Телескопические кремниевые детекторы большой площади для спектрометрии заряженных частиц низких и промежуточных энергий тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ инженерно-физический институт /•'"'.- (технический университет)

р г б од

Ы . на правах рукописи

2ШР 1935 -

Гуров Юрий Борисович

ТЕЛЕСКОПИЧЕСКИЕ КРЕМНИЕВЫЕ ДЕТЕКТОРЫ БОЛЬШОЙ ПЛОДАДИ ДЛЯ СПЕКТРОМЕТРИИ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ НИЗКИХ И ПРОМЕЖУТОЧНЫХ ЭНЕРГИЙ.

01.04.01 - техника физического эксперимента,

физика приборов, автоматизация физических исследований

Работа выполнена в : Московском государственной "инженерно-физическом, институте (техническом университете). . • ' ; -■'■'• .

Научный рукоиодитель: кандидат фияико-матекатических.

■...•'- наук " горнов м. Г. ■ .- ; "...' ;:

, • Официальные оппоненты: доктор .физико-математических '

наук, профессор Курении Л. Б. . , .'. , ' ' . - .

кандидат физикс-матекатических '. .' • наук, депонт Пятков Ю.В.

Ведущая организация; Институт теоретической и,

экспериментальной физики ......

защита состоится I/ > - ■ 1995 г. а час.Смин. на заседании'

диссертационного совета К 053.03.05. МИФИ, по адресу: , 115409,. Москва, Каширское шоссе/дом 31, телефон 323-91-67. '•'■ -.;.!,".■-'V.,'-; ■"

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИФИ

Автореферат разослан. О У 1995 г. -' .'. .

Просим принять участие в работе совета или прислать отзыв о одном экземпляре, заверенный печатью организации. - ...

Учений секретарь диссертационного совета

Гудков А. Н.

обшая?"характеристика, . работы

Актуальность диссертационной работа состоит н том,- что выпольешше в ней .; технологические и , методические разработки в облает , полупронодниковнх йнм-одетекторных систем ,позволяет : на современном "уровне обеспечить л. спектрометрию длиннопробетаых . заряжепных^ частиц ..в диапазоне энергий от нескольких КэВ до сотни МэВ, что делает возможным решение, физических задач в ' области исследования ядерных реакций. и структуры ядра на качестьешю попом уровне как- по прецизионности измерений, так. и по: вероятности изучаемых процессов. ' ,'. ■ ' . ■ •" ■

одной из основных: стимулирущих~ !1ричи1( развития многоэлемеитных систем из полупроводниковых детекторов (я.п, д.-телескопов) . послужило создание высбкшнтенсивных ускорителей - "мезонных фабрик". Для решения большинства задач, выполняемых на этих ускорителях,. требуются спектрометрические установки С разрешением порядка О. У/, в широком динамическом диапазона, таким высоким энергетическим ' разрешением 'наряду , с магнитными спектрометрами обладают и многослойное; систе.мы из п.п.д.. Причем в отличие от магнитных, они позволяют выжмпшть прецизионное измерение энергии и идентификации частиц в широком интервале энершй и масс - от пионов до многозарядкых ядерных фрагментов без • изменения в "настройте спектрометра, что существенно для скорости набора статистики и минимизации систематических' ошибок. Кроме того, такие свойства п,и.л,-телескопов, [ как компактность и простота." конструктивного исполнения позволяют создавать развитые «ногоилечевие спектрометры сложной конфигурации..

Развитие методики' измерений с помчит многослойных полупроводниковых .спектрометров , идет как По.'линий /использования .кремниевых .'детекторов! так и ' детекторов па основе сверхчистого Германия или их сочетаний! Германиевые .' телескопы, ' обладают, дахими преимуществами перед., .кремниевыми,. как большая! !< толщина . чувствительного , детекторного "вещества и. более. 1 высокая тормозная способность.. Однако,для обеспечения работоспособности п.п.д. из сверхчистого ■германия, необходимо их охлаждений до температуры жидкого азота, в то время как кремниевые. п;д. нормально функционируют ' при комнатной температуре. Данное обстоятельство для многих физических экспериментов является решавшим аргументом в пользу' выбора кремния- в качестве материала детекторов. Это особенно важно при использовании п.л.д.-телескопов в экспериментальных •установках из двух или нескольких плеч для исследования корреляционных процессов.' - ' •'..•. '.

В ряде задач, где многослойная структура является необходимым условием, а

толщина детекторов тесным образом связана с энергетическим разрешением телескопа и поэтому невелика, использование кремниевых детекторов более оптимально и удобно, чем германиевых. Одной из таких задач, является прецизионное измерение энергии низкоэнергичних отрицательных пионов.

Технические условия на детектирующие части (модули) спектрометрических установок, которые вырабатывались на стадиях подготовки и выполнения исследований, привели к необходимости. усовершенствовать технологию изготовления п.п.д., разработать методику получения исходных монокристаллов кремния с требуемыми параметрами и создать компактные полупроводниковые устройства для спектрометрии заряженных частиц, в том числе, отрицательных пионов низких энергий, совершенствование технологии изготовления 51-детекторов было направлено на то, чтобы многослойные спектрометры на их основе имели предельно достижимое энергетическое разрешение, большую светосилу и высокую надежность. ■ :..'• •; "- "-.Л • ■ ;...'■'.

заключалась.в решении следующих;задач; . ,; . .

1. Разработка методов получения;кремниевых детекторов большой площади' с тонкими нечувствительными ("мертвыми ") слоями. \ •-*

2. Разработка и создание кремниевых ' детекторов на'., основе' нейтронно-легированного материала. : -.'Ч''. . ''.''•. О-' г;-'.

3. Разработка и создание многослойного полупроводникового спектрометра, для, регистрации пионов низких энергий. V V , '

Научкая_новизна: '■•■■' .';.•"•,.- Г

-разработаны оригинальные технологические' методы, позволяющие изготавливать кремниевые детекторы большой площади с тонкими "мертвыми" слоями. , Это дало возможность приблизить .энергетическое разрешение многоелойных п.п.д.-спектрометров к суммарному разрешению детекторов;

-впервые экспериментально .показано, -что метод нейтронного легирования позволяет получать высокоомный кремний п~типа большого диаметра для создания поверхностно-барьерных. детекторов с высокими спектрометрическими характеристиками, надежно работавших в режиме полного обеднения;

-впервые спроектирован и создан многослойный полупроводниковый модуль, основной цель» и спецификой которого является спектрометрия отрицательных пионов низких энергий. V

Практическая_ценность работа заключается в трм, что в результате исследований получены кремниевые детекторы, которые: , '

. -позволили улучшить параметры действующихЧэкспериментальных установок: многоплечевого полупроводникового спектрометра заряженных* частиц для исследования реакций поглощения пионов ядрами, спектрометра ядерных фрагментов

для изучения Л-изобарных конфигураций в легких ядрах и установки для . /йй-исследований в газах. Указанные исследования проводились на ускорителях

спияф и ляп оияи; ■

-позволили создать компактные, полупроводниковые телескопы . низкоэнергнчиых ' ' пионов для решения, широкого круга задач на ММФ, В настоящее время разрабатываются кодификации таких спектрометров для исследований на ускорителе ; ' У-400М ЛЯР ОИЯИ. ; ' '- > '

Кроне того, выполненные методические и технологические разработки применяется ' в -экспериментальных. установках научных групп других • исследовательских центров (оияи,ифвэ,итэф,иаэ). .... Лвтдв_задщает:

. 1,метод изготовления омического ., контакта на поверхностно-барьерных детекторах (Э1(Аи)), который обеспечивает стабильность их работы в режиме полного обеднения..

2. Разработку метода создания кремниевых литий-дрейфовых детекторов с тонкими ' (20+40 мкм) нечувствительными (диффузионными) слоями.

3. Разработку и создание 31(Аи)-п. п.д. на основе высокооиного кремния'п-типа ... проводимости, полученного методом нейтронного легирования.

4.Разработку • и 'создание многослойного, полупроводникового спектрометра. я4-мезонов низких энергий, а также результаты экспериментальной проверки

'. .'■ методики идентификации пионов и измерения их энергии. "; •, , ЛП2обадия_^боты. Результат« исследований, положенные в основу диссертации,

V • представлялись; и обсуждались на международных совещаниях по полупроводниковым

детекторам (Дубна 1983,1987),'. Всесоюзной школе "пйлупроводнкковые детекторы в ядерной физике" (Рига 1985), Международной семшире по физике промежуточных энергий (Москва 1989) и докладывались на научных семинарах МИФИ,ОИЯИ,СПИЯФ. . . Публикации, в диссертации обобщены результаты, работ, выполненных автором в

197971991 гг. Основные результаты изложены: в. 8 рубликациях 11-8}..-.-• 'Структура и обгеи диссертации.- Диссертация состоит из введения, трех глав и

V заключения.. Содержит 70 страниц печатного текста, - 29 рисунков, 7 таблиц и ! список литературы нз 86 наименований. Полный объем 91 страница.

•'.'.;••' Г - . " ; КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ;

■Л Обосновывается актуальность работы, сформулированы ее цели и определены " . основные положения, вынесенные на защиту.,

В диссертации описываются разработанные методы изготовления

поверхностно-барьерных (ЭКАи) или п.С.д.) и литий-дрейфовых (йИШ) детекторов, которые позволили минимизировать их "мертвые" области и одновременно сохранить стабильность и надежность работы детекторов, в течение

длительных экспозиций ua пучках частиц ПтЗ). "'"'.,. ''>■'; ' ' V-

Проведена классификация кремниевых; детекторов для ' «ногсклойных спектрометров, исходя из их назначения и методики изгсшжления. Рассмотрено влияние нечувствительных слоев детекторов на спектрометрические характеристики полупроводниковых телесколов. Проанализированы и указаны недостатки известных, ранее методов изготовления кремниевых детекторов с точки"зрения минимизации их, "мертвых" слоев.- . . . . •"'••.'• ; .. '•' ••._'.• •

Для использования Si(Au)-p. п.д: в телескопических системах необходимо, чтобы эти детекторы работали вг режиме растяжки чувствительной области на полную толщину образца, т.е. В. режиме полного, обеднения. При этом вследствие неоднородности удельного сопротивления (р) даинйе условие'должно выполняться для областей с минимальным р. Это позволяет зафиксировать геометрию1 детектор и тем самым устранить неравномерный нечувствительный слой со стороны тыльного электрода. Известно, что основное влияние на надежную работу Si(Au)-n.п.д. в режиме полного обеднения оказывают свойства тыльного омического "контакта, с. целью улучшения стабильности. работа телескопических Si(Ли)-детекторов был усовершенствован способ их изготовления.: В разработанном' методе .омический контакт формируется термическим напылением слоя алвминия большей толщины, чем Принято по стандартной технологии. . V'\; /'■'}.'■"■"''.,-",

На рис.! "показами зависимости энергетического: разрешения от приложенного напряжения для Si (An)-детекторов с различнымисиическшш контактами. Дел всех

"детекторов, характеристики которых J > представлены на этой рисунке,, :\Ч напряжение полного ; обеднения равно

• 90В. Видно, что для детекторов с ; . • ■ традиционно используемыми оыичесхими ' контактами. (кривые ,Г и , 2), резкое :': ухудшение разрешения начинается сразу . : после выхода объемного заряда 1 на зада«» сторону детектора, в то же " время • детекторы; V изготовленные по * разработанной технологии,] имеют лрот V тяхенпые диапазоны рабочих напрякений , и могут эксплуатироваться без заметного измеиения' энергетического разрешения! при. напряжениях, в несколько раз превышавших, напряжение-полного ; .обед-2so жг/csf, . нения. •■■ „■:."■-i'; '."■* '"■■>•:'■."'"'>'- /

НЕа яэВ

Рис.1. Зависимость энергетического разрешения от напряжения снешвпия дня п.б.д. с разныкн омическими контактами: 1- С!е+А1'/г- А1<* 40 «КГ/СМ2,

3- А1- 100 икг/см* 4-S- Л!" 200 МКГ/СИ

; .Также 'было./установлено,','что с „увеличением "толщины алюминиевого слоя • улучшается "омичносгь" самого контакта,- На практике свойствам идеального омического контакта в наибольшой степени отвечает алюминиевый контакт толщиной

" 200 икг/смг. ; '- ' ;. ' -' ''••.'. '• ' . ■ • ..'•'...

- На основе • уеЬвершествованной технологии , были изготовлены . поверхиосгко-барьерные детекторы с рабочей:площадью 8 см2, толщиной от 50 до 700 мки и энергетическим разрешение* 30+50 кэВ. Полученные детекторы стабильно проработали длительное врёйя , (- ' 1000 часов) - в режиме перенапряжения " в Ускорительных экспериментах. ; :'.'.-""'"•;• Л. : '

Проблема улучшения параметров телескопических Si (Ш-детекторов связана с уменьшением их нечувствительных дивизионных слоев. При- изготовлении таких детекторов стандартный способом, в котором используется равномерный иагрев образца. толщшш "мертвых"областей составляют - S00 мкм. Доказано, что /наличие таких' ¡нечувствительных слоев приводит к -заметному ухудшению спектрометрических характеристик п.tí.д.-телескопов. ; ..

Для уменьшения "жертйыХ" /областей Si(Li)-n.п.д. был. разработан способ • проведения : диффузии лития с • пояоиьв . импульсов теплового излучения. Метод реализуется. е. . помощью установки, схема которой представлена на рис. 2. Для снижения глубины: диффузии 1к получения распределения концентрации примеси с / резким спадом осуществляется поверхностный разогрев образца с одной стороны при одновременной его охлаждении с. другой, это ведет к тому, что температура, ■ а следовательно и - коэффициент диффузии, от поверхности в объем образца

лепия: лиррузии лития с поиояьо

тепловых импульсов; 1-вакуутый. ~ рис.3. распределение концентрации и -в Яг:

объев, г-элекгрнЧескке вчоды. \-нягре>в трвяя импульсам длительностью

3-измучатель, 4-обра.зеп, 5-охлаж- . 15 с, скважность 5 кип, расстояние излуча-

даежая подложка, 6-объеы для толь-подложка 5 ни; г-равномерний нагрев

■ заливки жидкого азота всего образца Т = 360с, время £= 20 мин

' ' ' ■- - -'-" '' ■•■. 7 -у .•-•'.',■. •*.'.';

уменьшаются. Изменяя, температурный градиент в приповерхностной слое образца, можно значительно уменьшить "мертвый" литиевый слой.

Для сравнения на рис.3 приведены примеры распределения концентрации лития в кремнии после проведения диффузии разработанным и тргциционныл» способами, видно, что глубина залегания диффузионного слоя, полученного при наличии температурного градиента, на порядок меньше, чем при изготовлении по стандартной технологии. Кроме, того, , за: счет более высокой температуры поверхности кристалла в нашем методе возрастает поверхностная. концентрация , лития, что ведет к уменьшению контактных шумов ЗМШ-п.п.д..

Измерения толщин диффузионных слоев 1"ис) с шмоиьп «-частиц у детекторов, изготовленных по разработанной технологии,- показали, что ' они не' прев»иа«гг' 20+40 мкм , а их неоднородность не более 1 ыкм. При этой Б1(1.1)-детекторы большой площади (8 смг), полученные таким образом. Имели энергетическое разрешение по «-частицам -40 хэв.а по электронам внутренней конверсии : - зо кэв. Вахно также, что детекторы не изменили своих характеристик, проработав больше пяти лет в ускорительных экспериментах. ; V . . Г

В диссертации особое внимание было ; уделено измерению энергетического разрешения п. п. д.-телескопа на основе ЭНШ-детекторов. В реальной постанозке экспериментов на ускорителях существует ряд трудностей в определении приборной линии, в основном это обусловлено отсутствием пучков, высокого разрешений. Поэтому для измерения указанного параметра использовалась реакция поглощения остановившихся; тГ-иезонов ядром "в с/ регистрацией дейтрокоз, где неопределенности в энергии начального состояния практически отсутствуют. Такая реакция удобна для указанной цели, поскольку вблизи кинематической 'границы в реахции п +"в ■> <1 (1) проявляется хорошо;выделенный дейтронный пик (Ё 90 МэВ), соответствующий основному состоянию тяжелого фрагмента

На рис.4 представлена схема эксперимента, .Пучок отрицательных пионов. проЯдя через замедлотель 'и мониторную -систему, останавливался с мишени.

рис. 4. Схема ЖспёритнтальноР установки: С-графАтрвий _•*, замедлитель, Ю)1 и И02 - 51 (Ли)-нонкгориув я&гактори/ ' ■Т-брриая мнюнь, ТЕЛ.1 и ТЕЛ;2 - м.и.л. -телескопы

Вторичные частицы из . реакции поглощения пГ-меэонов ядрами мишени регистрировались многослойными п.п.д. г телескопами, каждый из которых состоял из двух Si (Аи)-детекторов-идентификаторов с толщинами 200 и 600 мкк и п-ти SKL1)-детекторов толщиной 3 мм. В первом цикле измерений спектрометр комплектовался Si(Li)-n.п.д. с "мертвыми" слоями ч^ зоо мкм, а во втором с v «30 мги. В обоих экспериментах высокоимпульсные дейтроны из реакции (1) останавливались в седьмом литий-дрейфовом детекторе каждого из телескопов.

На рис.5 представлёиы инклюзивные спектры дейтронов вблизи кинематической .границы реакции (1). Видно (рис.5а), что "мертвые" слои не только ухудшают энергетическое разрешение, но и приводят: к тому , \ что при обработке экспериментальных данных в области, нечувствительных слоев появляются значительные Искажения. , Рис.5б демонстрирует, что уменьшение ' нечувствительных слоев привело хулучшецйю энергетически- ; го'разрешения и одновременно резкому подавлению искажений спектра; . это • позволило полу-' чить экспериментальную информацию на качественно новом уровне. В спектре дейтронов, получешюм во втором эксперименте, наряду с основным . наблюдаются два возбуждению состояния 'ti 4,31 ИэВ и Е <* 5,38 МЭВ).

Таким образом, разработанные методы получения телескопических кремниевых детекторов позволили качественно .

улучиито' . спектрсматрию длиннспробежнык частиц и дали возможность приступить с 'разработке, п.п.д.-спектрометра' 1пзкоэнергичиых пионов на основе полностью обеднкшчх SS (Аи)-п.п.д..

" • В :, диссертации- исследована возможность:- получения ансскооачого хремния.

во 81 62 83 64 35 es в?

вэ ЭО 9) S2H Мэ3

Рис.5.Инклюзивные спектры дейтронов из реакции "в (л .й)У.,. измеренные с помошы? п. п.л--теле-скопоп на основе SKH )-дегекторов с толстит ía> а тонкими (6) иечувстмггелвныки слоями

п-типа методом нейтронного легирования и использования такого материала для ■ изготовления висококачествешшх' 6Ши)-п.п-.д.-;- в том числе .и детекторов-■ большой площади [4-6]. .- ;.. - .,..-,.. ■.

Показано, что для спектрометрии пиэхоэкергичних -т^-мезшов . необходимы светосильные п.п.'д. с толщиной чувствительной области 0,5-1,0 мм.; Поэтому.: естественный : решением проблемы - • комплектации. "пионного" спектрометра было .... использование ЗНЛч)-п.п.д. из кремния п-типа. которые имеют .наиболее простую и надежную технологи» изготовления. . Однако," к моменту начала настоящей работы ' существовав серьезные : трудности в получении ;кремния п-типа с удельным сопротивлением (р> > I комгсм и диаметром >, зр"мм,^которые"были обусловлены тем, что такой материал : являлся побочным продуктом. в процессе выращивания -кристаллов для электронной лромышешюсти. Поэтому детекторыизготавливали» из отдельных, фактически случайна полученных кристаллов. В . то = . время, :. внсокоомннй кремний р-типа значительно -/более: дюйгупэн'Д")й«• \6р1?сг»вню1й.:-' 'продукт висококачествениой збннсй'чистки; 'л ;;. '•?•:'■'

в данной работе нами используется, один из. воз«ож1шх: 'спооо^в ^полу^шдая > детекторного материала методом перекомпенсации кремнияр-типа в п-тип с помощью ядерной реакции, "зЦп.г^'зь—^'р,. идущей на тепловых нейтронах. Вследствие малого сечения реакции (<* 0,11 барн) и равномерного распределения : изотопа ~*°51 (содержание в естественной смеси 3,05%) в объеме кристалла Легирующая примесь фосфора, являющегося типичным донором,.также распределяется с высокой степенью однородности ( <1Х/с*}. •

На первом этапе исследований изучалась принципиальная возможность получения нейтрошю-легированногЬ кремния (и.*,к. К .с пригодного • для изготовления > • детекторов с площадью - 1 см2 н высокими спектрометрическими параметрами. Выл . отработан технологический цикл получения таких п.п.д.,' включающий:отбор-исходных кристаллоз,' выбор условий облучения, отжиг радиационных дефектов, измерение •' электрофизических параметров исходных . и сблучевшх • образцов, облученйе кристаллов-проводилось в тепловой колонне реактора МИФИ. ■ ;

изготовленные - из тмтронно-легировашюго кремния • (Ли)-п.п. д. использовались /ддя спектрометрии а-частиц. . электронов - и измерения энергии тяхелнх ионов, получешше аппаратурные спектры приведены на рис.6. Тис.6а гкисазивает.. что иа таких, детекторах можно достигнуть разрешения близкого к предельному при 'регистрации а-частиц..- Возможности по спектрометрии электронов демонстрирует рис.бб, ' где в спектре электронов • внутренней конверсии ' исто :ника20/В1 отче-птеэ выделены линии ; соответствующие * конверсии на К- и Ь-оболочках. Сравнительно низкое удельное сопротивление и высокая однородность ".'■ с-иециальш изготовленного кристалла позволили получить значительную

' напряженность электрического поля {« 3 В/икм) на п. п. л. и достаточно высокое энергетическое разрешение при регистрации тяжелых ионов (рис.бв). -

На втором этапе работ решалась задача получения . вксокоомного ; нейтрошо-легированного материала большого диаметра для изготовления телескопических (Ли)-детекторов.

В качестве ."' исходного . материала . были: выбраны монокристаллы..кремния диаметром 40 мм. в таблице 1 вместе с исходными", значениями удельного сопротивления и его. неоднородности (Р1, 5р])/ представлены/ аналогичные параметр« после облучения и отжига {рг> вр2). .. .там .- Ее.' представлены отношения полученных неоднородное- • тей к ожидаемым '.величинам' (бр^/бр'). Видно, что п результата,

5*вао

ВОО-,-'

520 .,(ат1ала

;Рис. б. спектры, полученные с помочьь 51(Ла)-п.п.д: из нейтронио-льгировшшого кремния: ,

а - спектр а-часяиц Ра (Е - 5,5 ИэВ). 1/= 150 В; ,

б - спектр 3.8. к. В1 (Е = Э75 кэв), . 100 И;

в - спектр ИОНОВ Хе С Е = 120 м?в (разрешения пучка 0,2 7.), и* 300 В

облучениям отжига происходит сглаживание неоднородности распределения электроактиввдх примесей относительно исходного кремния, именно этот эффект позволил получить нейтронно-легированный 1 внеокоомяый кремний' п-тйпа с удельным сопротивлением ришэ.[ чем у исходного кремния р-типа. . .'

из облученных.и отожженных образцов бэльаюго. диаметра были изготовлена . 81 (Аи)-детеггсри*-с .чувствительными размерами: площадь - 8 ск7', толдаиа -0,54-1,5. .мя: /энергетической!'! разреиеше. детекторов, нредставленноз п таб.1, определялось с . П0но1Яь»,:а-'-частш1 й ■ электронов внутренней конверсии. Для двух образцов .'изкссениз лтого параметра, было 'выполнено при температуре тадхого . азота. Значения энергетического разрешим*' детекторов сравнимы с величинами ДП лучших п.н.д.- различных типов ..Той же плоцади, изготовленных из обычного кремния по стандартной технологии. - . • ■ . . .

Таблица 1

«V, Ф V CP, ДЕ, кэв

otp КО«» см X ю1а KÓH > cu % Т=20"С Т--19 7'С

р-ТИП г . Н/СИ П-ТИ11 а э. Р

1 18 56 5.5'.. 16 58 0,33 35 28 18 2,5

2 16 67 5,5 27 62 9-33 40 35 -

3 23 53 4,0 " • 56 53 0,34 .45 ■ 40 18 2,4

Рис.7, зависимости:я-эиергетическаго разрешения, (¡-обратного тока сгг напряжения смешения для п. б. л. fs=8 сиг), изготовленного из образца í 2 (таб. i)

V икд. - . ■. • V- ■ "•

Детекторы, изготовленные из иысоко-

оинога :. нейтронна-легированного":. крем-; 1«я, предназначались для регистрации длинпдаробехньх частиц. Поэтому осо-' бое внимание было уделено их работе в режиме полного обеднения. Исследования показали, что их можно эксплуатировать при напряжении смещения, в г раза превышавшем напряжение полного обеднения Uo (рис.7).

: Наиболее'' существеший результат" проведенных исследований по использованию метода . нейтронного легирования, состоит в отработке полного технологического цикла по получению выссжоомиого кремния ; п-тина . и , изготовлении / на: его . основе ; партий Телескопических si (Ац)-п. п.д. больших геометрических- размеров; -1 ; . v ' ■ ' - <

Заключительная ; часть диссертации посвящена разработке и -созданию' многослойного полупроводникового спектрометра низкоэнергичных пионов 17,8).

Актуальность создания такого прибора, видна . из анализа' современных экспериментальных данных для различных физических задач,. в которых необходимо регистрировать п~-мезоны. Можно говорить, что практически " полиостью отсутствует надежная информация о, спектрах" заряжённыхпионов в области < 25 нэв. т.е. в'той области,: где эффективность магнитных .спектрометров является принципиально иалсЗЙ величиной. л .. : ; ^- ' . ,

основная идея созданного спектрометра состоит ь его .многослойиости. неопределенное энерговыделение в твердотельном детекторе в конце пробега при захвате и -мезона ядром делает невозможным использование метода измерения по полному поглощению и естественный решением в таком случае является применение

многослойных спектрометров. Слоистая структура из п.п.д. позволяет выделить детектор, где произошла остановка и восстановить энергию пиона по показаниям предыдущих детекторов,.

Детектирующий модуль состоит из двадцати четырех Б И Ли)-детекторов с . толщиной чувствительной области V =< бОО мкм, собранных в общем корпусе.

В головной части модуля для снижения порога регистрации пионов устанавливаются , 4 детектора с яепыаей толщиной (М = 100+400 мкм). Диаметры чувствительных . областей всех п, п.Д. составляют 32 мм (Б =8 см2). Данный набор детекторов позволяет регистрировать пионы с энергиями от 3 до 25 МэВ.

Методические эксперименты, направленные на проверку алгоритмов . восстановления энергии, и идентификации пионов, выполнялись па канале пионов низких энергий синхроциклотрона СПИЯФ РЛН. . . 'В первой серии измерений , . с помощью "магнитного канала таблица 2

'на спектрометр выводились .' положительные и отрицательные пионы с фиксированными ■ энергиями 8, зо, 12 МэВ

(пионнне линии) '.' Из резуль- -, татов, приведенных в табли-г це 2, видно, что измеренные V параметры пионных линий в '. ,' значительной-степени определяются разрешением капала" И ПОЗВОЛЯЮТ получить. ЛИШЬ;. . верхнюю оценку на собственное энергетическое разрешение спектрометра (<г 5 о,з МэВ).

во второй . серии измерений для более четкого определения величины

энергетического разрешения использовался другой способ калибровки, основанный

■ + -

на регистрации ц. от распада л в детекторе остановки. С этой целью . использовались пионц с . энергией 65 МэВ, которые проходили замедлитель и . спектрометр, регистрировал достаточно иирокиЯ спектр. Дальнейшая процедура калибровки; выполнялась следуищш образом: отбросив показания детектора, в котором. остановился "пион,'-" по показаниям предыдущих- детекторов четодом ' максимального правдоподобия определялась энергия пиона на входе в спектрометр. Далее из шлного эпёргошделения во всех детекторах вычиталась восстановленная входная -энергия.- Результат, полученный таким образом, соответствует ^перговыделепии - вторичных, частиц, испущенных при остановке писиа. Па рис.8

Параметры настройки Экспериментальные дашше

даошого пучка я. -мезмш л- -мезон;,1

Р ' Е а , Е , сг Е а

МэВ/с , МЭВ МэВ МЭВ Ид В МэВ МэВ

,47,9 ' 8,0 0,27 7,95 0,32 7,39 .0,29

±0,02 ±0,01

53,8 10,0 0,34 9,92 0,44 9,28 0,39

±0.03 ±0,01

' 59,1 12,0 0,41 10.83 0,51 11,30 0,49

±0,04 ±0, 01

/ представлены полученные. результаты для п ; и я~-мезотов! Для положителышх шонов отчет-,' ' ливо виден пик, соответствующий остановкам . -распадного мюона с . анергией 4, ,17 Мэв .в •.. чувствительно» объеме телескопа, .'.слева-, от,, пика -элерговыделения,. отвечавшие кюокам, . которые зарегистрированы , телескопом только . частично. Ширина пика соответсвует среднему энергетическому .разрешений' спектрометра в '., режиме -/Измерений-, "напролет". Экспериментально показано, что при регистрации пионов -'.;" /с энергией от 4 до 13 Мэв с * 250 кэВ. Также , следует /указать, . что для случаев имеющих практический интерес эффективность ; регистрации с разделением пионов по знаку .заряда составляет т> " 40"/..' '-•• •>■' ;

Набранный экспериментальный материал позволил -определить такой Важный параметр -для ' безмагнктных систем, как коз^ициент разделения пионов по знаку заряда (коэффициент режекции). '"."•-"'■ -'-' -..-'•• ; - /

Разделение и* и п~-иегоиов основывается 'па' .

Рис.8, .спектры эиерговылемсиий ;различии в. распределениях энерговыделений ' вторичных частиц для п -кезоиоц . -'.' - ""' -..' ' ■ ,"-' 1 „, .. ■' --■••- ;,

(й> и п'-хезонов (б) :.-'-; : вторичных частик {рис.я). показано, .что при

- . отборе событий с эиерговыделйпиями вторич-

ных частиц из "мюонного"

10 Е„,Ш»В

коэффициент рекегсдии к„*/п~- ' 12.

пика (ц + : »4.402): ,- экспериментально ; .получешшй' ",. . Коэффициент; рйжевдий К„+/я_ ' соответствует

величине отношения вероятностей прохождения я ; и -л -мезонов;-' по гипотезе -я' -мезона. Из рис.8 видно,"что Е^ для те+-мезоиов ограничено сверху, значением . эаергии распадного маова Е 4,17 мэв./ 01-бирая: события с .-¡Б ■ выше.' зтого -значения, можно выделить л -мезоны. Эффективность.отбора я -мезонов зависит от конкретного значения порога и при его изменении от 5 до 10 Мэв уменьшается с 60/, до 30'/.. Экспериментально'.показано, : что-При Е >"' 8 КэВ -ti) - '•'« 4050

" - --/- L ВТ, '■ - - . Я - '. . -

коэффициент ражекшш достигает 'значения к -'+ = 10. . '/' / . , .. "•. .■'.".'

- к -/я , / -.-.,. ' ".;,

Основной результат'этой части исследований состоит в сочданик сяоис'гого полупроводникового спектрометра, , который открывает новые, 'возможности .па спектрометр™ заряженных пионов в области .энергий 3+25 МэВ.' ■"-.' ,

Псиотше_£е^льтаты_£абота: . '

1. Разработан метод получения поперхностно-барьерннх детекторов, работающих в режиме полного «Хзеднения. Иктод основан на термическом папнпении слоя алюминия толщиной « 200 мкг/см2. Применение данной технологии-дало гозмотпость стабильно эксплуатировать телескопические Si(Au)-n. л.д. при напряжении ■смещения, в 2 раза пресишаюнем напряжение полного обеднения. . ,2. Разработан и реализован новый метод создания литий-дрейфовых детектороп с. . помощью .диффузии лития, стимулированной импульсами теплового излучения.

Указанным способом получены Si (Li )-п. п. д. .большой площади (S=8 см2) с гонкими : нечувствительными.диффузионными.слоями {20+40 мкм). это позволило приблизить энергетическое, разрешение 'шгогослойных спектрометре» к суммарному разрешению . .п.п.д. и" качественно улучшить физическую информацию о спектрах длиннопробежнцх .заряженных частиц с 100 МэВ. ; . з, ' впервые , показана принципиальная возможность использования : нейтронно-лёгированпого•кремния n-типа проводимости дли изготовления Si(Au)-детекторов с энергетическим разрешением близким к предельному .

'4. Обнаружено;-, что' и результате отхига и облучения происходит улу^шпуе микронеоднородноеги удельного сопротивления и его выравнивание на образца:: нейтрошю-легированного кремния. Это, впервые, дало возможность получить выёокоомпый кремний n-типа с р=, 60+130 кОм-см,' т. е. значительно вше, чем у 'исходного кремния р-типа (р= 2+20 кОм-см).

' . 5., Методом нейтронного. легирования получены высокоошше (10*60 коя-см) моиокриста-1лы. кр'емш« n-типа большого диаметра (40*50 мм), из которых изготовлена партия светосильных телескопических Si{Au)-n,п.д. для комплектации .спектрометра заряженных пионов низких энергий.

6. создан . многослойный полупроводниковый спектрометр для регистрации . заряженных пионов.в диапазоне энергий 3*25 МэП. Разработаны к экспериментально проверены алгоритмы восстановления энергии и идентификации и~-мезоноз, которые позволяют^ достигать энергетического разрешения о 0,3 Кэп и обеспечивают коэффициент разделения пионов по знаку заряда "

-основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах: : I. Торнов : M;f., i Гуроз а. Б.", Ильин X. Л., Морохсв П.В., Осипенко Б.П., Савельев В.И.саздуковский В.Г-. Сергеев Ф.М. , Шишков А.В., Солдагов A.M., ' Смирнов С. А;, Бесфамильное; С. в. i' Вер М.Н., курки а. а. Полупрозодникояые .."детекторы, для экспериментальных'исследований 'в'.;Ьбласти промежуточных энергий. J-- Международный семинар по физике промежуточных' энергий (INE5-89). И. 1990. Т.2. С.210-217. . .

2. горнов M. Г.,. Гуров'Ю. Б., Довгун. С. В., ■ савдуковский В. г. Телескопические -,, поверхностно-барьерные детекторы. - Приборы и техника эксперимента. 1994. * 3.

с. 55-58. . ' : ; • '.-;.' ,

3. Горнов И. Г., Гуров Ю. Б., Ким Зай Те, Ким -Чан Хг.ан, Осипенко Б, iL, Юрковски я. Полупроводниковые детекторы, полученные с помощью • диффузии ' лития, стимулированной тепловым излучением,- Приборы и техника эксперимента. 19S8. № 1. с. 57-60.

4. Горноп м.г.. Гуров Ю.В., Мороховец М.А., Неймарк к.П., Осипенко Е.П. Поверхностно-барьерные детекторы из кремния, легированного фосфором в потоке тепловых нейтронов. - Сообщение ОИЯИ, 13-12567. Дубна. 1979. 5с.

5. горнов м.г., Гуров В.Б., Мороховец И.А., Неймарк К.Н., Осипенко Б.П., Сандукопский В.Г. Поверхностно-барьерные детекторы из кремния, легированного фосфором в потоке тепловых нейтронов. - Приборы и техника эксперимента. 1983. № 5. с. 53-55. ,"

6. Горнов М.Г., Гребенникова О.М., Гуров в.G., мороховец U.A., Неймарк К.Н., Осипенко Б.П., Федоров В.В., Юрова Е.С. Полупроводниковые детекторы большой площади из высокоомного кремния, полученного методом нейтронного легирования.-Приборы и техника эксперимента. 1990. » 3. с.74-77.

7. Амелии А.И., Горнов М.Г., Гуров Ю. Б., лапушкин C.B., Печкуров В. А., Савельев в.И., Сергеев Ф.И., Ильин А.Л., Бесфамильнов C.B., солдатов А.М., Курин A.A., Бер М.Н., Смирнов с.А., Шишков A.B., Иорохов П.В., Шафигуллин Р.Р., Фатеев А.Ю, многослойный полупроводниковый спектрометр низкоэнергичных заряженных пионов. - Международный семинар по физике промежуточных энергий (INES-89). М. 1990. Т. 2. C.217-223.

8. Амелин A.n., Бер М.Н., Горнов М.Г., Гуров Ю.Б., Лапушкин С.в:, Морохов П.В., Печкуров В.Л., Шафигуллин, Р.Р., , Иуренкова Т.Д.,' Фатеев A.B. j Полупроводниковый спектрометр заряженных пионов низких энергий. - Приборы и , техника эксперимента. 1993. » 1. с.69-79." • \ , ..'

Подписано а печать 28,01.95 Заказ ¿£'4 .......^

Типография Ю!, Каширское шоссе, 31