Сконструирован стенд для исследований радиационного старения полупроводниковых фотодетекторов

28.01.2025



Стенд для исследования радиационного старения твердотельных фотоэлектронных умножителей (ТФЭУ) создали учёные Новосибирского государственного университета совместно со своими коллегами из Института ядерной физики им. Г.К. Будкера СО РАН.

Их разработка предназначена для работы на установке бор-нейтронозахватной терапии (БНЗТ), которая находится в ИЯФ СО РАН. Стенд предназначен для исследования радиационного старения ТФЭУ и интегрируется в установку БНЗТ, расширяя её возможности. БНЗТ предоставляет возможность облучать исследуемые приборы быстрыми нейтронами, в свою очередь стенд позволяет наблюдать, как данный процесс влияет на их параметры. Первые испытания стенда были проведены в ноябре прошлого года.

Сконструирован стенд для исследований радиационного старения полупроводниковых фотодетекторов 1-4.png (png, 379 Kб)

Твердотельные фотоэлектронные умножители (ТФЭУ) — тип фотодетекторов, которые широко используются в науке. Могут регистрировать единичные фотоны, являющиеся следствием взаимодействия частиц с веществом, сквозь которое они проходят. Поскольку таких процессов много (сцинтилляция, черенковское излучение, тормозное излучение и т. д.), то и область применения ТФЭУ очень разнообразна. Практически в каждом современном детекторе работают сотни и тысячи ТФЭУ.

«Под воздействием радиации, — в нашем случае это быстрые нейтроны, — происходит разрушение материала. Фактически нейтроны разрушают структуру связей в полупроводнике (как правило это кремний), из которого сделаны ТФЭУ. С другой стороны, внутри какого-либо детектора, работающего на своём коллайдере, в процессе столкновения встречных пучков частиц тоже образуются нейтроны, и, значит, наряду с „полезными“ частицами, для регистрации которых используются ТФЭУ, происходит их радиационное старение. В итоге образуются свободные носители заряда, формирующие темновой ток, и ТФЭУ в какой-то момент просто перестаёт работать. Поэтому необходимо знать допустимый уровень радиации, при котором можно их использовать. В то же время задача физиков — сделать детекторы такими, чтобы их системы эффективно регистрировали частицы и при этом как можно меньше были подвержены пагубному воздействию радиационного облучения», — рассказал ведущий инженер межфакультетской группы перспективных разработок кафедры общей физики Физического факультета НГУ, старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН Виктор Бобровников.

Сконструирован стенд для исследований радиационного старения полупроводниковых фотодетекторов 2-4.png (png, 104 Kб)

В 2022 году учёные НГУ и ИЯФ СО РАН в течение месяца на установке БНЗТ исследовали влияние радиации на оптическую прозрачность волокна, используемого в системе калибровки электромагнитного калориметра детектора CMS, работающего на Большом адронном коллайдере в Европейском центре ядерных исследований (CERN). Часть данного волокна расположена достаточно близко к месту столкновения адронных пучков, поэтому оно начинает темнеть — «стареть» под воздействием облучения. Исследования, проведённые учёными НГУ и ИЯФ СО РАН, показали, что прозрачность волокна деградирует на 25—30 % при дозе, соответствующей трём годам работы CMS на эксперимент. Команда калибровки калориметра CMS была полностью удовлетворена полученным результатом. В этом эксперименте исследователи использовали оборудование и методику проведения измерений, предложенную зарубежными коллегами. Полученный опыт был использован при создании нашего стенда для исследования ТФЭУ.

Стенд для исследований ТФЭУ состоит из трёх основных элементов. Первый — это система распределения света от источника (лазера) до исследуемых ТФЭУ. Она необходима, потому что всё оборудование должно располагаться в защищённой от радиации области (пультовой) для предотвращения порчи оборудования, в то время как ТФЭУ находятся непосредственно под воздействием радиации.

Второй элемент — камера тепла и холода. Иногда её называют «климатическая камера». Она позволяет задать определённую температуру для ТФЭУ от −20 до +55 градусов. Температура в данном случае является важным параметром, так как от неё зависит уже упомянутый ранее темновой ток ТФЭУ (или шум). Если этот шум достаточно велик, он может полностью заглушить полезный сигнал ТФЭУ. Также «климатическая камера» необходима исследователям потому, что температура окружающей среды достаточно нестабильна, а для повторяемости экспериментов, чтобы исследовать отклик ТФЭУ, необходимо работать в одном температурном режиме в строго одинаковых условиях. К тому же исследователям интересно проводить исследования за пределами комнатной температуры, чтобы лучше понимать возможности ТФЭУ. 

Сконструирован стенд для исследований радиационного старения полупроводниковых фотодетекторов 3-4.png (png, 371 Kб)

Третьей важной составной частью стенда является система сбора данных. Она нужна для оцифровки и последующей записи сигналов с исследуемых ТФЭУ, параметров лазера, параметров микроклимата в локации ТФЭУ, сигналов с датчиков, измеряющих стабильность лазерного источника и прозрачность оптического волокна, и так далее.

«Реализованные в стенде решения в той или иной мере уже используются в различных установках. Уникальность же заключается в самом процессе облучения ТФЭУ. Мы можем наряду с одновременным измерением параметров ТФЭУ выполнить оценку уровня радиационной дозы. Это даёт нам редкую возможность для тщательного исследования уровня воздействия радиации на ТФЭУ. Такая возможность напрочь отсутствует при проведении аналогичных исследований на реакторах, в конечном итоге вы получите ответ только о начальном и конечном состоянии вашего прибора без понимания, как менялись его параметры в течение облучения», — объяснил Виктор Бобровников.

Испытания стенда прошли в ноябре прошлого года. Получен значительный массив данных, который в настоящее время находится в процессе обработки, но уже сейчас учёные отмечают, что эффект радиационного старения ТФЭУ проявился достаточно явно, и осталось завершить анализ, чтобы полностью понять всю картину.

Сконструирован стенд для исследований радиационного старения полупроводниковых фотодетекторов 4-4.png (png, 89 Kб)

«Мы планируем провести модернизацию стенда с учётом полученного экспериментального опыта. Невозможно учесть всё сразу — часть особенностей выясняется непосредственно в процессе работы. В проведённом сеансе облучения мы работали с довольно старыми ТФЭУ, которые сейчас уже практически не используются, но вполне подходят для „обкатки“ методики измерений в реальных условиях. Сейчас у нас есть три типа ТФЭУ, используемых в настоящее время в реальных экспериментах. Один из них применяется в электромагнитном калориметре „шашлык“ детектора MPD эксперимента NIСA (Дубна, Москва). Нам и нашим коллегам интересно знать отклик этих ТФЭУ на облучение. Так что планы у нас обширные, по крайней мере, на ближайшие два — три года», — сказал Виктор Бобровников.

Текст: Елена Панфило.
Источник: НГУ.

©РАН 2025