Детектори на основі напівпровідникових сполук CdTe І CdZnTe для дозиметрії іонізуючого випромінювання - Автореферат

Якщо врахувати наслідки Чорнобильської аварії і те, що радіаційний моніторинг необхідний на всієї території України, можна впевнено говорити про актуальність задачі розробки і створення нових блоків детектування (БД), що використовуються для реєстрації іонізуючого випромінювання. Дисертаційна робота виконана в Національному науковому центрі "Харківський фізико-технічний інститут" і повязана з: Державною програмою "Державне замовлення науково-технічної продукції" (реєстраційний номер 6.01.11)"Розробка і впровадження комплексу фізичних засобів вимірювань і контролю ядерних випромінювань на основі досконалих напівпровідникових монокристалів типу A2B6 і A3B5 з метою ужорсточення контролю і підвищення безпеки атомних станцій і "Обєкту "Укриття" України" (виконується відповідно до наказу Міністерства освіти і науки України від Мета дослідження - встановлення закономірностей фізичних процесів, що протікають у детекторах ?-випромінювання на основі напівпровідникових сполук CDTE і CDZNTE, розробка методів поліпшення характеристик детекторів, і створення на їхній основі дозиметричних блоків детектування. Для досягнення поставленої мети були розвязані такі задачі: - розроблено фізичні критерії відбору ефективного матеріалу для детектування g-випромінювання і обґрунтовано вибір CDTE і CDZNTE для цих цілей; Для вирішення поставлених задач були використані наступні методи дослідження: - метод виміру електричного опору і вольтамперних характеристик (ВАХ) детекторів, у тому числі при різних температурах і під впливом ?-випромінювання;Як критичні параметри для вибору були використані [1, 10] ширина забороненої зони Eg, рухливість me,h і час життя t носіїв заряду, атомний номер матеріалу детектора Z, питомий опір r. Для чисельного порівняння ефективності напівпровідникових матеріалів для детекторів g-випромінювання в даній роботі запропоновано використовувати параметри metr і DAZ5n/M (d - густина, M - молярна маса). Дослідження електрофізичних властивостей межі розділення Au/CDTE показало, що якість омічних контактів на поверхні напівпровідників CDTE і CDZNTE р-типу визначається не стільки енергією виходу металу й енергією спорідненості електрона в напівпровіднику, скільки поверхневими рівнями дефектів детектора. Визначено значення темнових струмів детекторів у залежності від температури для введення поправки до вимірів дозиметричних характеристик g-випромінювання в струмовому режимі роботи. У розділі 3 приведені результати іспитів БД, що являють собою детектор і зарядочутливий попередній підсилювач при роботі в лічильному (імпульсному) режимі роботи детектора, або детектор і підсилювач-перетворювач "струм-напруга" при роботі в струмовому (аналоговому) режимі.На основі цих результатів вирішена важлива наукова задача по обґрунтуванню переваги застосування цих детекторів для дозиметрії g-випромінювання, вишукуванню методів поліпшення їх характеристик і створенню блоків детектування, що можуть працювати в широкому діапазоні доз і енергій. Запропоновано метод аналізу фізичних властивостей напівпровідників, що визначають їх детектуючі властивості, такі як ефективність поглинання фотонів і якість збору індукованих фотонами зарядів. Аналіз різних напівпровідникових сполук, проведений за допомогою запропонованого методу, дозволив вибрати ефективний матеріал для детектування g-випромінювання. Проаналізовані теоретичні співвідношення, що описують ефективність поглинання фотонів, і розроблена фізична модель енергетичної залежності чутливості детекторів. На підставі цих залежностей розроблені ефективні методи механіко-хімічної і плазмо-хімічної обробки (пасивації) детекторів, що дозволили виготовляти детектори іонізуючого випромінювання з високими і контрольованими параметрами.

Основний зміст роботи

У дисертації викладені результати дослідження фізичних процесів, що протікають у напівпровідникових детекторах з CDTE і CDZNTE при взаємодії з фотонами. На основі цих результатів вирішена важлива наукова задача по обґрунтуванню переваги застосування цих детекторів для дозиметрії g-випромінювання, вишукуванню методів поліпшення їх характеристик і створенню блоків детектування, що можуть працювати в широкому діапазоні доз і енергій.

1. Запропоновано метод аналізу фізичних властивостей напівпровідників, що визначають їх детектуючі властивості, такі як ефективність поглинання фотонів і якість збору індукованих фотонами зарядів. Як основні параметри використані me,htr (добуток рухливості носіїв заряду me,h на час їхнього життя t і на питомий опір r) і DAZ 5n/M (добуток густини d і пятого ступеня середнього атомного номера AZ 5n, поділений на молекулярну масу M). Аналіз різних напівпровідникових сполук, проведений за допомогою запропонованого методу, дозволив вибрати ефективний матеріал для детектування g-випромінювання. Показано, що серед подвійних напівпровідникових сполук найкраще цим критеріям відповідають CDTE і CDZNTE.

2. Проведено аналіз основних фізичних процесів, що відбуваються в CDTE і CDZNTE при взаємодії з фотонами різних енергій. Проаналізовані теоретичні співвідношення, що описують ефективність поглинання фотонів, і розроблена фізична модель енергетичної залежності чутливості детекторів. Отримані дані дозволили розрахувати і виготовити фільтр для корекції ефективності реєстрації g-випромінювання. Використання поглинаючого фільтру зменшує енергетичну залежність чутливості до ± 20 % у діапазоні енергій 0,06.1,20 МЕВ.

3. В результаті проведення комплексного дослідження електрофізичних властивостей CDTE і CDZNTE детекторів встановлені залежності між електрофізичними й експлуатаційними характеристиками. На підставі цих залежностей розроблені ефективні методи механіко-хімічної і плазмо-хімічної обробки (пасивації) детекторів, що дозволили виготовляти детектори іонізуючого випромінювання з високими і контрольованими параметрами. Так, пасивація дозволила збільшити опір CDZNTE детекторів більше ніж ~1011 Ом?см. Детектори, створені на основі CDTE і CDZNTE, мають стабільні характеристики при температурі навколишнього середовища від - 30 до 70° С. У діапазоні експлуатаційних температур знайдені значення темновых струмів детекторів, що дозволило визначити поправки для дозиметричних вимірів у токовому режимі роботи.

4. На основі розроблених високоефективних детекторів з CDTE і CDZNTE створені експериментальні зразки дозиметричних блоків детектування, які здатні працювати в імпульсному й аналоговому режимах. Це дозволило дослідити дозиметричні характеристики детекторів у широкому діапазоні потужності експозиційної дози ?-випромінювання (10-5…104 Р/год). Показано, що такі детектори можуть успішно застосовуватися в сучасних пристроях реєстрації і вимірювання ?-випромінювання. Ці детектори мають малий розмір і масу та високу дискретну й аналогову чутливість (відповідно ~ 50 імп. /МКР і ~2?10 - 5 Кл/Р для енергії 662 КЕВ при обємі детектора 50 мм3). Межа відносної погрішності вимірів МЭД g-випромінювання не перевищує 20% (з довірчою ймовірністю 0,95), у всім дослідженому діапазоні доз і енергій.

5. Досліджено радіаційну стійкість CDTE і CDZNTE. Показано, що детектори з цих сполук відносно радиаційно-стійкі. Стабільні радіаційні ушкодження акумулюються при тривалому впливі g-випромінювання і незважаючи на низький перетин їх утворення приводять до деградації дозиметричних властивостей при великих дозах. Деградація CDTE починається з менших доз, чим CDZNTE.

Граничні поглинені дози для CDTE і CDZNTE складають ~ 200 КГР і ~ 800 КГР відповідно. Граничні дози для дозиметричних детекторів виявилися значно вищими, ніж спектрометричних.

1. Abysov A.S., Davydov L.N., Kutny V.E., Rybka A.V., Rowland M.S., Smith C.F. Correlation Between Spectrometric Ability and Physical Properties of Semiconductor Detectors // Functional Materials. - 2000. - Vol.7, №.4 (2). - P.827-835.

2. Rybka A.V., Leonov S.A., Prokhoretz I.M., Abyzov A.S., Davydov L.N., Kutny V.E., Rowland M.S., Smith C.F. Influence of Detector Surface Processing on Detector Performance // Nucl. Instr. and Meth. A. - 2001. - Vol.458. - P.248-253.

3. Ажажа В.М., Кутний В.Е., Рыбка А.В., Шляхов И.Н., Кутний Д.В., Захарченко А.А. Применение детекторов на основе широкозонных полупроводников CDTE, CDZNTE и GAAS для контроля безопасности АЭС // Атомная энергия. - 2002. - Т.92, вып.6. - С.473-477.

4. Рыбка А.В., Прохорец И.М., Шляхов И.Н., Захарченко А.А., Блинкин А.А., Давыдов Л.Н., Кузьмичев М.А., Кутний Д.В., Оробинский А.Н., Кравченко Н.И. Дозиметрические характеристики детекторов рентгеновского и гамма-излучения на основе CDTE (CDZNTE) // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение. - 2000. - Вып.4. - С. 208-211.

5. Белецкий Н.И., Полянский Н.Е., Кутний В.Е., Наконечный Д.В., Прохорец С.И., Рыбка А.В. Температурная зависимость сопротивления детекторов из CDTE и CDZNTE // Вісник Харківського національного університету ім.В.Н. Каразіна. Сер. Радіофізика та електроніка. - 2002. - № 544. - С.155-158.

6. Пат. № 23951А, Україна, МПК С 01 Т 1/00, 1/16, 1/24. Пристій для вимірювання потоку ядерного випромінювання / Рибка О.В., Григор?єв О.М., Кузьмичов М.О., Кутній В.Є., Олексієнко М.М. (Україна); ННЦ "Харківський фізико-технічний інститут". - № 96030958; заявл.12.03.96; опубл. 31.08.98; - 9 с.

7. Давыдов Л.Н., Довбня А.Н., Захарченко А.А., Кутний В.Е., Кутний Д.В., Прохорец И.М., Рыбка А.В., Шляхов И.Н. Применение полупроводниковых детекторов для учета и контроля РАО // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение. - 2002. - Вып.3 (81), - С.142-146.

8. Рыбка А.В., Прохорец С.И., Прохорец И.М., Кутний В.Е., Давыдов Л.Н., Захарченко А.А. Коррекция энергетической зависимости детекторов гамма-излучения из CDTE (CDZNTE). Труды 15 международной конференции по физике радиационных явлений и радиационному материаловедению, XV-ICPRP, - Алушта (Украина). - 2002. - С.343.

9. Грибанов Ю.А., Рингис В.С., Скоромный В.Г., Кутний В.Е., Рыбка А.В., Шляхов И.Н. Перспективы использования полупроводниковых материалов из CDTE (CDZNTE) при реконструкции АЭС Украины // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение. - 2000. - Вып.4. - С. 203-207.

10. Abyzov A., Davydov L., Kutny V., Rybka A., Rowland M., Smith C. Correlation Between Spectrometric Ability and Physical Properties of Semiconductor Detectors // Proc.11th International Workshop on Room Temp. Semicond. X - and Gamma-Ray Detectors and Associated Electronics. - Vienna (Austria): E-MRS. - 1999. - P. 19.

11. Кутний В.Е., Рыбка А.В., Прохорец И.М., Давыдов Л.Н., Абызов А.С., Довбня А.Н., Карасев С.П., Уваров В.Л., Шляхов И.Н. Исследование радиационной стойкости детекторов ионизирующих излучений на основе CDTE и CDZNTE // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение. - 2000. - Вып.4. - С.212-214.