Полупроводниковые детекторы ядерных излучений в задачах прецизионной спектрометрии радионуклидов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

Глава I. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДЕТЕКТОРЫ ДЛЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО

АНАЛИЗА ЯДЕРНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ.

§1. Классификация детекторов и основные положения.

§2. Требования к исходному материалу и условиям эксплуатации

2.1. Энергетическое разрешение

2.2. Параметры исходного и бе.

2.3. Эксплуатационные и технологические требования.

§3. Изготовление детекторов

3.1. Механическая и химическая обработка.

3.2. Поверхностно-барьерные детекторы

3.3. Компенсированные детекторы

3.4. HPGe -детекторы.

§4. Спектрометры.

4.1. Спектрометр типа "мини-апельсин"

4.2. Спектрометр для трехмерных амплитудно-временных измерений.

Выводы.

Глава П. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПОЗИЦИОННО-ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ

ДЕТЕКТОРЫ

§1. Классификация полупроводниковых ПЧД.

1.1. Непрерывные ПЧД.

1.2. Дискретные стрип-детекторы

1.3. Дискретные микростриповые ПЧД.

§2. Теория работы непрерывного ПЧД

2.1. Деление заряда на резисторе

2.2. Методы обработки позиционной информации

2.3. Линейность функции отклика.

2.4. Разрешающая способность

2.5. Влияние на позиционную информацию многократного рассеяния

§3. Изготовление непрерывных ПЧД

3.1. Методы создания резистивных слоев

3.2. Исследование электрических характеристик резистивных слоев

3.3. Одно- и двухкоординатные ПЧД из кремния п-типа

3.4. Однокоординатные Si ( Li )-детекторы.

3.5. Радиальные детекторы с линейным откликом

§4. Измерение электрофизических и спектрометрических параметров.

§5. Применение непрерывных ПЧД.

Выводы.

Глава III. МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА ПО ПОИСКУ БЕЗНЕЙТРИННОГО ДВОЙНОГО БЕТА-РАСПАДА С ПОМОЩЬЮ НР^е-СПЕКТРОМЕТРА

СОВПАДЕНИЙ.

§1. Современная экспериментальная ситуация с поиском -распада.

1.1. Методы исследования 2р -распада.

1.2. Условия проведения прямых экспериментов

§2. Постановка эксперимента с ПЛД.

§3. Прохождение электронов через вещество.

3.1. Измерение энергетических потерь электронов

3.2. Сравнение с теорией.

§4. Учет угловой и энергетической зависимости коэффициента обратного рассеяния

4.1. Многократное рассеяние электронов в германиевом детекторе

4.2. Проверка корректности алгоритма

§5. Функция отклика спектрометра совпадений

5.1. Алгоритм моделирования.

5.2. Результаты моделирования.

5.3. Эффективность регистрации -распада ^Ge.

§6. Чувствительность эксперимента.

Выводы.

Значительный прогресс в методике физического эксперимента в большой степени связан с применением полупроводниковых детекторов (ППД), а также с заметно возросшим уровнем автоматизации измерений. Особенно сильно это сказалось в области физики низких энергий. На основе полупроводниковых детекторов интенсивно разрабатываются методы прецизионной спектрометрии и их применение для решения таких фундаментальных проблем как существование двойного безнейтринного бета-распада ( ), природа и масса нейтрино и т.п., ведутся исследования свойств ядер, удаленных от полосы бета-стабильности.

Исключительно важным в проведении этих исследований является наличие детекторов, обладащих максимально возможным энергетическим (а в ряде задач и пространственным) разрешением, высокой эффективностью и стабильностью спектрометрических характеристик. Заметно возросший в последние годы уровень технологии производства исходных полупроводниковых материалов и в первую очередь высокочистого германия ( И PGe), открыл возможности для разработок ППД с рекордными параметрами.

Однако, выпускаемые отечественной промышленностью ППД, пока не удовлетворяют требованиям прецизионной спектрометрии. При этом следует отметить, что на момент начала настоящей работы отечественные ППД на основе германия для спектрометрии Х-излуче-ний и заряженных частиц отсутствовали. Ведущие западные фирмы освоили выпуск стандартных полупроводниковых спектрометров с высокими параметрами, но значительная стоимость сдерживает их широкое экспериментальное использование.

Кроме того, остаются актуальными проблемы разработки специальных детекторов и спектрометров, не выпускаемых промышленностью, предназначенных для решения конкретных физических задач. Требуют дальнейших исследований вопросы, связанные с созданием и использованием позиционно-чувствительных ППД, которые начинают находить все более успешное применение как в области физики низких, так и высоких энергий.

С точки зрения современных теорий объединения сильных и электрослабых взаимодействий важное значение имеет вопрос существования 2 -распада. На сегодняшний день наиболее чувствительным способом его регистрации обладает техника полупроводниковой спектрометрии. Однако, возможности традиционного подхода по-видимому исчерпаны и актуальным является поиск новых решений, позволяющих повысить чувствительность эксперимента и расширить круг изучаемых ядер.

Цель данной работы заключалась в решении следущих задач:

1. Разработка различных типов ППД из германия и кремния и создание на их основе специальных спектрометров для эффективного амплитудного и амплитудно-временного анализа заряженных частиц, Х- и /-излучений.

2. Разработка непрерывных позиционно-чувствительных детекторов и исследование возможностей их использования в задачах ядерной спектрометрии.

3. Исследование возможностей поиска 2 poV-распада с помощью многокристального HPGe -спектрометра совпадений.

Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения, в котором сформулированы краткие выводы по результатам, полученным в диссертации. В конце: каждой главы сделаны выводы, подводящие итоги данного раздела. В главах своя нумерация рисунков, таблиц и формул. Список цитируемой литературы также имеет нумерацию отдельно к каждой главе.

Выводы.

В результате проведенных исследований показана возможность проведения поиска -распада с помощью полупроводникового многокристального спектрометра, совпадений с чувствительностью на уровне лучших мировых достижений. В предлагаемой постановке поиск туп poV -Распада Se » входящего в состав -ИРбе. -детекторов, относится к классу прямых опознавательных экспериментов, а поиск <£|3>oV -распада занимает промежуточное положение между полными и опознавательными методами, т.к. применение многодетекторного телескопа вводит элемент координатной регистрации, а использование метода совпадений учитывает угловую корреляцию электронов.

На основе анализа имеющихся данных о поиске <2^0у -распада сформулированы критерии проведения эксперимента с высокой чувствительностью, которые касаются выбора нуклидов - наиболее перспективных кандидатов на поиск -распада, влияния внешнего и внутреннего фона, роли энергетического разрешения и т.п.

Проведено прецизионное экспериментальное исследование процесса прохождения электронов (500 - 1700 кэВ) через алюминиевые и медные поглотители различных толщин (до — 100 мг/см2). Получены точные значения величин наиболее вероятных энергетических потерь, флуктуаций потерь и энергетических распределений потерь электронов после прохождения поглотителя. Сделано сравнение полученных экспериментальных результатов с теоретическими расчетами. Показано, что теория Ландау удовлетворительно описывает наиболее вероятные потери до толщин 4 50 мг/см^,,но дает заниженные значения для флуктуаций потерь. Включение в теорию Ландау резонансного фактора Блунка-Лейзеганга с использованием аппроксимации

Финдли-Дюсотоя приводит к хорошему согласию расчетов с экспериментом для толщин ~ ^ 50 мг/см^.

Исследовано обратное рассеяние электронов от германиевого детектора. Исходя из процесса многократного рассеяния электронов в германии с использованием метода Монте-Карло показано, что наиболее адекватной формулой, учитывающей угловую и энергетическую зависимость коэффициента обратного рассеяния, является формула Кузьминых и Воробьева. Представлен алгоритм расчетов, с помощью которого получена эффективность регистрации электронов от распада -HPGe -детектором.

На основе предложенной модели, учитывающей информацию об энергетическом и угловом распределении электронов -распада, многократном рассеянии электронов в источнике и детекторах, фоне в области суммарно-энергетического спектра электронов исследована функция отклика спектрометра совпадений ( -МРбе.-детектора). Продо ведено моделирование эксперимента по поиску -распада Са и построены модельные спектры для различных угловых и энергетических распределений электронов, предсказываемых теорией. Представлен подробный алгоритм моделирования. Показано, что для источника 48Са 25 мг/см^ возможно получить энергетическое разрешение дЕ = 30 кэВ в режиме совпадения (для угловой -f ( О ) и энергетической F (Е) корреляционных функций, соответствующих toy^O). Сделана оценка чувствительности эксперимента по поиску <2рсу -распада ^Са и с помощью спектрометра совпадений, состоящего из 32 -HPQ^. -детекторов (25 см^ х 0,6 см) и 30 источников (25 мг/см^). Показано, что в предлагаемой постановке возможен поиск -распада 48Са на уровне Tj^^IO2^ лет и "^сЗе

OQ на уровне Tj/2 > 3-10 лет.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В исследованиях, составляющих предмет настоящей работы, развито актуальное методическое направление - создание полупроводниковых детекторов и их использование в прецизионной спектрометрии радионуклидов. Показаны новые возможности применения ППД для решения широкого крута задач ядерной физики. Результаты диссертации можно кратко сформулировать в виде следующих выводов:

1. Разработана и развита методика изготовления из германия и кремния различных типов ППД, предназначенных для прецизионного анализа энергий и интенсивностей заряженных частиц, Х- и /-излучений. Сформулированы и систематизированы критерии отбора исходных монокристаллов, а также требования, предъявляемые к конструкционным материалам и условиям эксплуатации ППД.

Созданные оригинальные технологические приемы и оборудование позволили изготавливать различные «оЦАи)-, Si (Li )-, Ge(Li )-, бе (Li , All)- и НР(де-детекторы, имещие спектрометрические параметры, близкие к предельно достижимым.

2. На основе Ge(Li ) и НР(де-детекторов показаны новые возможности применения ППД в составе прецизионных спектрометров заряженных частиц и /-излучения.

Создан спектрометр для исследований электронов внутренней конверсии типа "мини-апельсин", в котором впервые тороидальный фильтр из постоянных магнитов используется в сочетании с MPGe. -детектором. Спектрометр позволяет значительно увеличить избирательность регистрации электронов и эффективность измерения в диапазоне 100-1000 кэВ, при высоком энергетическом разрешении.

Применение МР(зе-детектора дает возможность проводить в процессе измерения точную энергетическую калибровку с помощью внешних /-источников.

Создан спектрометр совпадения для трехмерных амплитудно-временных измерений, совмещающий два6е(1-Л ) или два МРбе -детектора в одном криостате. Во втором случае радиоактивный источник находится внутри криостата, что обеспечивает возможность исследования е-/, Х-/, Х-Х, Х-е и е-е-совпадении.

3. Разработана и экспериментально реализована методика создания непрерывных позиционно-чувствительных детекторов (ПЧД) из кремния, позволившая изготавливать: однокоординатные (до 50 мм), двухкоординатные (до 30x30 мм) и радиальные (диаметром до 40 мм) ПЧД, имещие позиционное разрешение I % геометрических размеров чувствительной области (для <?С -частиц - 5,5 МэВ) и нелинейность функции отклика ^ I %.

Сформулированы требования, предъявляемые к исходному материалу и резистивному слою - основному элементу детектора, а также к параметрам внешней электроники. На примере электронов показано влияние многократного рассеяния заряженных частиц на координатное разрешение детекторов.

4. Предложен новый метод создания непрерывных ПЧД, основанный на низкотемпературной диффузии лития в п -кремний. Метод позволяет изготавливать непрерывные детекторы с высокой однородностью резистивного слоя (лучше 99 %) и высокой воспроизводимостью параметров. Сравнительно скромное по сравнению с другими методами (например, имплантацией) технологическое оборудование делает разработанный метод легкодоступным. На основе метода низкотемпературной диффузии разработаны однокоординатные, компенсированные литием, детекторы из р -кремния, предназначенные для регистрации длиннопробежных заряженных частиц.

5. Предложены два новых метода получения резистивных слоев с градиентом проводимости, на основе которых впервые созданы радиально-чувствительные детекторы с линейной функцией отклика.

6. Показаны различные возможности использования разработанных непрерывных ПЧД для регистрации заряженных частиц. Впервые экспериментально реализовано применение непрерывных ПЧД в составе магнитного р -спектрометра типа ir{z , позволившее получать разрешение по импульсудр/р = 0,3-5-0,2 % для электронов в диапазоне энергий 300*1000 кэВ. Эффективность измерения по сравнению с ранее использованным одноканальным методом регистрации (счетчик Гейгера-Мюллера) увеличилась более чем в 50 раз при снижении фона в ~ 5 раз.

7. Впервые проведены исследования возможностей поиска двойного безнейтринного бета-распада (<2|30^) с помощью многокристального НРбе -спектрометра совпадений.

С помощью методов прецизионной спектрометрии экспериментально исследован процесс прохождения электронов с энергией 400-5-1700 кэВ через вещество. Показано, что наиболее адекватное описание экспериментальных данных дает аппроксимация Финдли-Дю Сотоя для функции распределения потерь по Ландау с учетом резонансного фактора, введенного Блунком и Лейзегангом.

8. На основе разработанной модели эксперимента по поиску -распада, используя метод Монте-Карло, построены суммарно

48 п энергетические спектры электронов для Са, и получена функция отклика HPGe-спектрометра совпадений, позволившая сделать оценку чувствительности предлагаемого эксперимента. Для спектрометра из 32 детекторов и 30 источников ^3Са получено: >

ТО22 лет, Tyz (76<Se ) ^ 3-Ю23 лет (при 68 $CL ).

В заключении автор считает своим приятным долгом выразить глубокую благодарность научному руководителю, доктору физико-математических наук Ц.Вылову за руководство, постоянное внимание и помощь в выполнении настоящих исследований, а также члену-корреспонденту АН СССР В.П.Джелепову, профессору К.Я.Громову за предоставленную возможность проведения этих работ.

Особую благодарность и искреннюю признательность хочу выразить руководителю группы полупроводниковых детекторов Лаборатории ядерных проблем Б.П.Осипенко за постоянную поддержку, ценные советы и плодотворное сотрудничество.

Я очень благодарен Я.Юрковскому, А.Маринову, Е.Бельцажу,

B.Н.Покровскому, Б.Амову, И.Адаму, внесших важный вклад в совместные работы. Благодарю сотрудников группы полупроводниковых детекторов Л.А.Миронову, В.Г.Жукову, Н.А.Калинину, И.Н.Егошина,

C.И.Минькова, оказавших большую помощь при создании полупроводниковых детекторов.

Я искренне признателен многим сотрудникам Отдела ядерной спектроскопии и радиохимии ЛЯП ОИЯИ помогавшим на разных этапах выполнению исследований, а также сотрудникам Научного отдела главного ученого секретаря и Издательского отдела ОИЯИ, оказавших большую помощь при оформлении диссертации.

1. Mayer J.W., Gossick B.R. Rev.Sci.1.strum., 1956, vol.27, No.6, p.407.

2. Pell E.M. J.Appl.Phys., 1960, vol.31, p.291.

3. Головин Б.М., Осипенко Б.П., Сидоров А.И. ПТЭ, 1961, №6, с.5

4. Freck D.V., Wakefield J. Nature, 1962, vol.193, p.669.

5. Матвеев O.A. Атомная энергия, 1964, №16, с.3б2.

6. Tavendal A.J. IEEE Trans.Nucl.Sci., 1964, vol.NS-11, No.3, p.191,

7. Dearnley G., Northtrop D.C. Semiconductor Counters for Nuclear Radiations. London, 1966.

8. Акимов Ю.К. и др. Полупроводниковые детекторы ядерных частиц и их применение. М., Атомиздат, 19б7.

9. Балдин С. А. и др. Прикладная спектрометрия с полупроводниковыми детекторами. М., Атомиздат, 1974.

10. Азимов С.А. и др. Кремний-литиевые детекторы ядерного излучения. Ташкент, "ФАН", 1981.

11. Walton J.T., Goulding F.S. et al. Status and Problems of Semiconductor Detectors. Nucl.Instr. and Meth., 1982, vol.196, No.1, p.107.

12. Sakai E. Present Status of Room Temperature Semiconductor Detectors. Nucl.Instr. and Meth., 1982, vol.196, No.1, p.121.

13. Haller E.E. Detector Materials: Germanium and Silicon. IEEE Trans, on Nucl.Sci., 1982, vol.NS-29, No.3, p.1109.

14. Рыбкин C.M. и др. Ж.техн.физ., 1964, т.34, №8, с.1535.

15. Kimerling L.C. et al. Proc. IEEE, 1969, vol.57, No.2, p.208.

16. Tavendale A.J. Nucl.Instr. and Meth., 1970, vol.84, No.2, p.314.17