа-частиц на регистрирующие элементы; регистрирующие элементы сделаны в виде полос, выполненных на пластине полупроводникового кристалла методом ионного легирования, а электрические контакты выполнены методом напыления металла на регистрирующие элементы; при этом полосы регистрирующих элементов на одной стороне пластины полупроводникового кристалла параллельны друг другу и перпендикулярны направлению полос регистрирующих элементов на другой стороне пластины полупроводникового кристалла. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Таблица 1.(продолжение)

Предмет патентования	Полупроводниковый элемент-детектор излучения
МПК	G01T H01L
№ заявки, дата приоритета, дата публикации	20 Марта, 2005 11 Апреля, 2002
Автор(ы)	МОРИЯМА Мики (JP), МУРАКАМИ Масаки (JP), КИАН Ацуси (JP), ОХНО Риоити (JP)
Патентообладатели	АКРОРАД КО., ЛТД. (JP)
Индекс изобретения	2281531
Реферат, Формула	Использование: в области ядерной медицины, радиационной диагностике, в атомной энергетике, астрономии, физике космических лучей и т.д. Технический результат изобретения: исключение «поляризационного эффекта» за счет использования улучшенной конфигурации электрода. Сущность: полупроводниковый элемент-детектор излучения с барьером Шоттки включает кристалл полупроводникового соединения, содержащего в качестве главных компонентов кадмий и теллур, средства для приложения напряжения к кристаллу полупроводникового соединения. Указанные средства приложения напряжения содержат соединение индия, кадмия и теллура InxCdyTez , сформированное на одной поверхности кристалла полупроводникового соединения. 2 з.п. ф-лы, 6 ил. $C:\Users\Санек\Desktop\2281531.png$ Область изобретения: Настоящее изобретение относится к элементу-детектору излучения на основе полупроводникового соединения для применения в области ядерной медицины, радиационной диагностики, атомной энергетики, астрономии, физики космических лучей и т.д. Формула изобретения 1. Полупроводниковый элемент-детектор излучения с барьером Шоттки, включающий в себя кристалл полупроводникового соединения, содержащего в качестве главных компонентов кадмий и теллур, и средства приложения напряжения для приложения напряжения к кристаллу полупроводникового соединения, при этом указанные средства приложения напряжения содержат соединение индия, кадмия и теллура In xCdyTez, сформированное на одной поверхности кристалла полупроводникового соединения. 2. Полупроводниковый элемент-детектор излучения с барьером Шоттки по п.1, в котором коэффициент заселенности «z» теллура в соединении индия, кадмия и теллура InxCdyTez находится в пределах не менее 42,9%, но не более 50% по отношению к общему числу атомов. 3. Полупроводниковый элемент-детектор излучения с барьером Шоттки по п.1, в котором коэффициент заселенности «у» кадмия в соединении индия, кадмия и теллура Inx CdyTez находится в пределах не менее 0%, но не более 10% по отношению к общему числу атомов.

АНАЛИЗ ПОЛУЧЕННЫХ ДАННЫХ

Патентные исследования показали, что по-прежнему существует довольно большой интерес к изучаемой области на всем временном промежутке поиска.

Наибольшее патентование замечено в области регистрации заряженных элементарных частиц, в области регистрации нейтронов в системах управления и защиты ядерных реакторов.

Приложение 4.

Описание содержимого диска CD-R.

Таблица 1.

№ п.п.	Имя файла	Расширение	Содержимое файла
1	Spektr5.1	.txt	Распределение импульсов по амплитудам (альфа-источник ²²⁶Ra)
2	Spektr5.2	.txt	Распределение импульсов по амплитудам (альфа-источник ²³³U + ²³⁹Pu + ²³⁸Pu)
				Электронная копия отчета
3	Приложение 1( Патент-ный поиск)	.doc
4	Презентация	.ppt