Анотація до роботи:

Рибка О.В. Детектори на основі напівпровідникових сполук CdTe і CdZnTe для дозиметрії іонізуючого випромінювання. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.21 – радіаційна фізика та ядерна безпека. – Національний науковий центр "Харківський фізико-технічний інститут", Харків, 2003.

Дисертація присвячена встановленню закономірностей фізичних процесів у детекторах g-випромінювання на основі напівпровідникових сполук CdTe і CdZnTe і створенню на їхній основі дозиметричних блоків детектування. Здіснено обґрунтування вибору напівпровідникових сполук CdTe і CdZnTe як матеріалу для ефективних детекторів іонізуючого випромінювання. Проведено комплексне дослідження детекторів з CdTe і CdZnTe, вивчені їх електрофізичні, дозиметричні, радіаційні характеристики. Запропоновано метод іонно-плазменної пасивації бічної поверхні детекторів хімічно стабільними і механічно міцними покриттями на основі МеО₂, що дозволило значно знизити поверхневий темновий струм. Досліджено дозиметричні характеристики детекторів -випромінювання на основі CdTe і CdZnTe, працюючих у лічильному і струмовому режимах у широкому інтервалі потужності експозиційної дози. Для корекції енергетичної залежності детекторів розраховані різні конструкції “детектор–поглинаючий фільтр”. Проведено дослідження радіаційної стійкості детекторів. Показано, що радіаційна деградація детекторів з CdZnTe відбувається при значно більшій поглиненій дозі, ніж для CdTe. Отримані результати дозволили розробити експериментальні зразки блоків детектування для дозиметрії g-випромінювання.

У дисертації викладені результати дослідження фізичних процесів, що протікають у напівпровідникових детекторах з CdTe і CdZnTe при взаємодії з фотонами. На основі цих результатів вирішена важлива наукова задача по обґрунтуванню переваги застосування цих детекторів для дозиметрії g-випромінювання, вишукуванню методів поліпшення їх характеристик і створенню блоків детектування, що можуть працювати в широкому діапазоні доз і енергій.

1. Запропоновано метод аналізу фізичних властивостей напівпровідників, що визначають їх детектуючі властивості, такі як ефективність поглинання фотонів і якість збору індукованих фотонами зарядів. Як основні параметри використані m_e,htr (добуток рухливості носіїв заряду m_e,h на час їхнього життя t і на питомий опір r) і dZ ⁵/M (добуток густини d і п'ятого ступеня середнього атомного номера Z ⁵, поділений на молекулярну масу M). Аналіз різних напівпровідникових сполук, проведений за допомогою запропонованого методу, дозволив вибрати ефективний матеріал для детектування g-випромінювання. Показано, що серед подвійних напівпровідникових сполук найкраще цим критеріям відповідають CdTe і CdZnTe.

2. Проведено аналіз основних фізичних процесів, що відбуваються в CdTe і CdZnTe при взаємодії з фотонами різних енергій. Проаналізовані теоретичні співвідношення, що описують ефективність поглинання фотонів, і розроблена фізична модель енергетичної залежності чутливості детекторів. Отримані дані дозволили розрахувати і виготовити фільтр для корекції ефективності реєстрації g-випромінювання. Використання поглинаючого фільтру зменшує енергетичну залежність чутливості до ± 20 % у діапазоні енергій 0,06... 1,20 МеВ.

3. В результаті проведення комплексного дослідження електрофізичних властивостей CdTe і CdZnTe детекторів встановлені залежності між електрофізичними й експлуатаційними характеристиками. На підставі цих залежностей розроблені ефективні методи механіко-хімічної і плазмо-хімічної обробки (пасивації) детекторів, що дозволили виготовляти детектори іонізуючого випромінювання з високими і контрольованими параметрами. Так, пасивація дозволила збільшити опір CdZnTe детекторів більше ніж ~10¹¹ Омсм. Детектори, створені на основі CdTe і CdZnTe, мають стабільні характеристики при температурі навколишнього середовища від – 30 до + 70 С. У діапазоні експлуатаційних температур знайдені значення темновых струмів детекторів, що дозволило визначити поправки для дозиметричних вимірів у токовому режимі роботи.

4. На основі розроблених високоефективних детекторів з CdTe і CdZnTe створені експериментальні зразки дозиметричних блоків детектування, які здатні працювати в імпульсному й аналоговому режимах. Це дозволило дослідити дозиметричні характеристики детекторів у широкому діапазоні потужності експозиційної дози -випромінювання (10^–5…10⁴ Р/год). Показано, що такі детектори можуть успішно застосовуватися в сучасних пристроях реєстрації і вимірювання -випромінювання. Ці детектори мають малий розмір і масу та високу дискретну й аналогову чутливість (відповідно ~ 50 імп./мкР і ~210 ^–5 Кл/Р для енергії 662 кеВ при об’ємі детектора 50 мм3). Межа відносної погрішності вимірів МЭД g-випромінювання не перевищує 20% (з довірчою ймовірністю 0,95), у всім дослідженому діапазоні доз і енергій.

5. Досліджено радіаційну стійкість CdTe і CdZnTe. Показано, що детектори з цих сполук відносно радиаційно-стійкі. Стабільні радіаційні ушкодження акумулюються при тривалому впливі g-випромінювання і незважаючи на низький перетин їх утворення приводять до деградації дозиметричних властивостей при великих дозах. Деградація CdTe починається з менших доз, чим CdZnTe. Граничні поглинені дози для CdTe і CdZnTe складають ~ 200 кГр і ~ 800 кГр відповідно. Граничні дози для дозиметричних детекторів виявилися значно вищими, ніж спектрометричних.

Публікації автора:

1. Abysov A.S., Davydov L.N., Kutny V.E., Rybka A.V., Rowland M.S., Smith C.F. Correla-tion Between Spectrometric Ability and Physical Properties of Semiconductor Detectors // Functional Materials. - 2000. - Vol. 7, №.4 (2). - P. 827-835.

2. Rybka A.V., Leonov S.A., Prokhoretz I.M., Abyzov A.S., Davydov L.N., Kutny V.E., Rowland M.S., Smith C.F. Influence of Detector Surface Processing on Detector Performance // Nucl. Instr. and Meth. A. - 2001. - Vol. 458. - P. 248-253.

3. Ажажа В.М., Кутний В.Е., Рыбка А.В., Шляхов И.Н., Кутний Д.В., Захарченко А.А. Применение детекторов на основе широкозонных полупроводников CdTe, CdZnTe и GaAs для контроля безопасности АЭС // Атомная энергия. - 2002. - Т. 92, вып. 6. - С. 473-477.

4. Рыбка А.В., Прохорец И.М., Шляхов И.Н., Захарченко А.А., Блинкин А.А., Давыдов Л.Н., Кузьмичев М.А., Кутний Д.В., Оробинский А.Н., Кравченко Н.И. Дозиметрические характеристики детекторов рентгеновского и гамма-излучения на основе CdTe (CdZnTe) // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение. - 2000. - Вып. 4. - С. 208-211.

5. Белецкий Н.И., Полянский Н.Е., Кутний В.Е., Наконечный Д.В., Прохорец С.И., Рыбка А.В. Температурная зависимость сопротивления детекторов из CdTe и CdZnTe // Вісник Харківського національного університету ім. В.Н.Каразіна. Сер. Радіофізика та електроніка. - 2002. - № 544. - С. 155-158.

6. Пат. № 23951А, Україна, МПК С 01 Т 1/00, 1/16, 1/24. Пристій для вимірювання потоку ядерного випромінювання / Рибка О.В., Григорєв О.М., Кузьмичов М.О., Кутній В.Є., Олексієнко М.М. (Україна); ННЦ “Харківський фізико-технічний інститут”. - № 96030958; заявл. 12.03.96; опубл. 31.08.98; - 9 с.

7. Давыдов Л.Н., Довбня А.Н., Захарченко А.А., Кутний В.Е., Кутний Д.В., Прохорец И.М., Рыбка А.В., Шляхов И.Н. Применение полупроводниковых детекторов для учета и контроля РАО // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение. - 2002. - Вып. 3 (81), - С. 142-146.

8. Рыбка А.В., Прохорец С.И., Прохорец И.М., Кутний В.Е., Давыдов Л.Н., Захарченко А.А. Коррекция энергетической зависимости детекторов гамма-излучения из CdTe (CdZnTe). Труды 15 международной конференции по физике радиационных явлений и радиационному материаловедению, XV-ICPRP, - Алушта (Украина). -2002. - С.343.

9. Грибанов Ю.А., Рингис В.С., Скоромный В.Г., Кутний В.Е., Рыбка А.В., Шляхов И.Н. Перспективы использования полупроводниковых материалов из CdTe (CdZnTe) при реконструкции АЭС Украины // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение. - 2000. - Вып. 4. - С. 203-207.

10. Abyzov A., Davydov L., Kutny V., Rybka A., Rowland M., Smith C. Correlation Between Spectrometric Ability and Physical Properties of Semiconductor Detectors // Proc. 11th International Workshop on Room Temp. Semicond. X- and Gamma-Ray Detectors and Associated Electronics. - Vienna (Austria): E-MRS. - 1999. - P. 19.

11. Кутний В. Е., Рыбка А.В., Прохорец И.М., Давыдов Л.Н., Абызов А.С., Довбня А.Н., Карасев С.П., Уваров В.Л., Шляхов И.Н. Исследование радиационной стойкости детекторов ионизирующих излучений на основе CdTe и CdZnTe // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение. - 2000. - Вып. 4. - С. 212-214.