Сибирские ученые сконструировали стенд для исследований радиационного старения полупроводниковых фотодетекторов

Такие приборы широко используются в установках для научных исследований, машиностроении, приборостроении (в том числе в космическом), энергетике и промышленности. С появлением нового стенда, работающего на базе установки бор-нейтронозахватной терапии в Институте ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН, можно будет изучить процесс их старения при воздействии высокого уровня радиационного излучения.

Стенд для исследования радиационного старения твердотельных фотоэлектронных умножителей (ТФЭУ) создали ученые Новосибирского государственного университета совместно со своими коллегами из ИЯФ СО РАН. Он интегрируется в установку БНЗТ, расширяя ее возможности — она способна облучать исследуемые приборы быстрыми нейтронами, а стенд позволяет наблюдать, как данный процесс влияет на их параметры. Первые испытания стенда были проведены в ноябре прошлого года.

«Под воздействием радиации, — в нашем случае это быстрые нейтроны, — происходит разрушение структуры связей в полупроводнике (как правило это кремний), из которого сделаны ТФЭУ. С другой стороны внутри какого-либо детектора, работающего на своем 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 перестает 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 Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН кандидат физико-математических наук Виктор Сергеевич Бобровников.

Стенд для исследований ТФЭУ состоит из трех основных элементов. Первый — это система распределения света от источника (лазера) до изучаемых объектов. Она необходима, потому что все оборудование должно располагаться в защищенной 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 ее называют климатической камерой). Она позволяет задать определенную температуру для ТФЭУ от -20 до +55 Со. Температура в данном случае является важным параметром, так как от нее 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. 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 элементов выполнить оценку уровня радиационной дозы. Это дает нам редкую возможность для тщательного исследования уровня воздействия радиации на ТФЭУ. Такая возможность отсутствует при проведении аналогичных исследований на реакторах», — 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 ученые отмечают, что эффект радиационного старения ТФЭУ проявился достаточно явно и осталось завершить анализ, чтобы полностью понять всю картину.

«Мы планируем провести модернизацию стенда с учетом полученного экспериментального опыта. Невозможно учесть все сразу — часть особенностей выясняется непосредственно в процессе работы. В проведенном 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  детектора MPD эксперимента NIKA (Дубна, Москва). Нам и нашим коллегам интересно знать отклик этих ТФЭУ на облучение», — сказал Виктор Бобровников.

Пресс-служба НГУ