DEVELOPMENT OF RADOMETER BASED ON SILICON DETECTORS WITH A BIG SENSITIVE AREA

Full Text

В последнее время все более пристальное внимание со стороны общественности уделяется вопросам радиоэ- кологии среды обитания человека. В атмосферном воздухе всегда присутствует концентрация радона [1; 2]. Радон об- разуется в недрах Земли в результате распада урана, кото- рый хоть и в незначительных количествах, но входит в состав практических всех видов грунтов и горных пород. В процес- се радиоактивного распада уран превращается радий 226, из которого в свою очередь и образуется радон 222. Радон может просачиваться из земной коры или высвобождать- ся из строительных и отделочных материалов. Основную часть дозы облучения от радона человек получает в закры- том, непроветриваемом помещении. По данным исследо- ваний, проведенных Всемирной Организацией Здоровья, оказалось, что радон-222 дает примерно 50-55% всей дозы облучения от естественных радионуклидов, которую еже- годно получает каждый житель Земли. Поэтому определе- ние объемной активности (ОА) радона является актуальной задачей. Заметим, что изучение вариаций концентрации ра- дона в подземном помещении и в глубинных скважных во- дах может привести к выявлению радоновых предвестников землетрясений. К настоящему времени, накопленный иссле- довательский материал по изучению концентрации радона сводится к определению его содержания в воздухе, а также в подземных водах, в то же время мало работ посвященных изучению механизма распространения изотопов радона в почве при движении пластов земной коры. Радоновые поля в Узбекистане ведут себя своеобразно, не так, как в Европе или, скажем, в Центральной России. Причин аномального поведения много. Это и повышенное содержание урана, радия и тория в породах Узбекистана, откуда уран вымывается дождями, ручьями и попадает в реки, это меняющие уровень грунтовые воды, поднима- ющие его на поверхность. Также влияние оказывает своео- бразная сейсмотектоника в Узбекистане: наличие разломов, трещин и сдвигов земной коры на территориях эпицентров землетрясений. К примеру, общая длина разломов и трещин под ташкентским мегаполисом достигает пятисот киломе- тров. Разломы и трещины земной коры как коллекторы - по ним радон перемещается с аномально высокой скоро- стью и вырывается на поверхность. В этой связи требуется сбор информации и составление карт радоноопасности тер- ритории Узбекистана, что в свою очередь, требует наличия достаточных приборов для измерения радона. В данной работе приводятся результаты разработки технологии изготовления, а также данные исследования электрофизических и радиометрических характеристик по- лупроводниковых поверхностно-барьерных и гетеропере- ходных Al-αGe-pSi-Au детекторов больших размеров. Также приводятся характеристики прибора радиометр радона из- готовленного на основе этих детекторов. Детекторы изготав- ливались из кремния n- и р-типа (Ø = 40-100 мм). Удельное сопротивление исходных пластин варьировалось в диапа- зоне 3-8 кОм ∙ см, а времени жизни неосновных носителей составляло τ = 300-1000 мкс. Изготовленные детекторы име- ли следующие характеристики: Диаметр - 40-100 мм, тол- щина чувствительной области W = 0,3-0,5 мм при рабочем напряжении Uраб = (10-80) В, «темновой» ток Iобр = 0,5-2 мкА, емкость С = 1000-1750 пФ, энергетический эквивалент шума Еш = 40-52 кэВ, энергетическое разрешение составляло Rα = 86 кэВ, при температуре Т = +27 °С. Внешний вид полу- ченных детекторов приведен на рис. 1 [3; 4]. image image а б Рис. 1. Полупроводниковые детекторы большого размера: а - поверхностно-барьерные; б - гетеропереходные Al-αGe-pSi-Au детекторы На основе поверхностно-барьерных и гетеропереход- ных Al-αGe-pSi-Au детекторов больших размеров разра- ботан прибор радонометр. Разработанный в лаборатории ФТИ АН РУз радонометр обеспечивает измерение содер- жания радона в воздухе, почве, воде и материале, а так- же позволяет проводить мониторинг в течение продол- жительного времени. Принцип работы прибора основан на закачке исследуемого воздуха в измерительную камеру и последующее измерение его радиоактивности в течение регламентного времени, причем устройство настроено на селективное измерение продуктов распада радона в ис- следуемом воздухе (без использования осаждения на по- глотители). На рис. 2 показан универсальный прибор ради- ометр радона. Рис. 2. Общий вид радиометра 222Rn 222Rn H = 1м image Воздух, H = 1м Уровень земли Computational nanotechnology 1-2019 ISSN 2313-223X Радиометр радона предназначен для измерения объем- ной активности (ОА) радона и его дочерних продуктов рас- пада (ДПР) в жилых и производственных помещениях, в ка- рьерах и подземных выработках, пробах воды естественных и искусственных водоемах, экологии. Данный радиометр может применяться для автоматизированных, непрерывных и экспресс измерений объемной активности (ОА) радона-222 и торона-220 в воздухе, воде, почве и в различных материа- лах. Радиометр выполнен в виде переносного прибора с ав- тономным питанием. Электронная схема настроена на кон- кретную идентификацию продуктов распада 222Rn, 220Rn, 218Po. Используемый датчик - кремниевый детектор боль- шого размера (диаметр чувствительной области 40-100 мм, толщиной - 0,5 мм, энергетическое разрешение по альфа-ча- стицам при энергии 5,5 МэВ составляет 60-80 кэВ). Использу- емые электронные компоненты позволяют эксплуатировать прибор при температуре от -20 до +35 °С. Прибор работает в комплекте с ПК с операционной системой Windows-ХР, 7, 8, а также автономно [3-5]. Нами проведены данным радиометром тестовые изме- рения, а также проведен мониторинг концентрации радона в г. Ташкенте (на территории Физико-технического института АН РУз) в течение двух месяцев. Измерения проводилось в почве на глубине 1 м. На рис 3 приведен график изменения объем- ной активности радона за период сентябрь-ноябрь 2018 г. Как видно из рис. 3 наблюдается вариация концентра- ции радона, которую пока однозначно связать изменением температуры и влажности не удается. Известно, что наря- ду с температурой и влажностью факторами, влияющими на выход радона из-под подпочвенного слоя, могут быть характеристики почвы (песчаные, глинистые), химический состав почвы (содержание окиси кремния SiO2). На наш взгляд, также влияние оказывает солнечная активность, поскольку с активностью Солнца связаны потоки нейтронов направленных на Землю. Эти потоки могут являться дополнительным источником, влияющим на выход радона из почвы. Для определения концентрации радона в воздухе (на уровне 1 м над поверхностью почвы) нами начаты изме- рения наряду с измерениями концентрации радона в почве. Первые результаты этих измерений приведены на рис. 4. Как видно из рис. 4, концентрация радона на воздухе значительно ниже концентрации радона в почве. Она так- же варьируется в зависимости от температуры, влажности и времени суток. Для выявления механизма изменения концентрации ра- дона, как в почве, так и на воздухе необходимо иметь доста- точный статистический набор данных. Нами предполагается провести набор, как суточных, так и сезонных данных в про- цессе дальнейшего выполнения работы. 250 Интенсивность, имп./с 200 150 100 50 0 В почве image 50 Радон Влажность 45 Температура Температура, °С Влажность, % 40 35 30 25 20 15 10 27.09.18 02.10.18 07.10.18 12.10.18 17.10.18 22.10.18 27.10.18 01.11.18 06.11.18 11.11.18 16.11.18 21.11.18 26.11.18 7:12 7:12 7:12 7:12 7:12 7:12 7:12 7:12 7:12 7:12 7:12 7:12 7:12 Рис. 3. График изменения ОА радона в почве за период 27.09.2018-23.11.2019 В воздухе image 16 14 Интенсивность, имп./с 12 10 8 6 4 2 05.01.19 05:50 01.01.19 23:29 29.12.18 17:07 26.12.18 09:47 23.12.18 03:17 19.12.18 20:47 16.12.18 14:39 13.12.18 08:00 10.12.18 01:36 06.12.18 19:01 03.12.18 12:40 30.11.18 06:08 26.11.18 23:34 23.11.18 17:01 20.11.18 11:07 17.11.18 05:38 12.11.18 17:29 0 45 40 35 Температура, °С Влажность, % Влажность 30 Температура 25 Радон 20 15 10 5 23.02.19 06:17 19.02.19 23:42 16.02.19 17:03 13.02.19 10:24 10.02.19 03:45 06.02.19 21:23 03.02.19 14:55 31.01.19 09:01 28.01.19 02:32 24.01.19 19:56 21.01.19 14:03 18.01.19 08:06 15.01.19 01:30 11.01.19 18:59 08.01.19 12:24 Рис. 4. График изменения ОА радона на воздухе за период 01.11.2018-25.02.2019

About the authors

Sali Ashirovich Radzhapov

the Physical-technical Institute SPA «Physics-Sun» of the Academy of Sciences of the Republic of Uzbekistan. Tashkent, Uzbekistan

Email: rsafti@mail.ru
Doctor of Sciences; leading researcher

Rustam Khakimovich Rakhimov

the Physical-technical Institute SPA «Physics-Sun» of the Academy of Sciences. Tashkent, Uzbekistan. Tashkent, Uzbekistan

Email: rustam-shsul@yandex.com
Doctor of Technical Sciences; head of Laboratory

Begjan Salievich Radzhapov

the Physical-technical Institute SPA «Physics-Sun» of the Academy of Sciences of the Republic of Uzbekistan. Tashkent, Uzbekistan

Email: rsafti@mail.ru
PhD student; researcher

Mars Akhmedovich Zufarov

the Physical-technical Institute SPA «Physics-Sun» of the Academy of Sciences of the Republic of Uzbekistan. Tashkent, Uzbekistan

Email: marsuz@rambler.ru
senior researcher

Sherzod Sharifov

the Navoi Department of the Academy of Sciences of the Republic of Uzbekistan. Navoi, Uzbekistan

PhD student; researcher

References

Supplementary files