Development of Silicon Detectors and Electronic Units for Radiometer Alpha-, Betaand Gamma-radiation

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Spectrometry of nuclear radiation using semiconductor detectors (SPDs) originated in the early 1960s. Of all the tasks of nuclear radiation spectrometry, the most urgent is the creation of specialized instruments for scientific research and experiments. With the improvement of PPD manufacturing technology, new opportunities for improving the operational parameters of PPDs appear, and the range of tasks solved with their help is expanding. The article describes a special manufacturing technology for a silicon detector with a large sensitive area and working volume, as well as radiometers based on them. The developed technology for the manufacture of detectors ensures the minimum thickness of the “input” and “output” windows, which is important for measuring low-energy particles and allows measurements in 2π-geometry. In world practice, such detectors are rarely used. The paper presents the structure and block diagram of the developed radiometric device based on large detectors for rapid measurement of low-intensity radiation of radioactive elements. Detectors are developed taking into account the planned physical experiments and are manufactured for certain types of radiometers to perform a specific task. The developed device is designed to measure the volumetric activity of radon alpha radiation and the activity of beta and gamma radiation of natural isotopes (238U, 234U, 232Th, 226Ra, 222Rn, 218Po, 214Bi, etc.) in various media. The device is mobile, compact and safe, and can be used both in the field and stationary. The article presents the results of a study of the activities of alpha, beta and gamma radiation of soil air from a well 1.5 m deep. on the territory of one of the foothill regions of the republic. Measurements are taken in real time, online and the data is displayed on a computer monitor.

Full Text

1. Введение Физическое воздействие ионизирующей радиации любого вида на ткани живого организма приводит к разрушению отдельных сложных молекул и элементов клеточных структур. Хотя малые дозы облучения не вызывают каких-либо изменений в человеческом организме, их действие не является совершенно безвредным. Поэтому общим правилом при работе с радиоактивными изотопами и другими источниками ионизирующей радиации является сведение уровня облучения человека к возможному минимуму и есть необходимость измерения радиации в области низких фонов. Гамма-, бета- и рентгеновские лучи одни из наиболее проникающих видов ионизирующих излучений, поэтому при внешнем облучении они представляют для человека наибольшую опасность [1]. По расчетам известно, что радон формирует более половины эффективной дозы облучения человека от всех источников радиации [2]. Этот газ и продукты его распада излучают опасные α-частицы, которые разрушают живые клетки [3-5]. В настоящее время концентрация радона контролируется в зданиях как первый этап защиты населения. Радон может просачиваться из земной коры или высвобождаться из строительных и отделочных материалов [6]. Необходимость контроля и обнаружения излучений обусловлена потребностью некоторых отраслей экономики (строительство, при производстве строительных материалов и т.д.), коммунальное хозяйство, лабораториями по исследованию окружающей среде и СЭС. Приборы для обнаружения излучения необходимы на предприятиях горнодобывающей промышленности, при добыче и переработке нефти, газа, угля и других полезных ископаемых, где используются для обследования и оценки радиационной обстановки окружающей их среды [1]. Таким образом, задача разработка радиоспектрометрического устройства альфа-, гамма- и бета-излучения является актуальной. «В связи с этим необходимы компактные, безопасные и точные радиометры, регистрирующие естественные радиоактивные излучения слабой активности, работающие как в счетном, так и спектрометрическом режимах» [1]. Такие приборы разрабатываются с учетом конкретных условий и предполагают оптимальные технологические решения. Актуальность создания таких приборов также определяется необходимостью для экспрессного измерения альфа-, бета- и гамма-излучения (238U, 234U, 232Th, 226Ra, 222Rn и т.д.) естественных изотопов в различных средах. 2. Постановка проблемы Детекторы с большой чувствительной областью и рабочим объемом из кремния диаметром больше 30-70 мм и толщиной 0,2-0,8 мм, в мировой практике используются очень мало [7]. Разработка детекторов больших размеров позволит изготовить компактные точные приборы для контроля альфа-, бета- и гамма-излучения, необходимых для регистрации излучения слабой активности. Целью данной работы было создание измерительного комплекса регистрации альфа-, бета- и гамма-излучения с использованием современных достижений в управлении, математической обработке и визуализации. 3. Разработка детекторов За счет увеличения чувствительного объема, существенно увеличится чувствительность детектора. Увеличение площади и рабочего объема детектора позволит измерять широкий диапазон энергии излучения от 100 кэВ до 8-10 МэВ. Для регистрации малоинтенсивного ионизирующего излучения детектор должен иметь минимальный уровень шума. Следовательно, одной из задач является нахождение путей уменьшения шума детектора с целью улучшения энергетического разрешения системы. Как известно, шум детектора складывается из теплового шума, обусловленного флуктуациями скорости теплового движения свободных носителей заряда в полупроводнике и шума обусловленного обратными токами. С этой точки зрения, для обеспечения минимального уровня шумов детектора, критичным является выбор исходного материала с минимальными размерами локальных неоднородностей. С другой стороны необходимо учитывать и технологический фактор, так как во многих случаях основной вклад в токовые шумы вносят поверхностные токи, значения которых зависят от свойств поверхности, т.е. от чистоты и качества обработки. Таким образом, для получения детекторов с минимальным уровнем шумов необходимо выбирать исходный Si с минимальными размерами локальных неоднородностей, которые малы в исходном Si с ρ = 2-3 кОм ∙ см, обеспечивая этим самым минимальный вклад в емкостную составляющую шума детекторов избыточной барьерной емкости, обусловленной этими неоднородностями [8; 9]. Детекторы изготавливались из p-Si диаметром 30-80 мм с удельным сопротивлением 2-3 кОм ∙ см, временем жизни неосновных носителей τ ≥ 300 мкс, вырезанные в виде шайб толщиной 500-1000 мкм. Толщина чувствительной области детектора для конкретного эксперимента выбирается исходя из формулы (1) где m, е - масса и заряд электрона, соответственно; z - заряд частицы; υ - ее скорость; Z - атомный номер вещества поглотителя; N - число атомов в 1 см3 поглотителя; М - масса частицы; В - коэффициент торможения [6]. На пластины проводилась диффузия лития на глубину 30 мкм при температуре t = 400 °C по технологии, описанной в [10; 11]. Дрейф ионов лития проводился при температуре t = 80-90 °С и напряжении U = 60-150 В, с последующим низкотемпературным (t = 60 °С, U = 200 B) импульсным выравнивающим дрейфом в соответствии с режимом, предложенными в работах [12; 13]. Детекторы, получаемые методом дрейфа лития имеют более толстые чувствительные слои, что важно для измерения бета- и гамма-излучений. После проведения полной компенсации i-области, весь кристалл подвергался специальной химико-технологической обработке в целях обеспечения минимальных толщин «мертвых» слоев «входного» и «выходного» окон. При химическом травлении происходит своеобразная очистка поверхности: верхний слой полупроводника, в котором сосредоточены деформационные нарушения решетки, вызванные механической обработкой, а также органические и другие загрязнения снимаются, а также стравливается диффузионный слой. Для обеспечения высокой плоскопараллельности их поверхностей нами разработаны специальные приспособления технологических процессов [14]. Был выбран состав травителя из смеси плавиковой, азотной и уксусной кислот в соотношении 1 : 6 : 4 и рассчитана скорость травления 3,0-3,5 мкм/мин. Окончательная толщина пластин варьировалась от 200 до 800 мкм. С учетом пробега альфа частиц, образующихся при распаде радона, и пробега бета- и гамма-излучения в кремнии выбирались детекторы нужной толщины. С помощью эпоксидной смолы ЭКЛБ-10, обладающей хорошими адгезионными свойствами, пластины приклеивались на корпус. Затем методом вакуумного испарения при давлении 3 ∙ 10-5 мм рт. ст. на пластины наносили контакты на основе аморфного кремния α-Si толщиной 300 Å и алюминия также толщиной 300 Å на одну строну (выходное окно) и на другую сторону (входное окно) золота толщиной 200 Å. Аморфный кремний, напыленный на компенсированный кремний обеспечивает хороший омический контакт. Разработка и оптимизация технологии изготовления, численные расчеты и компьютерное математическое моделирование, кремниевых детекторов больших размеров, проведенных нами описано в работах [10-15]. Преимущество детекторов, изготовленных по данной технологии состоит в относительно малых потерях энергии со стороны золотого ΔЕвх ≤ 12 кэВ и алюминиевого слоя ΔЕвых ≤ 20 кэВ. Малые потери энергии в “мертвом” слое входного и выходного окон обеспечивают измерения в 2π-геометрии [2]. Исследования электрофизических и радиометрических характеристик показали, что детекторы площадью 20-50 см2 имели энергетическое разрешение по α-частицам 226Ra с энергией Еα ~ 7,65 МэВ ~ 50-90 кэВ. Обратный ток при рабочем напряжении Uраб ~ 10-50 В, Iобр ~ 0,5-1,5 мкА, шум Еш ~30-50 кэВ, емкость С ~ 500-2400 пФ. «Энергетическое разрешение определялось, в основном, емкостными шумами [2]. Методика измерения энергетического разрешения по ГОСТу 26222-86 «Спектрометрическая установка, используемая в измерениях энергетического разрешения, была откалибрована по образцовому α-источнику 226Ra» [2]. 4. Разработка радиометрического устройства На основе детекторов большого размера разработано и изготовлено радиометрическое устройство, состоящее их трех радиометров для измерения объемной активности радона, активностей бета- и гамма-излучений. С помощью устройства можно также измерять относительную влажность и температуру [2]. Прототипом каждого радиометра является радонометры, описанные в работах [14-17]. Был разработан метод регистрации альфа-, бета- и гамма-излучений. Анализируемый почвенный воздух с помощью внешнего управляемого воздухозаборника по гибким шлангам нагнетается в рабочие камеры. Каждая камера представляет собой герметичный цилиндр, в центре которых находятся детекторы. Излучения, регистрируемые детектором, преобразуется в импульсы напряжения, которые усиливаются и передаются в персональный компьютер с установленным программным обеспечением, где осуществляется обработка и визуализация результатов измерения. Объемная активность альфа частиц радона рассчитывается из соотношения: A = N/tV, (2) где А - объемная активность (Бк/м3); N - число импульсов; t - время (с); V - объем рабочей камеры (м3). Активность бета- и гамма-излучения измерялись в беккерелях по программе компьютера. Структурная схема радиометрического устройства на основе детекторов больших объемов дана на рис. 1. Рис. 1. Структурная схема радиометрического устройства: РК 1, РК 2, РК 3 - рабочие камеры с альфа-, бета- и гамма-детекторами; УСИ 1, УСИ 2, УСИ 3 - узлы усиления и селекции информации; МК - микроконтроллер; ВП - узел вторичного электропитания; ВЗ - воздухозаборник; ПК - персональный компьютер; GSM/SMS - модуль Fig. 1. Block diagram of the radiometric device: WK 1, WK 2, WK 3 - working chambers with alpha, beta and gamma detectors; UАSI 1, UАSI 2, UАSI 3 - information amplification and selection units; MK - microcontroller; SP - secondary power supply unit; AI - air intake; PC - personal computer; GSM/SMS - module Радиометрическое устройство состоит из следующих элементов: рабочие камеры с детекторами (РК1, РК2, РК3), узлы усиления и селекции информации (УСИ1, УСИ2, УСИ3) - аналоговая часть, микроконтроллерный узел (МК) - цифровая часть, узел вторичного электропитания (ВП), узел воздухозаборника (ВЗ), персональный компьютер (ПК), с установленным программным обеспечением, GSM/SMS-модуль. Работа функциональных узлов описана в [18-19]. ПК работает онлайн в режиме реального времени. Прибор снабжен GSM/SMS-модулем, который может передавать информацию через SMS с помощью специальной программы на персональный компьютер ПК или на телефон. Микроконтроллерный узел, который используется в данном радиометре, обеспечивает полную автономную работу регистрации прибора. На рис. 2 представлен общий вид радиометрического устройства. В соответствии с поставленной задачей была разработана обвязка микроконтроллера и разработано программное обеспечение «зашитое» в управляющий микроконтроллер. Программное обеспечение обеспечивает варьируемое управление технологическим процессом измерения: выбор варианта работы устройства - ручной или автоматический (периодический); варьируемое управление регламентом работы воздухозаборника; варьируемое управление регламентом измерения; измерение погодных режимов работы - температуры и влажности; управление встроенными электронными часами реального времени и даты; обеспечение логической связи с компьютером по интерфейсу USB. Программное обеспечение компьютера. Для обработки, полученной информации, устройство подключено к персональному компьютеру или к телефону, на котором установлено разработанное прикладное программное обеспечение - программа RMI-V1.4 [20]. Используемые электронные компоненты позволяют эксплуатировать прибор при температурах от -20 °С до +35 °С. 5. Исследования альфа-, бета- и гамма-излучения радиометрическим устройством На рис. 3 показаны зависимости объемной активности радона (альфа частиц) и активности бета- и гамма-излучений почвенного воздуха. Исследования проводились с 3 марта по 14 июля 2022 г. на территории одной из предгорных областей республики. Исследования показали (см. рис. 3) зависимость объемной активности альфа частиц радона от влажности и соответственно от температуры. С увеличением влажности активность радона увеличивается, видимо это связано с тем, что альфа частицы прилипают к парам воды и поднимаются с грунтовыми водами по трещинам из почвы, увеличивая объемную активность радона почвенного воздуха. Наблюдаемый всплеск гамма излучения в зоне исследуемого объекта может быть связано с активными деформационными процессами, происходящими в зонах разломов земной коры Республики Узбекистан. Поскольку геотектоническая структура территорий Республики характеризуется многочисленными тектоническими аномалиями так как относится к сейсмоактивной зоне. Разломы, разрывные нарушения, трещины, сдвиги и другие тектонические аномалии земной коры влияют на активность излучений. Из недр Земли по таким разломам могут поступать потоки грунтового воздуха и воды с высоким содержанием радона и других излучений. Существует множество источников генерации излучений, тектонико-сейсмические характеристики относятся к основным признакам радиационной опасности территории [21-25]. При возведении зданий вблизи разломов необходимо принятие специальных мер защиты от альфа-, бета- и гамма излучений. 6. Выводы В результате исследования и проведения технологических работ, была разработана структура и блок схема радиометрического устройства. Оптимизированы технологические режимы изготовления детекторов больших размеров, исследованы электрофизические и радиометрические характеристики, изготовленных кремниевых детекторов больших размеров. Было изготовлено радиометрическое устройство для измерения объемной активности альфа излучения и активности бета- и гамма-излучений, измеряющий заряженные частицы непосредственно в измеряемых ячейках. Устройство может также измерять температуру и влажность в воздухе, воде, почве. Разработанная компьютерная математическая модель позволила обобщить и обеспечить высокое качество получаемый информации в детекторах и в целом точность информаций о радиоактивностях. Малые потери энергии со стороны «входного» и «выходного» окон полупроводникового детектора обеспечивают измерение со стороны «входного» и «выходного» окна (в 2π-геометрии), что повышает его чувствительность. Напыление аморфного кремния на компенсированный кремний р-типа с алюминием на выходное окно, обеспечивает хороший омический контакт. Проведенные исследования объемной активности альфа излучения показали зависимость от влажности в зонах разломов. Активность бета- и гамма-излучения не зависит от влажности. Деформационные процессы в зонах тектонических аномалий привели к увеличению активности гамма излучения.
×

About the authors

Sali A. Radzhapov

Institute of Physics and Technology of the Scientific and Production Association “Physics-Sun” of the Academy of Sciences of the Republic of Uzbekistan

Email: rsafti@mail.ru
Dr. Sci. (Phys.-Math.); Chief Researcher at the Laboratory of Semiconductor High-sensitivity Sensors Tashkent, Republic of Uzbekistan

Kuvondik M. Nurboev

Navoi Branch of the Academy of Sciences of the Republic of Uzbekistan

Email: navoiy@academy.uz
Cand. Sci. (Phys.-Math.); Deputy Director for Science Tashkent, Republic of Uzbekistan

Fanuza G. Mullagalieva

Institute of Physics and Technology of the Scientific and Production Association “Physics-Sun” of the Academy of Sciences of the Republic of Uzbekistan

Email: fmullagalieva@mail.ru
Cand. Sci. (Eng.); senior researcher Tashkent, Republic of Uzbekistan

Mars A. Zufarov

Institute of Physics and Technology of the Scientific and Production Association “Physics-Sun” of the Academy of Sciences of the Republic of Uzbekistan

Email: marsuz@mail.ru
senior researcher Tashkent, Republic of Uzbekistan

Bekjan S. Radzhapov

Institute of Physics and Technology of the Scientific and Production Association “Physics-Sun” of the Academy of Sciences of the Republic of Uzbekistan

Email: ftibekjan@gmail.com
PhD student Tashkent, Republic of Uzbekistan

Kamoliddin E. Ergashev

Institute of Physics and Technology of the Scientific and Production Association “Physics-Sun” of the Academy of Sciences of the Republic of Uzbekistan

Email: eke@astrin.uz
junior researcher Tashkent, Republic of Uzbekistan

References

  1. Muminov R.A., Radzhapov S.A., Тоshmurodov Yo.К., Radzhapov B.S. Detectors of x-ray and gamma radiation on the basis of Al-nGe-pSi-Au structure. Computational Nanotechnology. 2017. No. 3. Pp. 27-28. (In Rus.)
  2. Muminov R.A., Radzhapov S.A., Mullagalieva F.G. et al. Development of high sensitivity detectors of large sizes based on the α-Si-p-i-n heterostructures for radonometers. Atomic Energy. 2021. Vol. 131. No. 6. Pp. 344-346. (In Rus.)
  3. Radiological protection against exposure to radon. Moscow: FGBU GNTs FMBTs im. A.I. Burnazyan FMBA of Russia, 2015.
  4. Krisyuk E.M. Levels and consequences of public exposure. About 90% of the dose of inhalation exposure is due to the inhalation of the daughter products of radon isotopes in indoor air and atmospheric air. ANRI. 2002. No. 1 (28). Pp. 4-12. (In Rus.)
  5. Karpin V.A., Kostryukova N.K., Gudkov A.B. Radiation impact on humans of radon and its daughter products. Hygiene and Sanitation. 2005. No. 4. Pp. 13-17. (In Rus.)
  6. Trifonova T.A., Shirkin L.A. Assessment of radiation hazard from radon exposure in the premises of urban buildings. Safety of Life. 2004. No. 5. Pp. 43-48. (In Rus.)
  7. Yafasov A.Ya. Si(Li)-p-i-n detectors with an area of 60 cm2. Atomic Energy. 1986. No. 2. Pp. 62-66. (In Rus.)
  8. Dirnley J., Nortron D., Semiconductor counters of nuclear radiation. Moscow: Mir, 1966. Pp. 17, 76-77.
  9. Azimov S.A., Muminov R.A., Yafasov A.Ya. In collection of articles: Dynamic characteristics of inhomogeneous semiconductor structures. Tashkent: FAN, 1975. Pp. 58-101.
  10. Radzhapov S.A., Rakhimov R.Kh., Radzhapov B.S., Zufarov M.A. Silicon-lithium ΔΕ-detectors of alpha radiation for the radiometer. Computational Nanotechnology. 2019. No. 2. Pp. 157-159. (In Rus.)
  11. Muminov R.A., Radzhapov S.A., Saimbetov A.K. Developing Si(Li) nuclear radiation detectors by pulsed electric field treatment // Technical Physics Letters. 2009. Vol. 35. No. 8. Pp. 768-769.
  12. Radzhapov S.A., Rakhimov R.Kh., Radzhapov B.S. et al. Development of a radiometer based on silicon detectors with a large sensitive area. Computational Nanotechnology. 2019. No. 1. Pp. 65-68. (In Rus.)
  13. Kuttybay N.B., Muminov R.A., Nurgaliyev M.K. et al. Physical features of double sided diffusion of lithium into silicon for large size detectors // Journal of Nano- and Electronic Physics. 2019. Vol. 11. No. 2. P. 02031 (4Pp).
  14. Radzhapov S.A., Radzhapov B.S., Rakhimov R.Kh. Features of the technology for the manufacture of silicon surface-barrier detectors with a large sensitive working area for measuring the activity of natural isotopes. Computational Nanotechnology. 2018. No. 1. Pp. 151-154. (In Rus.)
  15. Radzhapov S.A., Rakhimov R.Kh., Radzhapov B.S., Zufarov M.A. Calculation of the stages of the technological process of manufacturing SCD detectors using computer mathematical modeling and manufacturing an alpha radiometer based on them. Computational Nanotechnology. 2020. Vol. 7. No. 2. Pp. 21-28. doi: 10.33693/2313-223X-2020-7-2-21-28. (In Rus.)
  16. Useful model.RU 120 783 U1, G01T 1/67. Device for radiometric analysis of soil air samples / Andreev A.I., Chekunaev V.V. 27.09.2012.
  17. Patent of the Republic of Uzbekistan No. IAR 04882. Devices for measuring the volumetric activity of radon in the air / Muminov R.A., Radzhapov S.A., Lutpullaev S.L., Pindyurin Yu.S., Khusamidinov S.S., Yutkin S.V.
  18. Utility model of the Republic of Uzbekistan No. FA 20210216. Device for measuring the volumetric activity of radon in air, water and soil / Muminov R.A., Radzhapov S.A., Radzhapov B.S.
  19. Muminov R.A., Radzhapov S.A., Mullagalieva F.A. et al. Development of high-efficiency silicon detectors and electronic components for radiometer of alpha radiation // Instruments and Experimental Techniques. 2021. Vol. 64. No. 3. Рp. 444-449.
  20. Radzhapov B.S., Ergashev K.E. Program for microcontroller of radon and radium radiometer. Certificate for software products of the Republic of Uzbekistan. No. DGU 20180983, dated 06.12.2018.
  21. Yafasov A.Ya., Yafasov A.A. Radon fields in Central Asia. ANRI. 2003. No. 3 (34). Pp. 13-17. (In Rus.)
  22. Yafasov A.Ya., Akimov V.A., Mullagalieva F.G. Influence of tectonic anomalies on the behavior of radon in the environment. Materials of the conference “Radon-2000”. Pushchino, April 17-20, 2000. Pp. 18-20.
  23. Bobonarov N.S., Goldstein R.I., Makarov P.V. Problems of radon hazard of cities located in the foothill regions of Uzbekistan. ANRI. 1996/97. No. 3 (9). Pp. 92-96. (In Rus.)
  24. Miklyaev P.S., Ziangirov R.S., Petrova T.B. Influence of features of the geological environment on radon hazard in cities. City and Geological Hazards: Materials of the International. Conf., 17-21 Apr. 2006. St. Petersburg: VNIIG, 2006. Pp. 247-252.
  25. Yafasov A.Ya., En Z., Akimov V.A. Variations radon concentration in Tashkent subway stations // Proc. of the Third Intern. Conf. “Modern Problems of Nuclear Physics”. Bukhara, 23-27 August 1999. Pp. 226-227.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2022 Yur-VAK

License URL: https://journals.eco-vector.com/2313-223X/about/editorialPolicies