ДЕТЕКТОР ЕЛЕМЕНТАРНИХ ЧАСТИНОК З АЛМАЗНИМИ ЧУТЛИВИМИ ЕЛЕМЕНТАМИ, ВИРОЩЕНИМИ В КУБІЧНОМУ АПАРАТІ ВИСОКОГО ТИСКУ

Роман  Чаплинський; Едуард  Петросян; Тарас  Микитюк; Юлія  Пархітько; Володимир  Грушко; Валентин  Лисаковський; Євгеній  Міцкевич; Анатолій  Кір’єв; Олег  Лисенко

doi:10.15407/scine17.05.034

Автор(и)

Роман Чаплинський Інститут ядерних досліджень НАН України https://orcid.org/0000-0001-6126-0437
Едуард Петросян Інститут ядерних досліджень Національної академії наук України https://orcid.org/0000-0003-2083-3125
Тарас Микитюк Інститут ядерних досліджень Національної академії наук України https://orcid.org/0000-0002-1971-9723
Юлія Пархітько Інститут ядерних досліджень Національної академії наук України https://orcid.org/0000-0002-3935-0118
Володимир Грушко Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України https://orcid.org/0000-0001-5507-1875
Валентин Лисаковський Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України https://orcid.org/0000-0003-4306-9115
Євгеній Міцкевич Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України https://orcid.org/0000-0002-8115-9659
Анатолій Кір’єв Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України https://orcid.org/0000-0003-3532-9319
Олег Лисенко Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України https://orcid.org/0000-0003-4859-8163

DOI:

https://doi.org/10.15407/scine17.05.034

Ключові слова:

детектори елементарних частинок, HPHT алмаз, ядерна електроніка.

Анотація

Вступ. Алмаз є одним з найбільш придатних матеріалів для виготовлення детекторів елементарних часток, що пов’язано з широкою забороненою зоною та високою радіаційною стійкістю цього матеріалу. Однак алмазні чутливі елементи для детекторів залишаються рідкісними та вартісними, що стримує їхнє широке використання в ядерній фізиці та медицині.
Проблематика. Останніми роками розроблено нові технології вирощування HPHT (high-pressure high-temperature) алмазів в кубічних пресах, що дозволяє отримувати до 50 монокристалів алмазу вагою до 10 карат з високою структурною досконалістю за один цикл вирощування. Однак фізичні властивості HPHT алмазів, вирощених в сучасних пресах, досліджені недостатньо, а результати їх застосування в детекторах іонізуючих випромінювань невідомі.
Мета. Розробка детектора елементарних частинок з чутливими елементами на основі HPHT алмазів, вирощених в кубічному апараті високого тиску, та дослідження його характеристик.
Матеріали й методи. Вирощування алмазів методом температурного градієнту в кубічному апараті високого тиску моделі CS-VII; детектор елементарних частинок; опромінення альфа-частинками.
Результати. Методом градієнту температур в кубічному апараті високого тиску вирощено монокристали алмазу розміром 7—9 мм, з кубічних та октаедричних секторів росту виготовлено алмазні пластини товщиною 0,4 мм. Досліджено фізичні властивості отриманих зразків. Розроблено підсилювач детектора та проведено його випробування разом з детектором при опроміненні альфа-частинками. Показано впевнене детектування іонізуючих подій, викликаних альфа-частками, з реєстрацією наведених імпульсів з амплітудою 70—200 мВ.
Висновки. Детектор елементарних частинок з алмазними пластинами, виготовленими з кубічних секторів росту HPHT алмазів, вирощених в кубічному апараті високого тиску з ростової системи Fe-Ni-C, при опроміненні альфачастинками показав значення повної ширини на половині висоти імпульсу на рівні 1 нс, що відповідає кращим світовим аналогам алмазних детекторів.

Завантаження

Дані завантаження ще не доступні.

Посилання

Kozlov, S. F., Stuck, R., Hage-Ali, M., Siffert, P. (1975). Preparation and characteristics of natural diamond nuclear radiation detectors. IEEE Trans. Nucl. Sci., NS-22, 160—170. https://doi.org/10.1109/TNS.1975.4327634

Kania, D. R., Landstrass, M. I., Plano, M. A. (1993). Diamond radiation detectors. Diam. Relat. Mater., 2, 1012—1021.

https://doi.org/10.1016/0925-9635(93)90266-5

Keddy, R. J., Nam, T. L. (1993). Diamond radiation detectors. Radiat. Phys. Chem., 41(4), 767—773. https://doi.

org/10.1016/0969-806X(93)90324-N

Tapper, R. J. (2000). Diamond detectors in particle physics. Reports on Progress in Physics, 63(8), 1273—1316. https://doi.org/10.1088/0034-4885/63/8/203

Bergonzo, P., Jackman, R. B. (2004). Diamond-based radiation and photon detectors in Thin-diamond II, ch. 6, (Eds. C.E. Nebel, J. Ristein), vol. 77 of Semiconductors and Semimetals, Elsevier Inc. 197—309. https://doi.org/10.1016/S00808784(04)80018-8

Keddy, R. J., Nam, T. L., Burns, R. C. (1988). The detection of ionizing radiations by natural and synthetic diamond crystals and their application as dosimeters in biological environments. Carbon, 26(3), 345—356. https://doi.org/10.1016/0008-6223(88)90226-6

Nam, T. L. (1989). Nuclear radiation detection properties of diamond. PhD thesis, University of the Witwatersrand, Johannesburg.

Yacoot, A., Moore, M., Makepeace, A. (1990). X-ray Studies of Synthetic Radiation-Counting Diamonds. Phys. Med.

Biol. 35(10), 1409—1422. https://doi.org/10.1088/0031-9155/35/10/006

Guerrero, M. G., Tromson, D., Rebisz, M., Mer, C., Bazin, B., Bergonzo, P. (2004). Requirements for synthetic diamond devices for radiotherapydosimetry applications. Diamond Relat. Mater., 13, 2046—2051. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2004.07.026

Mavunda, R. D., Zakari, Y. I., Nam, T. L., Keddy, R. J. (2008). The presence of defects and their influence on the performance of CVD diamond as an α-particle radiation sensing element. Appl. Radiat. Isot., 66, 1128—1137. https://doi.org/10.1016/j.apradiso.2008.01.006.

Malinauskas, T., Jarasiunas, K., Ivakin, E., Ralchenko, V., Gontar, A., Ivakhnenko, S. (2008). Optical evaluation of carrier lifetime and diffusion length in synthetic diamonds. Diamond Relat. Mater., 17, 1212—1215. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2008.01.005.

Pomorski, M. T. (15—16 December, 2016). Electronic properties of IIa HPHT diamond samples from new diamond

technology. 5th ADAMAS Workshop, Darmstadt, Germany. https://doi.org/10.13140/RG.2.2.13759.71841.

Kashiwagi, T., Hibino, K., Kitamura, H., Okuno, S., Takashima, T. (2004). Investigation of basic characteristics of synthetic diamond radiation detectors. Proceedings, 2004 IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference (NSS/MIC 2004), 734—738 https://doi.org/10.1109/NSSMIC.2004.1462315.

Grushko, V., Beliuskina, O., Mamalis, A., Lysakovskiy, V., Mitskevich, E., Kiriev, A., Petrosyan, E., Chaplynskyi, R., Bezshyyko, O., Lysenko, O. (2020). Energy conversion efficiency in betavoltaic cells based on the diamond Schottky diode with a thin drift layer. Applied Radiation and Isotopes, 157, 109017. https://doi.org/10.1016/j.apradiso.2019.109017.

D’Haenens-Johansson, U. FS., Katrusha, A., Moe, K. S., Johnson, P., Wang, W. (2015). Large colorless HPHT synthetic diamonds from New Diamond technology. Gems & Gemology, 51(3), 260—279.

Lysakovskyi, V., Novikov, N., Ivakhnenko, S., Zanevskyy, O., Kovalenko, T. (2018). Growth of Structurally Perfect Diamond Single Crystals at High Pressures and Temperatures. Review. Journal of Superhard Materials, 40, 315—324. https://doi.org/10.3103/S1063457618050039.

Sumiya, H. (2009). Recent advances in high pressure apparatus for diamond synthesis. The Review of High Pressure Science and Technology, 19(4), 264—269. https://doi.org/10.4131/jshpreview.19.264 [in Japanese].

Strong, H. M., Chrenko, R. M. (1971). Diamond growth rates and physical properties of laboratory-made diamond.

J. Phys. Chem., 75(12), 1838—1843. doi.org/10.1021/j100681a014.

Sumiya, H., Satoh, S. (1996). High pressure synthesis of high purity diamond crystal. Diamond Relat. Mater., 5, 1359—1365. https://doi.org/10.1016/0925-9635(96)00559-6.

Pernegger, H., Roe, S., Weilhammer, P. (2005). Charge-carrier properties in synthetic single-crystal diamond measured with the transient-current technique. Journal of Applied Physics, 97, 073704. https://doi.org/10.1063/1.1863417.

Oliver, K., Brown, A. (2010). Diamond detectors. URL: http://rd.kek.jp/slides/20100528/slides.pdf (Last accessed:

07.2020).

Kania, D. R. (2018). Diamond radiation detectors-I. — Detector properties of IIa diamond. Proceedings of the International School of Physics “Enrico Fermi”, 135: The Physics of Diamond, 555—564. https://doi.org/10.3254/978-1-61499220-2-555.