ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ПРОБОЙНЫЙ СЧЕТЧИК ОСКОЛКОВ ДЕЛЕНИЯ ЯДЕР

Островский И.В.

СПбГТУ, г. Санкт-Петербург


Среди разнообразных детекторов, регистрирующих осколки деления ядер, немногие способны однозначно выделять осколки на фоне сопутствующих потоков a, b, g и нейтронного излучений. Это, прежде всего, твердотельные трековые детекторы, основной недостаток которых — необходимость рутинного визуального подсчета химически выявленных треков.

Этот недостаток отсутствует в твердотельном пробойном счетчике (ТПС), который способен регистрировать осколки в режиме реального времени. ТПС структуры металл-окисел-полупроводник (МОП) имеют хорошие временные и амплитудные характеристики. Однако, в полях слабо- и косвенноионизирующих излучений (из-за накопления объемного заряда в материале полупроводника) у ТПС МОП-структуры изменяется дискриминационная способность, что проявляется в существенном снижении амплитуды импульса (вплоть до выхода детектора из строя).

Для сохранения преимуществ ТПС и обеспечения стабильности работы была предложена структура металл-окисел-металл (МОМ). Конструкционно ТПС МОМ-структуры представляет собой металлическую подложку (анод), на которую последовательно нанесены оксидная (30-50 нм) и металлическая (20-40 нм) пленки.

Принцип действия ТПС основан на возникновении электрического пробоя между электродами детектора в момент прохождения сильно ионизирующей частицы через диэлектрический слой. При этом напряжение на электродах, создаваемое внешним источником, значительно меньше собственного пробойного значения.

Первые ТПС такого типа, созданные на кафедре РТ, имели структуру Al-Al203-Al (Al-Al203-Ni), Ta-Ta2O5-Al (Ta-Ta2O5-Ni). В настоящее время разрабатывается детектор на основе циркония.

Испытания подтвердили ожидаемые параметры счетчиков. Детекторы работали в полях нейтронного излучения (Е=14.5 МэВ, плотность потока 108 см-2с-1) и в потоках a-частиц (106 см-2с-1), однозначно регистрируя при этом осколки деления. Ресурс счетчиков составляет ~106 осколков/см2 при никелевом электроде и ~104 осколков/см2 при алюминиевом.

Дальнейшая работа направлена на совершенствование и упрощение технологии изготовления счетчиков. Причем основное внимание уделено обработке поверхности металлической подложки перед формированием на ней оксидной пленки, т.к. недостаточное сглаживание микрорельефа металла вызывает неравномерность толщины диэлектрика и, в конечном итоге, приводит к снижению напряжения собственного пробоя, из-за чего детектор вообще может оказаться неработоспособным. Механическая обработка (с помощью шкурок и абразивных паст) позволяет сглаживать макродефекты (царапины и прокатные полосы), но всегда оставляет нарушенный слой, поэтому подложки подвергают еще и электрохимической обработке, в результате которой снимаются поверхностные напряжения и повышается чистота поверхности. Правильный выбор компонентов электролита и режима процесса позволяет осуществлять сглаживание микрорельефа — электрохимическое полирование. Причем результаты, полученные при полировке циркониевых подложек, говорят о возможности если и не отказаться от механической шлифовки и полировки, то, по крайней мере, существенно сократить эти наиболее трудоемкие стадии изготовления детекторов.

На базе таких счетчиков возможно изготовление старт/стоповых детекторов для времяпролетной спектрометрии, позиционно-чувствительных детекторов резистивного или мозаичного типов, детекторов контроля нейтронной опасности.

Литература

  1. Е.В.Платыгина, В.Ф.Теплых,ПТЭ,1998, № 5