Разработка и исследование синтетических монокристаллических алмазных детекторов ионизирующих излучений

К.Г.Афанасьев, В.В.Гилевский, Г.А.Гусаков, К.И.Делендик,

И.Ф.Емельянчик, А.В.Игнатенко, А.В.Литомин

Введение

Интерес к применению алмаза в качестве детектора ионизирующих излучений обусловлен его уникальными физическими и химическими свойствами. Это полупроводник с широкой (5.5 эВ) запрещенной зоной, высокими удельным сопротивлением (более 10¹⁶ W cм), подвижностью носителей заряда (2000 см² В^-1 с^-1) и электрической прочностью (10⁷ В см^-1) [1]. Детекторы на основе природных алмазов показали очень высокую радиационную стойкость (максимально допустимый поток нейтронов около 5 ´ 10¹⁴ н/см² [2]), низкий шумовой вклад тока утечки, и способность работать при высокой температуре и в агрессивных химических средах [3]. Кроме того, атомный номер алмаза (Z = 6) близок к эквивалентному атомному номеру живой ткани (Z = 7.1), что делает его ткане-эквивалентным детектором, пригодным для дозиметрических применений [4].

Появление CVD-технологии синтеза искусственных алмазов привело к значительному прогрессу в области разработки алмазных детекторов [5]. Однако, поликристаллическая структура CVD-пластин накладывает существенные ограничения на такие детекторы. Флуктуации детектирующей способности от кристаллита к кристаллиту приводят к неравномерности отклика по площади детектора и к невозможности получения хорошего энергетического разрешения. Преодолеть указанные недостатки можно путем применения синтетического монокристаллического алмаза.

Детектор заряженных частиц на основе монокристалла алмаза, синтезированного на УП «АДАМАС БГУ»

Рис.1. Детектор ионизирующих излучений на основе монокристаллического алмаза, синтезированного на УП «АДАМАС БГУ».

Метод каталитического синтеза (диффузия углерода через жидкий металл в направлении температурного градиента к затравочному кристаллу) на беспуансонных аппаратах высокого давления типа «разрезная сфера» (БАРС) упрощает и удешевляет (по сравнению с традиционными технологиями) производство искусственных монокристаллов алмаза, достаточно совершенных в кристаллографическом отношении для приборного применения [6]. Нами исследована возможность применения монокристаллического алмаза, синтезированного на научно-производственном УП «АДАМАС БГУ», для регистрации ядерных излучений.

Монокристаллическая алмазная пластина

Монокристалл массой 1 карат выращен по методу температурного градиента в системе Fe-Co-C (при давлении P = 5.4 – 5.5 ГПа и температуре Т = 1450 – 1550°С) с использованием