Исследование и разработка сенсора на основе монокристаллического алмаза для измерения радиационных потоков космического излучения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.01, кандидат наук Недосекин Павел Геннадьевич

• Недосекин Павел Геннадьевич
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Недосекин Павел Геннадьевич

Введение

Глава 1 Аналитический обзор российских и зарубежных информационных источников по тематике создания и функционирования сенсора для измерения радиационных потоков космического излучения

1.1 Предмет и направленность аналитического обзора

1.2 Методы и средства контроля параметров радиационных

потоков космического излучения

1.2.1 Оценка и анализ влияния космического излучения на

работу космических систем с длительным сроком 22 функционирования

1.2.1.1 Факторы и параметры влияния космического излучения

на работу космических систем

1.2.1.2 Влияние космического излучения на экипаж космического аппарата

1.2.2 Измерения и анализ радиационных потоков космического излучения с помощью испытательных стендов

1.2.3 Системы мониторирования характеристик радиационного потока космического излучения

1.3 Спектрометры радиационного космического излучения

1.3.1 Структура и особенности работы спектрометров космического излучения

1.3.2 Ионизационные калориметры

1.3.3 Времяпролетные спектрометры

1.3.4 Изотопный спектрометр космических лучей

1.3.5. Магнитный спектрометр

1.3.6 Научная аппаратура проекта "НУКЛОН"

1.3.7 Полупроводниковый спектрометр МОНИКА

1.3.8 Спектрометр PAMELA

1.3.9 Спектрометры проекта "КОРОНАС-ФОТОН"

1.4 Сенсоры регистрации радиационного потока

1.4.1 Особенности применения сенсоров радиационного потока

1.4.2 Сенсор радиации нового поколения NGRM

1.4.3 Сенсоры широкого спектра излучения

1.4.3.1 Назначение и область использования

1.4.3.2 Условия проведения измерений потоков КИ с использованием RAD

1.4.4 Сенсор регистрации КИ на основе теллурида кадмия

1.4.5 Сенсоры регистрации ИИ изготовленные из германия

1.4.6 Алмазные сенсоры для регистрации ионизирующего излучения

1.4.6.1 Свойства и характеристики алмазных сенсоров регистрации ионизирующих излучений

1.4.6.2 Особенности применения алмазных сенсоров

1.4.6.3 Приборы на основе алмазных сенсоров

1.4.6.4 Тенденции использования алмазных сенсоров

1.5 Электронные компоненты научной аппаратуры контроля

космических излучений

Вывод по главе

Глава 2 Выбор и обоснование направления исследований

2.1 Общая характеристика приборов мониторинга радиационной обстановки в месте расположения космического аппарата

2.2 Принципы построения приборов мониторинга радиационной обстановки

2.3 Использование искусственной нейронной сети для регистрации радиационных потоков космического излучения.... 77 Вывод по главе

Глава 3 Методика проектирования сенсора регистрации

радиационных потоков космического излучения из

монокристалла алмаза

3.1 Введение

3.2 Выбор материала для изготовления сенсора регистрации космического излучения

3.3 Исследование и сравнительный анализ эффективной регистрации радиационного излучения выбранным материалом

для изготовления чувствительного элемента сенсора

3.3.1 Анализ взаимодействия электронов, протонов и у - квантов

с разной энергией для сенсора из алмаза, и Ое с

использованием моделирования

3.3.1.1 Моделирование взаимодействия электронов и протонов с заданной энергией для сенсора из алмаза, и Ое

3.3.1.2 Моделирование взаимодействия у-квантов с заданной энергией для сенсора из алмаза, Si и Ge

3.4 Структура конструкции сенсора из монокристаллического

алмаза для регистрации радиационных потоков

3.5 Макет стенда экспериментальных исследований

3.6 Экспериментальное исследование влияния высокой температуры на эффективную работу алмазного сенсора регистрации радиационного излучения

3.7 Исследование, разработка и оптимизация алмазного сенсора регистрации радиационного излучения с целью установки на

борт ракетно-космических, транспортных космических аппаратов и систем для измерения радиационных потоков

космического излучения

3.7.1 Исследование взаимодействия в заданном диапазоне

энергий ионизирующего излучения с объемом алмазного

сенсора по его толщине

3.7.2 Экспериментальная модель двухэлементного алмазного

сенсора, разработка и исследование работы взаимодействия ионизирующего излучения с алмазным сенсором

3.7.2.1 Экспериментальное исследование взаимодействия ионизирующего излучения и модели двухэлементного сенсора

из алмаза

3.7.2.2 Моделирование взаимодействия ионизирующего

излучения с моделью двухэлементного сенсора из алмаза

3.7.3 Многоэлементный (трехэлементный) сенсором из алмаза

для регистрации космического излучения

Вывод по главе

Глава 4 Построение физической модели многоэлементного

(трехэлементного) сенсора из алмаза для регистрации

радиационных потоков космического излучения

4.1 Введение

4.2 Моделирование взаимодействия потока электронов и

протонов с многоэлементным алмазным сенсором

4.3 Моделирование взаимодействия гамма излучения с многоэлементным алмазным сенсором

4.4 Математическая модель взаимодействия гамма излучения

с многоэлементным алмазным сенсором

4.5 Экспериментальная модель многоэлементного алмазного сенсора, разработка и исследование. Взаимодействия гамма излучения с многоэлементным алмазным сенсором

4.6 Моделирование взаимодействия электронов, протонов и гамма излучения с многоэлементным алмазным сенсором, установленным в корпус блока мониторинга «Спектрометр»

радиационных потоков космического излучения

Вывод по главе

Заключение

Список сокращений

Список литературы

Приложение

Введение

Актуальность темы исследования

Исследование ближнего и дальнего космического пространства, его дальнейшее освоение в настоящем и прогнозируемом будущем приводит к тенденции улучшения и поиска новых конструкционных и технологических решений для реализации построения ракетно-космических, транспортно-космических аппаратов и систем с целью обеспечения надежной защиты от окружающих негативных факторов.

Одним из негативных факторов, с которым сталкиваются разработчики ракетно-космической техники (РКТ) при ее эксплуатации в космическом пространстве (КП), это защита живого организма и электронных компонентов функционирующей электроники от пагубного влияния ионизирующего излучения (ИИ) в КП. На данный момент освоение КП прогнозирует увеличение сроков эксплуатации ракетно-космических аппаратов сроком до 20 лет и более. Тенденция увеличения сроков пребывания в не благоприятной среде приводит к поиску альтернативных решений для защиты от ИИ. Одним из способов предотвратить влияние ИИ является постоянный контроль радиационного фона внутри и снаружи ракетно-космических аппаратов, прогнозирование увеличения радиационного фона и своевременное реагирование на изменение ситуации с целью защиты электронного оборудования и живых организмов от пагубного влияния ИИ.

Основополагающей задачей радиационной безопасности в мире является контроль нанесенного вреда, который получает живой организм при воздействии источников ИИ на него, при нормальном их использовании и во время аварийных ситуаций. Следовательно, для предотвращения и контроля «вреда» от радиации, которая неощутима для органов чувств человека, необходимы приборы и элементы регистрации и исследования ИИ, умеющие обрабатывать и передавать сигнал в понятной для обработки и понимания форме.

Существует множество способов регистрации радиационного излучения (РИ): ионизационный (ионизационные камеры, газоразрядные счетчики); сцинтилляционный; полупроводниковый; фотографический; люминесцентный; химический; трековый; активационный; тепловой.

Для ракетно-космических аппаратов (РКА) и транспортных космических систем (ТКС) регистрацию ИИ можно разделить на: регистрации внутреннюю -от источников ИИ внутри и внешнюю ИИ, которая воздействует извне на объекты РКА и ТКС.

Внутреннее ИИ - это ядерные технологии, устанавливаемые в РКА и ТКС. В основном электроснабжение ракетно-космических аппаратов - ядерные реакторы и ядерные двигатели, либо источники радиации, используемые в качестве обогрева РКА и ТКС. Возможны варианты исследовательского оборудования и комплексов, для исследования и анализа поверхности материала/объекта используя методы облучения ИИ.

Внешние ИИ - это радиационные потоки (РП) в КП, они представляют собой: первичное излучение, которое делится на галактические космические лучи (ГКЛ) и солнечные космические лучи (СКЛ); вторичное излучение, которое относится к радиационному поясу земли (РПЗ) - планет, звезд и небесных тел.

К первичному излучению относятся потоки быстрых заряженных частиц (преимущественно протонов) с энергией до 1010 -1012 МэВ. Вторичное излучение проявляется на высотах ниже 20 км, причем его высокоэнергетическая составляющая представлена в основном малыми заряженными частицами с энергией ~ 100 МэВ, а низкоэнергетическое излучение составляют электронно-позитронные пары и у-кванты.

Распределение кинетических энергий ГКЛ идет в широком диапазоне и зависит от вида иона и фазы солнечного цикла с максимумами энергий около 1000 МэВ, протонов 500-600 МэВ и для более тяжелых ядер с хвостами распределений достигающими гораздо более высоких энергий.

Нейтроны от солнечных вспышек с энергией Е преодолевают огромные расстояния КП (1 астрономическая единица ~ 150 000 000 км) и влияют на

радиационную обстановку: 0,2 ГэВ, 1 а. е.; 1,0 ГэВ, 3 а. е.; 2,5 ГэВ, 6 а. е.; 10 ГэВ, 20 а. е.

Следовательно, для контроля, анализа и прогнозирования изменения ИИ внутри и снаружи РКА и ТКС устанавливают модули контроля РП космического излучения (КИ), прибор осуществляет постоянный мониторинг КП в реальном времени. Одним из важных узлов модуля контроля РП КИ является сенсор регистрации ИИ, устройство измерения, которое осуществляет преобразование энергии полученной в результате взаимодействия ИИ с объемом вещества чувствительного элемента сенсора в электрических сигнал, для дальнейшей обработки модулем контроля радиации.

Применение прибора контроля РП КИ и узла(ов) сенсора, как и других функциональных приборов, применяемых в РКА и ТКС, ограничено и задается жесткими рамками: масса-габаритные параметры; стойкость к окружающим агрессивным факторам среды: радиационная стойкость (накопленная доза от 80 до 300 крад, воздействие тяжелых заряженных частиц (ТЗЧ) с пороговым значением линейной передачей энергией (ЛПЭ) более 60 МэВ*см2/мг), стойкость к термовакуумным факторам (температура от -60 до 125 0С, ультрафиолетовое излучение, невесомость, вакуум); высокое требование надежности (наработка на отказ не менее 150000 часов, не ремонтопригодность аппаратуры); ограничение по электроснабжению ( от 24В до 100В) и повышение сроков активного существования прибора до 20 лет и более.

Современные устройства контроля РП КИ и устройства радиационного контроля, используемые в составе РКА и ТКС, обладают критическими недостатками, т.к. не предназначены для обеспечения функционирования при интенсивном радиационном воздействия, особенно таких факторов, как потоки ТЗЧ и/или воздействие спец факторов, в основном эти приборы базируются на использовании кремниевых сенсоров для регистрации ИИ. К типичным недостаткам применения кремниевых сенсоров можно отнести их невысокую радиационную стойкость и невозможность применения при повышенных температурах без специализированных систем охлаждения. Использование для

этих целей газоразрядных счетчиков и сцинтилляционных сенсоров имеет серьёзные ограничения по масса-габаритным параметрам, наличию высоких уровней напряжения питания (сотни и тысячи вольт), общего энергопотребления, а также ограничения по максимальному потоку излучения, что делает неоптимальным их использование в условиях высоких уровней РП КИ.

Альтернативными материалами для изготовления чувствительного элемента сенсора регистрации РП КИ, которые удовлетворяют критериям отбора для РКА и ТКС - это алмазные и алмазоподобные материалы, они лишены многих недостатков аналогичных изделий на основе традиционных полупроводников (кремний, германия, арсенид галлия и др.), а также могут использоваться без вспомогательных систем обеспечения и защиты, при температурах в несколько сотен градусов Цельсия и более (в открытом космосе до 500-1000°С), в диапазоне потоков частиц до 1020 см2 с-1. Основные преимущества сенсора на основе алмаза заключается в одновременной регистрации всех типов ИИ, наличия высокой стойкости к радиационному воздействию и химически агрессивным явлениям. Сами сенсоры, изготовленные из алмаза, обладают малыми размерами и массой, а аппаратный блок электроники для измерения сигнала, создаваемого в сенсоре регистрации ИИ на основе алмаза, достаточно прост конструкционно и технологически в изготовлении, что немаловажно для массогабаритных свойств изделия, которые применяются для ракетно-космических аппаратов и систем.

Заметим, что напряжение питания бортовой сети аппаратуры РКА и ТКС на данные момент составляет не более 100 вольт и ниже - до 24 вольт, в зависимости от размера и цели использования КА. Следовательно, аппаратура детектирования и сенсор ИИ должны оптимально укладываться в диапазоны электроснабжения космического аппарата.

Актуальность работы состоит в разработке методики проектирования и исследования сенсора из монокристаллического алмаза для регистрации радиационных потоков космического излучения, работающего в агрессивной среде и вакууме, в широком диапазоне температур от -60 до 125 0С, стойкого к

радиационным эффектам, обладающего не большими масса-габаритными параметрами и функционирующего при напряжении питания не более 100В.

Сенсор КИ на базе алмаза должен обладать хорошей адаптивностью, амплитудой выходного зарядового сигнала, счетной и абсолютной эффективностью регистрации ионизирующего излучения.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка сенсора на основе монокристаллического алмаза для измерения радиационных потоков космического излучения»

Цель данной работы

Целью исследования является разработка алмазного сенсора регистрации радиационных потоков космического излучения для применения в приборах мониторинга и прогнозирования радиационной обстановки внутри, а также снаружи РКА и ТКС с длительным сроком функционирования в космическом пространстве сроком до 20 лет и более.

Для достижения поставленной цели определены следующие задачи исследования:

1) Разработка методики проектирования сенсора на базе монокристаллического алмаза для регистрации РП КИ.

2) Поиск и анализ материала для изготовления активного чувствительного элемента ионизационного сенсора высокой радиационной стойкостью, который будет стабильно работать в агрессивных условиях и повышенных температурах от - 60 до +125 С°. Активный элемент ионизационного сенсора должен удовлетворять оптимальным масса-габаритными параметрами для использования на РКА и ТКС.

3) Поиск конструктивного и технологического решения, с целью улучшения характеристик ионизационного сенсора, при регистрации радиационного потока космического излучения, таких как: скорость счета, абсолютная эффективность регистрации, энергетическое разрешение, шум детектора.

4) Поиск решения для применения сенсора с расширенным диапазоном регистрацией ИИ, при питающем напряжение не более 100 В, без потерь эффективности работы сенсора.

5) Исследование эффективности регистрации ионизирующего излучения сенсором: электронов, протонов и гамма излучения с заданной энергией.

6) Исследование эффективности регистрации ионизирующего излучения от толщины сенсора.

7) Исследование влияния температуры на стабильную работу и эффективность регистрации ИИ сенсором.

Исследование проводится: экспериментальным методом - построение физической модели и испытание на лабораторном стенде; методом компьютерного моделирования в программном пакете Geant 4, данная программа служит для построения взаимодействия ионизирующего излучения с веществом объема сенсора и определения эффективности его дальнейшего применения.

Объектом исследования является многослойный сенсор на базе монокристаллического алмаза 2А типа для регистрации радиационных потоков космического излучения.

Предметом исследования являются взаимодействие ионизирующего излучения в объеме многоэлементного сенсора для регистрации КИ.

Исследование базируется на применении методов теории взаимодействия ионизирующего излучения с веществом, предложении физической модели, использовании компьютерного моделирования и математических методов расчета.

Положения, выносимые на защиту:

1) Физическая модель и моделирование эффективности регистрации ионизирующего излучения алмазным сенсором: электронов, протонов и гамма излучения с заданной энергией.

2) Математическая модель и моделирование эффективности регистрации ионизирующего излучения от толщины сенсора.

3) Конструктивное решения, с целью улучшения характеристик ионизационного сенсора при регистрации радиационного потока

космического излучения, таких как: скорость счета, абсолютная эффективность регистрации, энергетическое разрешение, шум детектора.

4) Методика проектирования алмазного сенсора ИИ, при питающем напряжении на токовых контактах сенсора не более 100 вольт, без потерь эффективности работы сенсора ИИ и увеличение его чувствительной области объема регистрации ИИ.

5) Методика экспериментальных исследований АС, с учетом влияния температуры на стабильность работы и эффективную регистрацию ИИ.

Научная новизна работы

1) Разработана методика проектирования сенсора из монокристалла алмаза для регистрации радиационных потоков космического излучения, которая позволяет провести исследование и построить рабочий вариант сенсора регистрации на базе алмаза.

2) Разработана математическая модель и компьютерная модель в GEANT4 для анализа взаимодействия ИИ с объемом многоэлементного (трехэлементного) АС. Параметры математического расчета и компьютерной модели задавались по параметрам физической модели АС.

3) Разработана математическая модель применимая к сенсорам для регистрации ИИ с целью компьютерного моделирования в среде GEANT4 для анализа прохождения элементарных частиц через чувствительный элемент сенсора. Научное исследование проводилось для заданной модели сенсора из материала алмаза (С), Ge и с заданными габаритными параметрами активного чувствительного элемента 5х5х2,5мм и источником ИИ: электронов: 0.5, 1 и 5 МэВ; протонов: 0.5, 2.5, 25 и 200 МэВ; у - квантов: 0.5, 2.5, 25 и 200 МэВ.

4) Расчетным и экспериментальным путем получены сравнительные данные параметров и характеристик сенсоров ИИ, построенных на основе материалов алмаза (С), Ge и анализ научных данных показал преимущества сенсоров на основе монокристаллического алмаза.

5) Разработана модель в среде моделирования GEANT4 для исследования взаимодействия ИИ с объемом сенсора из алмаза при разной толщине сенсора и различных энергиях взаимодействия ИИ. По результатам моделирования и анализа построены графики взаимодействия ИИ в объеме активного элемента сенсора из алмаза с заданными габаритными параметрами активного чувствительного элемента 5х5хdмм, где толщина чувствительного элемента d = 0,1; 0,3; 0,5; 1; 2,5; 5 мм, а источник излучения заряженных частиц: электронов: 0,3; 0,5; 1 и 5 МэВ; протонов: 0,1; 0,5; 2,5; 10; 25; 50; 100 и 200 МэВ; гамма квантов: 0,1; 0,5; 2,5; 10; 25; 50; 100 и 200 МэВ; ТЗЧ ион гелия: 5; 10; 20 и 50 МэВ.

6) Разработана физическая модель АС и проведена оценка влияния высокой температуры Т=500 0С на характеристики регистрации ИИ АС. По результатам эксперимента построен график взаимодействия ИИ Sr90Y90 с энергией Е налетающих электронов 545,9 кэВ и 2,74МэВ с объемом активного элемента сенсора из алмаза при температуре Т= 25 0С и 500 0С. В результате анализа измерений наблюдается не значительное изменение показаний.

7) Разработана технология изготовления многоэлементного алмазного сенсора и физическая модель двухслойного АС для реализации задачи увеличения активной чувствительной зоны регистрации ИИ, с целью повысить диапазон эффективной работы сенсора, не увеличивая напряженность поля между электрическими контактами сенсора.

8) Разработана физическая модель многоэлементного (трехэлементного) АС для регистрации КИ, с расширенным диапазоном регистрации энергии ИИ и повышенными счетными характеристиками, за счет увеличения рабочего чувствительного объема регистрации ИИ, не превышая исходное рабочее напряжение на токовых контактах АС.

9) Получены экспериментальные научные данные о взаимодействии гамма-излучения энергией гамма-квантов 662 кэВ, с физической моделью многоэлементного АС регистрации РП КИ. Анализ полученных измерений

показывает увеличение эффективности регистрации гамма излучения от количества используемых активных слоев в алмазном сенсоре.

Теоретическая значимость работы

1) Изучены данные, полученные в результате температурного эксперимента при нагреве исследуемого макета сенсора на базе алмаза до температуры Т=5000С, в результате которого можно сделать вывод несущественного влияния температуры на показания и эффективную работу алмазного сенсора при регистрации ИИ.

2) Рассмотрены данные компьютерного моделирования в GEANT4 и проведен анализ взаимодействия ИИ с материалом сенсора на базе алмаза, Ge, Используя полученные данные моделирования построены и проанализированы графики спектров пика полного поглощения энергии объемом сенсора в зависимости от толщины и количества активных элементов сенсора в диапазоне энергий: электронов - 0,3; 0,5; 1 и 5 МэВ; протонов - 0,1; 0,5; 2,5; 10; 25; 50 и 200 МэВ; гамма излучения - 662 кэВ; ТЗЧ (ион гелия) - 5; 10; 20 и 50 МэВ. Полученные данные позволяют определить и подобрать необходимый ЧЭ, для измерения определенного параметра энергии заряженных частиц и/или диапазона энергий ИИ.

Практическая значимость работы

Представлена конструкция многоэлементного (трехэлементного) сенсора регистрации РП КИ, изготовленного из монокристаллического алмаза 2А типа. Данная конструкция позволяет расширить диапазон работы сенсора по энергиям ИИ, повысить его эффективность регистрации и амплитуду выходного сигнала, что осуществляется увеличением его активного рабочего объема регистрации ИИ, при этом питающее напряжение не повышается на токовых контактах и осуществляется за счет использования нескольких тонких активных чувствительных элементов, послойно собранных между собой и реализованных в виде отдельной монолитной конструкции.

Полученные результаты применялись в прикладных научных исследованиях (ПНИ) в рамках приоритетного направления «Транспортные и космические системы» федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 год». Основанием для проведения ПНИ является Соглашение о предоставлении субсидии № 14.605.21.0001 от «08» июля 2014 г. между Министерством образования и науки Российской Федерации и НИУ ВШЭ по теме «Создание модулей контроля параметров потоков космических излучений на базе широкозонных полупроводниковых сенсоров для перспективных транспортных космических систем с длительным сроком функционирования».

Достоверность результатов

Достоверность полученных результатов в диссертационном исследовании подтверждается:

1) достаточным для практических расчетов совпадением результатов моделирования с экспериментальными данными и данными, полученными математическим расчетом;

2) данными опубликованных аналогичных работ отечественных и зарубежных специалистов, подтверждающими результаты, полученные в диссертации.

Личный вклад автора в разработку проблемы

• Личный вклад автора состоит в выполнении анализа имеющихся источников литературы, подбора и обоснования выбора материала сенсора, его исследование и сравнительный анализ с другими материалами, применяемыми для изготовления сенсоров регистрации РП.

• Разработана методика проектирования сенсора на базе алмаза для регистрации радиационных потоков космического излучения.

• Проведено моделирование, математический расчет и систематизация полученных научных данных с целью разработки и оптимизации конструкции алмазного сенсора.

• Постановка и экспериментальные исследования взаимодействия гамма излучения, бета и температурных факторов на исследуемый образец - макет сенсора на базе природного монокристаллического алмаза 2А типа.

• Построение модели взаимодействия ИИ в многоэлементном алмазном сенсоре с целью увеличения его активного объема регистрации без увеличения питающего напряжения на электрических контактах сенсора.

• Разработка и исследование экспериментального макета многоэлементного алмазного сенсора для регистрации радиационных потоков космического излучения.

• Формулировка выводов и результатов диссертационной работы выполнена лично автором.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и

обсуждались на следующих конференциях:

1) XVII Международная научно-практическая конференция «Инновационные, информационные и коммуникационные технологии» (ИНФ0-2020), г. Сочи, Россия, с 1 по 10 октября 2020г. «Моделирование регистрации гамма излучения трехслойным сенсором из монокристаллического алмаза».

2) Научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов НИУ ВШЭ им. Е.В. Арменского, Москва, Россия, с 25 февраля по 4 марта 2020г. «Моделирование процесса регистрации энергии протонов и электронов коаксиальным детектором из алмаза».

3) XVI Международная научно-практическая конференция «Инновационные, информационные и коммуникационные технологии» (ИНФО-2019), г. Сочи, Россия, с 1 по 10 октября 2019г. «Моделирование прохождения электронов с начальной энергией 300 кэВ, 500 кэВ, 1 МэВ и 5 МэВ через алмаз толщиной 0,3 мм методом Монте-Карло».

4) XVI Международная научно-практическая конференция «Инновационные, информационные и коммуникационные технологии» (ИНФ0-2019), г. Сочи,

Россия, с 1 по 10 октября 2019г. «Использование искусственной нейронной сети в исследование радиационных потоков на базе алмазных датчиков».

5) XV Международная научно-практическая конференция «Инновационные, информационные и коммуникационные технологии» (ИНФО-2018), г. Сочи, Россия, с 1 по 10 октября 2018г. «Моделирование абсолютной эффективности детектора монокристалла алмаза толщиной от 0,03 до 1см и источником гамма-квантов с энергией от 0,6 до 5000 эВ».

6) Научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов НИУ ВШЭ им. Е.В. Арменского, Москва, Россия, с 17 февраля по 1 марта 2017г. «Высокотемпературный детектор ионизирующих излучений с алмазным чувствительным элементом».

7) XII International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON), Москва, Россия, с 12 по 14 мая 2016г. «Review the space radiation CVD diamond multi-layer detector».

8) Научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов НИУ ВШЭ им. Е.В. Арменского, Москва, Россия, с 3 по 13 февраля 2015г. «Об особенностях построения узла сенсоров для регистрации космического излучения на основе монокристаллического алмаза».

9) XV Всероссийская научно-техническая конференция, г. Воронеж, Россия, с 5 по 17 октября 2014г. «Новые структуры на основе алмазных детекторов для космических транспортных систем».

10) XI Международная научно-практическая конференция «Инновации на основе информационных и коммуникационных технологий» (ИНФО-2014), г. Сочи, Россия, с 1 по 10 октября 2014г. «Инновационные технические решения при разработке спектрометров космического излучения на основе алмазных детекторов».

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав и

заключения. Содержит 166 страниц, включает 22 таблицы, 114 рисунков. Список

литературы включает 101 наименование.

Публикации. Основные теоретические и практические результаты по теме диссертации опубликованы в 39 научных работах, из них: 10 статей - в журналах, рекомендованных ВАК РФ [8, 32, 50, 51, 59, 60, 76, 86, 87, 89]; 14 статей - в международных журналах Scopus [30, 31, 73, 78-85, 91, 92]; 9 - тезисов и конференций [51, 52, 56, 72, 74, 75, 77, 88, 93], отчет НИР -2 [96, 97], глава в книге - 1[98], патент - 2[33, 95].

Глава 1

Аналитический обзор российских и зарубежных информационных

источников по тематике создания и функционирования сенсора для измерения радиационных потоков космического излучения

1.1 Предмет и направленность аналитического обзора

В соответствии с темой диссертации проведены аналитические исследования, направленные на критическую оценку актуальности и перспективности существующих подходов и технических решений, касающихся разработки и экспериментальной проверки методов и способов построения сенсора для регистрации РП КИ.

В прикладном разрезе аналитические исследования имели целью формирование определенного теоретического базиса в части существующих технических разработок и используемых технологий, имеющих аналогичную проектную направленность, как основы для реальных практических рекомендаций в процессе дальнейшей работы над исследовательской работой. На основе проведенного анализа информационных источников формулируются требования к созданию перспективных инструментов научной аппаратуры космических аппаратов с длительным сроком функционирования (не менее 10 лет), в частности, сенсоров для регистрации КИ.

Предметом диссертационного исследования является сенсор на основе монокристаллического алмаза для измерения радиационных потоков КИ. Сенсор регистрации радиационных потоков (РП), должен обеспечивать регистрацию электронного, протонного и гамма излучения космического пространства (КП), так же обеспечивать регистрации тяжелых заряженных частиц (ТЗЧ) в диапазоне энергий от 0,2МэВ до 10ГэВ;

Ожидаемые технические характеристики и параметры сенсора РП КИ, следующие:

• Радиационная стойкость сенсора, Мрад 2,5;

• Диапазон измерений мощности дозы, рад/ч от 10-3 до 105;

• Диапазон измерений дозы, Мрад от 0 до 2,5;

• Диапазон измерений плотности потоков, част./см2- от 10 до 106;

• Диапазон рабочих температур сенсора, 0С от минус 125 до +125.

С этих исходных позиций будет проводиться анализ существующих в мире технических решений для построения сенсора регистрации ИИ, с целью оценки используемых технологий и конструктивных решений.

Аналитический обзор современных российских и зарубежных информационных источников проводился по группам их принадлежности к соответствующей научной задаче применительно к следующим тематическим направлениям создания приборов регистрации, контроля и анализа КИ:

1. Условия и степень воздействия ионизирующего космического излучений на работоспособность космических систем, научной аппаратуры и людей в космосе.

2. Средства и методы регистрации и мониторинга КИ, структура и варианты реализации приборов регистрации излучений.

3. Состав и характеристики модулей контроля параметров РП КИ, в т.ч., спектрометров ионизирующего КИ.

4. Сенсоры ионизирующих излучений, в т.ч. алмазные сенсоры для спектрометрии КИ.

Аналитический обзор в рамках поиска источников по патентной литературе проводился в соответствии с международной патентной классификацией по подклассам:

• G 01 T - «Измерение ядерных излучений и рентгеновских лучей», в т.ч. G01T1/00 "Измерение рентгеновского излучения, гамма-излучения, корпускулярного и космического излучений";

• Н 01 L - «Полупроводниковые приборы»;

• G 01 J - «Измерение интенсивности, скорости или спектрального состава, поляризации, фазы или импульсных характеристик инфракрасных, видимых или ультрафиолетовых лучей; колориметрия; радиационная пирометрия»;

• B 64 G - «Космонавтика; космические корабли и их оборудование».

В диссертации, в ряде разделов рассматриваются некоторые патенты, как российские, так и зарубежные.

В диссертацию включались в первую очередь научные публикации и информационные материалы за 2010-2021 гг., описывающие реально выполненные и/или используемые в настоящее время проекты с применением перспективных образцов научной аппаратуры КА и апробированных методов регистрации и оценки КИ.

1.2 Методы и средства контроля параметров радиационных потоков космического излучения

1.2.1 Оценка и анализ влияния космического излучения на работу космических систем с длительным сроком функционирования

1.2.1.1 Факторы и параметры влияния космического излучения на работу космических систем

Воздействие ИИ на электронную компонентную базу (ЭКБ) научной аппаратуры и оборудования проявляется в так называемых одиночных и дозовых эффектах (ОЭ и ДЭ) [3].

ЭКБ подвержено широкому влиянию потоков заряженных релятивистских частиц от протонов и ядер гелия до ТЗЧ элементов, вплоть до урана (и), образовавшихся в КП и ускоренных до высоких и предельно высоких энергий (до 1020 эВ), это приводит к параметрическим и функциональным отказам оборудования. На долю ИИ КП приходится от 30 до 50% квалифицированных отказов РЭА [4], преимущественно в околоземном КП радиусом около 65 тыс. км.

Развитие спутниковых систем связано с рядом факторов, касающихся увеличения функциональной сложности научного оборудования КА и увеличения срока его активного существования. Следовательно, это налагает дополнительные критерии относительно используемой ЭКБ и РЭА в КП - высокую функциональность в сочетании с высокой надежностью, а также стойкостью к дестабилизирующим факторам КП. Обеспечение требуемой стойкости к радиационному воздействию в КП для электронной аппаратуры КА необходимы

специальные методы проектирования и изготовления как РЭА, так и микроэлектронной базы, в частности - интегральных микросхем.

В статье [4] приводится классификация ОЭ, проявляющихся в сбоях и отказах ЭКБ. Отмечается, что для уверенного применения ЭКБ стойкость к ОЭ желательно иметь выше 100 МэВ см2/мг.

Сильное воздействие на научную аппаратуру КА оказывают нестационарные процессы на Солнце, обусловленные его активностью. Электромагнитное излучение Солнца имеет диапазон от радиоволн до гаммы излучения, а также протонов, ядер химических элементов, электронов и нейтронов.

В КП потенциальную угрозу для оборудования и экипажа КА представляют два вида излучений: хроническое воздействие малых доз галактических космических лучей (ГКЛ) и кратковременное воздействие высокоэнергетических солнечных частиц (ВСЧ).

Для РКА и ТКС с длительным сроком эксплуатации, работоспособность и надёжность работы электронной аппаратуры КА во многом определяется рациональным выбором ЭКБ. ЭКБ КА подвержена воздействиям: СКЛ и ГКЛ; частицам солнечного ветра и РП Земли; динамическим температурным влияниям; космическому вакууму; длительному периоду функционирования (20 лет), который существенно ограничивают перечень применяемых электронных компонентов и устройств в целом.

В статье [5] рассматриваются физические модели с явлением низкой интенсивности в биполярных приборах, проведен анализ степени согласования данных моделей с экспериментальными данными, а в монографии [6] проводится комплексная оценка радиационных эффектов в кремниевых интегральных схемах космического применения. Рассматривается физика взаимодействий ИИ с полупроводниковыми структурами, включая изменение их электрофизических параметров, анализируются дозовые ионизационные эффекты в структуре Si/SiO2 и образование дефектов.

1.2.1.2 Влияние космического излучения на экипаж космического аппарата

Экипаж пилотируемой миссии, также подвержен совокупной комбинации первичного и вторичного ИИ, но детали распределения защиты в этом случае будут различными от таковых в отношении ЭКБ и РЭА. В частности, пилотируемый аппарат должен иметь более однородное распределение массы с минимальным количеством слабозащищенных траекторий, проходящих через обитаемое пространство.

Понимание радиационных условий внутри КА, доставляющего людей или технику к удаленным объектам, является критическим при планировании космического полета. Значительная доля поглощенного ИИ для пилотируемых миссий приходится на прямой и возвратный перелет, когда аппарат и его экипаж подвержены излучению в межпланетной среде, защита от которого предоставляется только самим КА.

Радиационные потоки оказывают влияние на организм, как при внешнем (рентгеновское и у-излучение), так и при внутреннем (особенно а-частицы) облучении, что считается более опасным, т.к. в этом случае облучению подвергаются ничем не защищённые внутренние органы организма.

В работе [6] приводятся измерения дозы излучения, эквивалентных доз и спектров линейной передачи энергии. По данным исследований эквивалентная доза для самого короткого перелета с возвращением к Земле и использованием современных двигательных установок и сравнимой защиты составляет 0,66±0,12 Зв.

Ввиду существенных биологических неопределенностей в случае HZE-частиц (HZE - тип космической радиации, способной проникать через обшивку космических кораблей, поражая находящихся внутри них астронавтов) NASA предложило [7] другой подход - с определением Q в зависимости от Z и E и оценкой распределения Q для разных типов частиц. Этот подход устанавливает пределы дозы астронавта в течение полета, соответствующие 3% риску

смертельного случая возникновения рака в результате излучений, и устраняет неопределенности моделей посредством верхнего доверительного интервала 95%.

Указанные факторы определяют высокую важность постоянного контроля и анализа параметров КИ для оптимального проектирования научной аппаратуры КА и её компонентов, а также условий защиты космонавтов при длительной работе в космосе.

С этой целью для исследований радиационного потока используются ряд методов и экспериментально-аналитических исследований, в т.ч. с применением моделирующих (имитирующих) установок и систем мониторирования космической радиации.

1.2.2 Измерения и анализ радиационных потоков космического излучения с помощью испытательных стендов

Экспериментально моделировать КИ в земных условиях невозможно. Поэтому для изучения работы устройств регистрации и контроля потоков КИ необходимо использовать физические установки - испытательные стенды с использованием имитирующих установок [4]. Другой метод менее затратный и основан на математическом моделировании, позволяющим создать цифровой имитатор КИ, с помощью которого предполагается генерировать входное воздействие на сенсор РП.

Для построения макетов испытаний ЭКБ космического применения в использование экспериментальных стендах и системах моделирования, Роскосмосом (http://www.federalspace.ru/) определены критерии применения:

• стойкость ЭКБ к дозовым эффектам (низкоинтенсивным) ~ 105-106 рад

• стойкость к одиночным эффектам > 60-128 МэВ см2/мг (<10-7 - 10 10 ош/бит день);

• термостойкость: от -125 до +1250С;

• баростойкость до 10-13 мм рт.ст.;

• наработка на отказ > 1,5 - 2 *105 ч;

• интенсивность отказов < 10-9-10-10.

В настоящее время в России существует ряд испытательных стендов, удовлетворяющих заявленным требованиям [4].

Ниже на рисунке 1.1 приведена структура рабочего места испытаний стойкости ЭКБ к ОЭ (испытательный стенд ОИЯИ на базе циклотронов У-400, У-400М).

Рисунок 1.1 - Испытательный стенд на базе циклотрона У-400

В работе [8] приведены результаты экспериментальных исследований на стенде У-400М, взаимодействия ТЗЧ с чувствительным элементом сенсора из алмаза. Исследование проведено в спектрометрическом режиме, макет сенсора находится в пучке ионов, ускоренных до энергий 500 МэВ. В процессе проведенного эксперимента на базе стенда циклотрона У-400М, описывается, что макет сенсора с чувствительным элементом из алмаза работает в спектрометрическом режиме.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Недосекин Павел Геннадьевич, 2021 год

Источник

излучения

протонов, 1=106частиц, Е=

0,1 МэВ 0,1 996411 0,1 996346 0,1 996404 0,1 996315 0,1 996336 0,1 996392

0,5 МэВ 0,5 852435 0,5 852435 0,5 852432 0,5 852437 0,5 682438 0,5 852434

2,5 МэВ 2,5 394567 2,5 394569 2,5 394570 2,5 394568 2,5 394570 2,5 394570

10 МэВ 1,55 292522 2,15 180486 10 197122 10 197201 10 172094 10 197117

25 МэВ 0,7 327452 2,15 188244 3,65 146736 7,9 91904 25 123187 25 123204

50 МэВ 0,4 398535 1,20 197464 2 152822 4,05 107111 10,6 63855 24,5 35021

100 МэВ 0,25 409813 0,25 409813 1,10 173853 2,3 111536 5,85 68018 11,95 47281

200 МэВ 0,15 766566 0,15 766566 0,65 238182 1,35 128454 3,5 66217 7,4 35530

Источник

излучения ТЗЧ,

1=106частиц, Е=

5 МэВ 5 252979 5 252404 5 253010 5 252970 5 253031 5 252435

10 МэВ 10 197253 10 197256 10 197259 10 197253 10 197254 10 197258

20 МэВ 13,45 46440 20 139323 20 139313 20 139313 20 139326 20 139322

50 МэВ 13,45 46440 15,2 85248 16,4 59549 32,6 30834 50 85260 50 87404

При исследовании видно, что при увеличении толщины чувствительного элемента АС эффективность регистрации ИИ повышается.

С увеличением энергии излучения источника ИИ эффективность регистрации падает.

Следовательно, оптимально подбирать толщину чувствительного элемента АС так, чтобы поглощенная энергии от источника ИИ, взаимодействуя с объемом АС переходила вся в объем вещества сенсора.

Но для АС с целью применения его, как сенсора регистрации РП КИ и расширить его диапазон регистрации ИИ, сложно и почти невозможно увеличить объем чувствительного элемента по толщине более 1 мм, так как монокристаллические кристаллы алмаза очень сложно получить данных

габаритных размеров. Следовательно, необходима конструкция и технология изготовления АС, которая позволяла бы нивелировать данный недостаток.

3.7.2 Экспериментальная модель двухэлементного алмазного сенсора, разработка и исследование работы и взаимодействия ионизирующего излучения с алмазным сенсором

3.7.2.1 Экспериментальное исследование взаимодействия ионизирующего излучения и модели двухэлементного сенсора из алмаза

Необходимая конструкция сенсора на базе алмаза для регистрации РП КИ, которая позволит решить вопрос увеличение эффективной регистрации ИИ, сводится - не изменяя толщину АС, изготовить многоэлементную структуру из стандартных чувствительных алмазных элементов, где каждый элемент питается параллельно не зависимо друг другу. Данное решение позволит уйти от проблемы наращивать объем сенсора, что влечет за собой увеличение напряжение питания сенсора и будет ограничивать регистрацию ИИ малых энергий.

С этой целью проведена сборка макета и модели двухэлементного алмазного сенсора, рисунок 3.32 [79]. Макет, состоящий из пластин с размерами: 2х2х0,35 мм (элемента 1) и 2,5х2,5х0,18мм (Элемента 2). Элемент, это алмазная пластина с нанесенными контактными слоями Ti/Al толщиной 50/100 нм, используя метод магнетронного распыления в среде Аг при давлении 10 мТорр. С контактного слоя каждого элемента выведен электрический контакт (контакт 1, контакт 2, контакт 3) золотым проводником, диаметр проводника 40 мкм. Монтаж проводников осуществляется при помощи ультразвуковой сварки. Расширение рабочего активного объема для алмазного сенсора, осуществлялось скреплением элементов пластин между собой, плоской стороной поверхности друг к другу, используя токопроводящую пасту. Торцы элемента закрываются эпоксидным лаком, предотвращая загрязнение поверхности и пробой по торцам.

контакт 1 контакт 2 контакт 3

Рисунок 3.32 - Модель двухэлементного алмазного сенсора для регистрации

ионизационного излучения

Экспериментальное исследование макета двухслойного АС, проводятся на измерительном стенде. В соответствие с блок схемой измерительного стенда описанного выше в главе 3.4, производится установка: экспериментального образца двухэлементного сенсора; источника в ИИ Sr90Y90 с энергией излучения Е равной 545,9 кэВ и 2,74МэВ. Сенсор подключается к спектрометрическому тракту GrinStar. Выходной сигнал спектрометрического предусилителя подается на вход 1024 канального спектрометра, напряжение смещения задается 100В на обкладках ЧЭ АС.

Измерения проводились для трех вариантов съема сигнала с элементов АС. Вариант 1_2 - напряжение смещения подавалось на контакт 2, контакт 1 подсоединялся ко входу ЗЧУ (в двухэлементном АС, работает верхний элемент сенсора). Вариант 2_3 - напряжение смещения подавалось на контакт 2, контакт 3 подсоединялся ко входу ЗЧУ (в двухэлементном АС, работает нижний элемент сенсора). Вариант 2_1,3 - напряжение смещения подавалось на контакт 2, контакт 1 и 3 параллельно подсоединялись ко входу ЗЧУ (в двухэлементном АС, работают два элемента сенсора). В этом варианте выходной сигнал сенсора, является суммой сигналов верхней и нижней элементов АС.

Полученные данные измерений, полученные в ходе эксперимента, приведены на рисунке 3.33.

Алмазный Элемент 1

Алмазный Элемент 2

о

я

I-

:Ц) Т О XI

н

о о

Q. О

О

123456789 10

Q, фКл

Рисунок 3.33 - Спектр выходного заряда двухэлементного АС (вар. 1 - 2_1; вар.

2 - 2_3; вар. 3 -2_1,3 - варианты съема сигнала с элементов АС)

Из графиков рисунка 3.33 видно, что при параллельной работе двух алмазных элементов (вариант включения 2_1,3) спектр выходного заряда двухэлементного АС смещается вправо. Это свидетельствует об увеличении амплитуды выходного заряда двухэлементного АС по сравнению с одноэлементным вариантом подключения (варианты включения 2_1 и 2_3).

3.6.2.2 Моделирование взаимодействия ионизирующего излучения с моделью двухэлементного сенсора из алмаза

Для проверки экспериментальных результатов исследования двухэлементного АС, было проведено математическое моделирование прохождения Р-частиц через объем двухэлементного АС и получены спектры выходного зарядового сигнала с него. Моделирование проводилось с помощью программы компьютерного моделирования Giant 4.

Полученные спектры выходного зарядового сигнала двухэлементного алмазного сенсора для трех конфигураций, рассчитаны и приведены на рисунке 3.34.

1 23456780 10

О, фКл

Рисунок 3.34 - Спектр моделированного выходного заряда двухэлементного АС. (вар. 1 - 2_1; вар. 2 - 2_3; вар. 3 -2_1,3 - варианты съема сигнала с элементов

сенсора)

Анализ выходного зарядового сигнала двухэлементного алмазного сенсора, полученный из графиков рисунок 3.33 и 3.34 совпадают с результатами проведенного эксперимента. Полученные данные представлены в таблице 3.6.

Таблица 3.6 - Амплитуды сигналов двухэлементного АС

Вариант регистрации сигнала Скорость счёта, с-1 Амплитуда выходного сигнала АС, фКл

Эксперимент Моделирование

I 64 3,09±0,12 3,18±0,03

II 100 3,16±0,10 3,6±0,03

III 100 3,95±0,18 4,10±0,04

Дополнительно проведено моделирование спектров выходного сигнала двухэлементного АС при воздействии потока у - излучения с энергией 0,66 МэВ, полученные результаты отображены на рисунке 3.36 и в таблице 3.7.

Рисунок 3.36 - Спектр моделированного выходного заряда двухэлементного АС для у - излучения. (вар. 1 - 2_1; вар. 2 - 2_3; вар. 3 -2_1,3 - варианты съема

сигнала с элементов сенсора).

Таблица 3.7 - Амплитуды сигналов двухэлементного АС при воздействии у -излучения

Вариант регистрации сигнала Скорость счёта, отн. ед. Амплитуда выходного сигнала АС, фКл

I 0,5 2,06±0,02

II 0,5 2,85±0,02

III 0,5 3,29±0,03

В результате проведенного эксперимента и компьютерного моделирования, анализ данных исследования характеристик двухэлементного АС показал:

о Использование двух чувствительных элементов сенсора из алмаза, соединенных параллельно в электрическую цепь и подключенных в спектрометрический тракт, работают без сбоя, напряжение питание цепи 100В, такое же, как при питании одного элемента АС;

о Объединение двух чувствительных элементов позволило расширить диапазон измерения и повысить скорость счета сенсора;

о Использование двух чувствительных элементов повышает амплитуду выходного зарядового сигнала с АС.

3.7.3 Многоэлементный (трехэлементный) сенсором из алмаза для

регистрации космического излучения

Полученные данные исследований позволяют нам сформировать базу и оценить критерий построения конструкции сенсора на основе монокристаллического алмаза для измерения РП КИ.

Разработанная и оптимизированная конструкция ионизационного сенсора из алмаза представляет собой трехэлементный блок, где каждый элемент (Э) сенсора - это активный чувствительный алмазный элемент с электрическими контактами на поверхности, который осуществляет регистрацию ИИ [32].

Элементы (Э) сенсора состоят из пластин монокристаллического алмаза с электрическими металлическими контактами, скрепленные между собой по центральной оси серебросодержащей пастой. Модель конструкции трехэлементного сенсора отображена на рисунке 3.37, и состоит из трех последовательно собранных элементов Э1, Э2, Э3.

гамма излучение

МММ

2

Рисунок 3.37 - Структура модели трехэлементного сенсора регистрации ИИ из

алмаза

Каждый элемент сенсора является стандартным элементом, выполненным по технологии описанной выше в главе 3.3.

Вывод по главе:

1. Применение монокристаллического алмаза, как материала для изготовления сенсора регистрации РП КИ на РКС и ТКС, оптимально вписываются в тактико-технические характеристики применения в КП,

так как обладает высокой радиационной стойкостью; шириной запрещенной зоны, небольшими масса-габаритные параметры, способностью работать при перепадах и высоких температурах до 500 0С (до 1000°С в вакууме), не требуя дополнительного охлаждающего оборудования. Изготовленные сенсоры на базе монокристаллического алмаза обладают благоприятными характеристиками сжатия амплитуды сигнала, скоростью счета и абсолютной эффективностью регистрации ИИ.

2. Проведенный анализ полученных данных при моделировании взаимодействия электронов, протонов с заданной энергией и геометрией чувствительного элемента для сенсора из алмаза, Si и Ge, дает хорошую оценку для изготовления сенсоров регистрации ИИ и не уступает, а в некоторых случаях превосходит другие материалы для изготовления сенсоров ИИ.

3. АС примерно работаю на одном уровне с сенсорами при регистрации у - квантов, это связано с небольшой плотностью и атомным номером материала.

4. Результаты проведенного температурного эксперимента до +5000С, показали не значительное изменение полученного сигнала от АС при регистрации ИИ и погрешность составила около 5% при тах температуре, что минимально будет влиять на показание прибора при регистрации РП КИ и в то же время превосходит другие аналоги сенсоров, выполненные из других материалов.

5. Выполнено исследование и систематизация данных. Получена статистика для построения АС регистрации ИИ. Анализ изменения эффективного объема АС, варьируя его толщину, а также определение эффективности регистрации АС при изменении мощности излучения ИИ.

6. Предложена структура двухэлементного АС. Проведенный эксперимент позволил проверить обоснованность применения двухэлементной структуры с целью увеличения рабочего объема чувствительного

элемента сенсора для повышения эффективности регистрации ИИ, но при этом, не увеличивая напряжения питания на контактах электродах самого сенсора.

Глава 4

Построение физической модели многоэлементного (трехэлементного) сенсора из алмаза для регистрации радиационных потоков космического

излучения

4.1 Введение

На базе структурной схемы, отображенной на рисунке 3.46, разработана физическая модель многоэлементного (трехэлементного) АС для регистрации РП КИ.

Для изготовления ЧЭ, отобраны монокристаллические пластины алмаза 2А типа, обладающие полупроводниковыми свойствами.

Технические характеристики алмазных пластин, мм: о Э1: 3,89х3,85х0,29; о Э2: 3,8х3,95х0,32; о Э3: 4,72х3,64х0,27; о Э4: 3,99х3,4х0,34; о Э5: 4,16х3,48х0,34; о Э6: 3,75х3,35х0,31.

Подобранные пластины для ЧЭ АС специально подготавливаются: полируются, подвергаются химической обработки и промывке, сушке и ионной зачистке поверхности.

Напыление электропроводящих контактов на подготовленные пластины осуществляются на вакуумном посте ВУП-5М. Контакты изготавливаются по технологии описанной выше в главе 3.3.

Макет многоэлементного АС собирается в соответствие с описанием в главе 3.6.3.

Из полученных материалов собираются два макетных образца сенсора: Э1Э2Э3 и Э4Э5Э6.

Измерения проводятся на измерительном стенде, который описывается в главе 3.4.

Исследование изготовленных макетных трехэлементных АС проводится экспериментальным методом, методом моделирования и методом математических расчетов для подтверждения полученных данных эксперимента:

• Моделирование взаимодействия потока электронов и протонов с многоэлементным АС;

• Моделирование взаимодействия у излучения с многослойным АС [88];

• Математическая модель взаимодействия у излучения с многоэлементным АС [31];

• Экспериментальная модель измерения многоэлементного АС, разработка и исследование. Взаимодействия у излучения с многоэлементным АС.

• Выполнено моделирование взаимодействие ИИ с рабочим блоком мониторинга РП КИ «Спектрометр» для РКА и ТКС, с установленным многоэлементным АС.

4.2 Моделирование взаимодействия потока электронов и протонов с многоэлементным алмазным сенсором

Для анализа взаимодействия потока электронов и протонов с многоэлементным АС зададим параметры для исследуемой модели:

• Геометрические параметры ЧЭ сенсора, задаются по реальному образцу многоэлементного АС;

• Материал сенсора: алмаз;

• Источник ИИ с энергией Е:

о Электронов: 0,3; 0,5; 1 и 5 МэВ; о Протонов: 0,1; 0,5; 2,5; 10; 25; 50 и 200 МэВ;

• Поток ИИ I от источника, т.е. количество частиц, падающих на исследуемый объект 106;

• Источник излучения установлен от плоскости ЧЭ АС, на расстояние 50 мм;

• Модели моделирования отображены:

о на рисунке 4.1 для электронов;

Рисунок 4.1 - Модель взаимодействия потока электронов с объемом АС о на рисунке 4.2 для протонов.

Рисунок 4.2 - Модель взаимодействия потока протонов с объемом АС

По результатам моделирования, полученные данные обработаны в виде графиков и представлены на рисунках:

о Взаимодействие потока электронов для заданной энергией с объемом многоэлементного АС, рисунок 4.3;

о Взаимодействие потока протонов для заданной энергией с объемом многоэлементного АС, рисунок 4.4;

Эффективность многослойного АС по пику поглащения энергии в объеме.

Энерги от источника излучения Е(электронов).

50000,00

45000,00

40000,00

-*-Е=0,ЗМэВ -»-Е=0,5МэВ -*-Е=1МэВ

35000,00

30000,00

25000,00

20000,00

15000,00

10000,00

5000,00

0,00

0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

2,50

Энергия, МэВ

Рисунок 4.3 - Эффективность поглощения энергии электронов от источника излучения объемом многоэлементного АС

Рисунок 4.4 - Эффективность поглощения энергии протонов от источника излучения объемом многоэлементного АС

Результаты измерения систематизированы и занесены в таблицу 4.1 .

Таблица 4.1 - Взаимодействие электроном, протонов с объемом АС

Количество взаимодействия частиц и полезная поглощённая энергия

Источник излучения электронов, 1=106частиц, E= объемом многослойного АС

d^c!x ,частиц dEA МэВ /ах

0,3 МэВ 43671 0,3

0,5 МэВ 33829 0,5

1 МэВ 11277 0,99

5 МэВ 13045 0,4

Источник излучения

протонов, 1=106частиц, E= ,частиц dEA МэВ /ах

0,1 МэВ 996365 0,1

0,5 МэВ 852434 0,5

2,5 МэВ 394567 2,5

10 МэВ 197120 10

25 МэВ 101092 25

50 МэВ 112972 50

100 МэВ 122129 2

200 МэВ 149351 1,15

Из полученных исследовательских данных видно, что многоэлементный АС повторяет результат предыдущего исследования из главы 3, программа компьютерного моделирования Giant 4 рассчитывает взаимодействии ИИ с

объемом вещества, следовательно, измерения проходят для ЧЭ (рис. 3.1) толщиной х = 0,88 мм, при том что, построение задавалось для каждого кристалла. Но, АС является трёхэлементным, и полезный сигнал снимается с каждого элемента, тогда проведя анализ, можно сделать вывод, что сенсор оптимально регистрирует диапазон ИИ с энергией:

о для электронов: 0,3 - 1 МэВ, при повышении энергии

эффективность падает, но сенсор продолжает регистрировать ИИ.

о для протонов: 0,1 - 10 МэВ, падение при повышении энергии ИИ.

Но так как сенсор регистрации ИИ является многоэлементным, и каждый элемент регистрируют ИИ, для расширения диапазона измерений можно применить схему совпадений и искусственную нейронную сеть.

Для обучения ИНС можно определить, что каждый элемент является, как регистратором ИИ, так и фильтром по энергии ИИ, в котором теряется часть проходящего потока ИИ. Следовательно, если научить ИНС для каждого элемента АС, в котором происходит полное поглощение энергии в определенном диапазоне, то в дальнейшем можно аппроксимировать по трем точкам прохождение больших РП ИИ, которое будет фиксироваться в каждом элементе АС и сравниваться с данными поэлементно и с выходным общим сигналом от АС.

4.3 Моделирование взаимодействия гамма излучения с

многоэлементным алмазным сенсором

Параметры исследуемой модели:

• Геометрические параметры ЧЭ сенсора, задаются по реальному образцу многоэлементного АС;

• Материал сенсора: алмаз;

• Источник излучения с энергией Е:

о у излучение: 662 кэВ;

• Поток ИИ I от источника, т.е. количество частиц, падающих на исследуемый объект 106;

• Источник излучения установлен от плоскости ЧЭ АС, на расстояние 50 мм;

• Модель моделирования отображена:

о на рисунке 4.5 для у - излучения.

Рисунок 4.5 - Модель взаимодействия потока у излучение с объемом АС

Источник излучения испускает у - кванты с энергией Ет равная 662 кэВ. В модели исследуются последовательно элемент радиационного сенсора Э1 и проводится моделирование с ним, потом элементами Э2 и Э3. Далее Элементы объединяются в конструкцию из двух элементов Э1Э2 и трех Э1Э2Э3, и проводится моделирование с заданными параметрами. В результате моделирование получаем данные указанные в таблице 4.2 для изотропного излучения.

Таблица 4.2

Число импульсов в спектре

Э1 Э2 Э3 Э1Э2 Э1Э2Э3

16531 17810 15015 33901 44499

Эффективность по интегралу, %

0,017 0,018 0,015 0,034 0,044

Среднее значение эффективности в группе детекторов,%

0,02 0,03 0,05

Число импульсов в пике

2232 2656 1725 9381 13676

Эффективность по пику, %

0,002 0,003 0,002 0,009 0,014

Среднее значение эффективности в группе детекторов,%

0,002 0,008 0,015

Второй эксперимент моделирования проводиться для модели с источником излучения, установленным плоскопараллельно относительно элемента сенсора

ИИ из алмаза, остальные параметры модели остаются неизменными. Полученные данные исследования указаны в таблице 4.3. Таблица 4.3

Число импульсов в спектре

Э1 Э2 Э3 Э1Э2 Э1Э2Э3

86910 91849 79007 178069 230881

Эффективность по интегралу, %

0,87 0,92 0,79 1,78 2,31

Среднее значение эффективности в группе детекторов,%

0,83 1,65 2,45

Число импульсов в пике

11773 13465 8871 49377 71392

Эффективность по пику, %

0,12 0,13 0,09 0,49 0,71

Среднее значение эффективности в группе детекторов,%

0,10 0,44 0,78

По результатам исследования взаимодействия у излучения с моделью АС, построенного из одного (Э1), двух (Э1Э2) и трех (Э1Э2Э3) элементов, получен график спектра энерговыделения от количества у - квантов про взаимодействовавших с объемом ЧЭ АС и отображено на рисунке 4.6.

Рисунок 4.6 - Спектр энерговыделения у - квантов в объеме чувствительного

элемента для трехэлементного АС

Проведенный анализ полученных данных исследования по результатам моделирования видно, что количество у - квантов, которые отдали свою энергию в рабочий объем АС увеличивается, при увеличении числа активных используемых элементов в структуре конструкции сенсора, за счет эффективного увеличения толщины объема самого АС. С увеличением числа элементов

радиационного сенсора, наблюдаем улучшения амплитуды работы и спектрометрических свойств АС, можно наблюдать по увеличению пика на рисунке 4.6.

4.4 Математическая модель взаимодействия гамма излучения с многоэлементным алмазным сенсором

Модель строится по реальному образцу многоэлементного АС. На АС воздействует коллимированный пучок у - квантов, от источника излучения с энергией у - квантов 662 кэВ. Поток у - квантов проходит сквозь объем сенсора и взаимодействует с ним по толщине, передавая энергию от у -квантов неравновесным носителям заряда.

Эффективность работы АС, определяться через абсолютную эффективность регистрации у - квантов объемом сенсора. Количество у - квантов, зарегистрированных сенсором ^еъ к количеству у - квантов, испущенных

источником излучения N¿81.

* = ^

аЪз

Кш , (15)

Длительность измерения устанавливается t = 3600 секунд, в течение которого источник излучения будет испускать у - кванты в количестве равным:

^ = А ■ t = 78600 • 3600 = 2,8-108 ^

Гамма излучение в объеме сенсора N¿<¿0, определяются из закона ослабления у - квантов по энергии для 137Сб.

N,0 = ^ ■ г*»™, (17)

где N1* - испущенные источником у - кванты; ^ю - количество у - квантов, не про взаимодействовавших с объемом сенсора; ц - массовый коэффициент ослабления в веществе, табличное значение для алмаза 0,07 см2/г; р - плотность алмаза 3,52 г/см3; ё- толщина элемента сенсора, мм.

Толщина одинарного элемента сенсора ИИ из алмаза, устанавливается равное среднему значению всех одинарных элементов и будет равно d = 0,3 мм, с последовательной сборкой элементов АС в два (Э1Э2, d = 0,6 мм) и три слоя (Э1Э2Э3, d = 0,9 мм), в соответствие с рисунком 3.46. Найдем Nist по формуле 17.

Для Э1: = 2-8 -10' ■е-,0-0,"Ш0" = 2,779.10' (18)

Для Э1Э2: N»o(2) = 28'10'= 2,759'Ю8 (19)

Для Э1Э2Э1: N»o(3) = 28'10'■«-тдам2МИ = 2739'108 (20)

Следовательно, количество про взаимодействовавших у - квантов будет:

Ndet = N,st - (21)

Сенсор из одного элемента Э1:

Ndet(l) = 2'106, из формулы 15: ^ = °7%. (22)

Сенсор из двух элементов Э1Э2:

Ndet(2) = 4,2'10б, ^ = 1,5%. (23)

Сенсор из трех элементов Э1Э2Э3:

Net (2) = б,2'10б , Eabs = 2,2% . (24)

По результатам расчета взаимодействия гамма излучения с объемом АС и увеличением слоев АС с одного до трех, абсолютная эффективность регистрации повышается в три раза. В данном случае она повышается в три раза, так как элементы по толщине одинаковые, если элементы будут разные по толщине, то и эффективность будет варьироваться в зависимости от применяемых в многоэлементной конструкции чувствительных элементов АС.

4.5 Экспериментальная модель многоэлементного алмазного сенсора, разработка и исследование. Взаимодействия гамма излучения с многоэлементным алмазным сенсором

Изготавливаются элементы сенсора из монокристаллических пластин алмаза 2А типа с токовыми контактами по технологии приведенной выше. Измерения проводятся на радиотехнической аппаратуре ГринСтар. Напряжение питания сенсора устанавливается и = 100В, продолжительность измерения Т = 3600с. Источник гамма излучения По результатам измерения получаем спектры

импульсов сигнала от АС. Измерения снимаются с источником излучения и без него, для выявления темнового тока АС и обеспечения чистоты эксперимента.

Процесс измерения проводится для групп элементов, сначала проводится измерение одноэлементных сенсоров (рисунок 4.7), далее эти сенсоры собираются в двухэлементный блок (рисунок 4.8) и измеряются, далее в трехэлементный (рисунок 4.9).

-ГП» рч» (к 1 •мЖ а Щ-ЯМУМЯ.»*» "..ГГЙ т т — - »•рмЙОМ (Итоиимк • ■гЩ Ш МММ №00(4 Мкктнипи ■ ■ I-пэ JUwr.rr.-T., ад микМСОиО Ойаинм* КО ..1 , тмШООи! ОЬюнипм ••ГГ@ ЗирОЦОИ 1М*1< т«0В ипмИООи*

* ПО Пщ» пТГ 000 Поим» Л» 1 м

м м/с Ми> П»| п «0 м м/с МиГ IV 1X0 1«В ют м м\ Щ Л; ] IV Фк .10) » м м/с (и 00 /я м м/с 00м (к 111 КО м м'с Сйи> 1к|~ | ♦л. 1/00 '«00

£¡'1» 11 Ж) еоо ВШ' 1» ¿ю* т та а III ¿яз Ш 1100

МО 1100 эш 1)0 то

([*« чЛт.| «0 Чите КШ Что'. ОМ т « <<м,е (00 Рммис (00(6 0Ш 1000 300 бел««*®» ><м.с (00 Гтт.с №18 мцпмд от МО 1000 »{♦««ЛМ ■»л», с КО Рн*м ( 6» У Менял ООН ко 550 <00 ¡(ни «Леи *МС КО Рммгс КО 015 Мри* 0№ 1» но Нмыот Хщв КО ь*у*1. т Мфм* от 1Я0 1100

'•«им ООР. «РК») 1«ри ОКА ттХ но 1*»« от ирмЛ 400 I»** ООП 4Я 1»«и» ООП и«пи.) II ООП 1000

■ПРИ* 0 я '»ЩИ* 0 ПирММ им Зцрмашрдмяр 400 ^«•«ашгрони» Ригми 0 кррм акциям .

МИМфМО рог* ООП : 1аим 0 1яи1сум0 ООП : Р«ТИИ О ямоумю Просе» ООП 1» т Ьпсш* а т> 0 ЬжисумО Прк« 000) я хо а« б Пцомг 000*. И " 1 «И С чиисумс Л** ООП 0« 1«

Мюмиммк« № - Мааммвс« 1 • НИМШЙШ В МкоимМс« 18 МцаммМС« Н ■ | Мапмтмшг 1» -

е>«м * 1 1 В<мш ^ 1 е»*и я е.м» * 1

1 л я | О 1 ОпюммМ »*• ВО 1

ОпМЫЧбф Хми И 100 I 1 >*и ю - 1 Огням *Ли N0 Оимшмйси *4И ВО Оггамч&й КО * 1

1 1 ■ а 1 ю 1 1 1 | Л0 ■

1 1 п 1 ■1 1 1 1 ... о | и юо т 1

< Я Я 1», 5 » 100

Рисунок 4.7 - Измерение одноэлементных сенсоров

Рисунок 4.8 - Измерение сборки двухэлементных сенсоров

Рисунок 4.9 - Измерение сборки трехэлементных сенсоров

Данные результата эксперимента добавлены в таблицу 4.3 для образца 1 и таблицу 4.4 образца 2. По данным измерения проверялась счетная составляющая многоэлементного АС при излучении у - квантов от источника.

Таблица 4.3 - ОЭффективная скорость счета многоэлементного АС, образец 1

Многоэлементный АС, образец 1

Э1 Э2 Э3

Размер, мм 3,89x3,85x0,29 3,8x3,95x0,32 4,72x3,64x0,27

Имп 52237 88628 34803 Измерение по

го £ £ £ 5 Имп/с 87,06 147,713 58 элементно Э1,Э2,Э3

Имп 151184 Измерение сборки двуx

£ £ и Имп/с 251,973 элементов Э1Э2

Ф о Имп 209500 Измерение сборки треx

I § т и Имп/с 350,2 элементов Э1Э2Э3

Таблица 4.4 - ОЭффективная скорость счета многоэлементного АС, образец 2

Многоэлементный АС, образец 1

Э4 Э5 Э6

Размер, мм 3,99x3,4x0,34 4,16x3,48x0,34 3,75x3,35x0,31

Эффективная скорость счета Имп 11369 14506 32347 Измерение по элементно Э4,Э5,Э6

Имп/с 18,94 24,175 54

Имп 24700 Измерение сборки двуx элементов Э4Э5

Имп/с 41,1667

Имп 56024 Измерение сборки треx элементов Э4Э5Э6

Имп/с 93,37

Исследование и анализ данных эксперимента взаимодействия у - квантов в объеме исследуемых одно-, двух- и трехэлементных АС, приведены в таблице 4.5.

Таблица 4.5

№ сенсора Алмазный чувствительны элемент, размер элемента в мм Количество у - квантов зарегистрированныx сенсором за 3600с Примечание

1 Э1(4,17x3,5x0,32) 2,09 ■ 106 один элемент

2 Э2(4,16x3,5x0,34) 2,66 ■ 106 один элемент

3 Э3(3,89x3,85x0,29) 9,6 ■ 106 один элемент

4 Э4(3,87x3,85x0,3) 1,6 ■ 107 один элемент

5 Э5(4,72x3,64x0,27) 6,3 ■ 106 один элемент

6 Э6(3,75x3,35x0,31) 5,9 ■ 106 один элемент

7 Э1(4,17x3,5x0,32) Э2(4,16x3,5x0,34) 4,5 ■ 106 Сенсор из двуx элементов

8 Э3(3,89x3,85x0,29) Э4(3,87x3,85x0,3) 2,7 ■ 107 Сенсор из двуx элементов

9 Э5(4,72x3,64x0,27) Э6(3,75x3,35x0,31) 8,6 ■ 106 Сенсор из двуx элементов.

10 Э3(3,89x3,85x0,29) Э4(3,87x3,85x0,3) Э5(4,72x3,64x0,27) 3,8 ■ 107 Сенсор из треx элементов

11 Э1(4,17x3,5x0,32) Э2(4,16x3,5x0,34) Э6(3,75x3,35x0,31) 1,03 ■ 107 Сенсор из треx элементов

Абсолютная эффективность АС определяться по пику полного поглощения у - квантов - это отношением количества у - квантов, зарегистрированных сенсором

в пике полного поглощения (Ndpik), к количеству у - квантов испущенных от источника излучения (Nist).

Sabs = (Ndpik / Nist)x100%, (25)

Полученная абсолютная эффективность Sabs, приведена в таблице 4.6.

Таблица 4.6

№ элемента сенсора 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

£abs, % 0,7 0,9 3,4 5,8 2,2 2 1.6 9,92 3,06 13,7 3,7

Данные полученные по результатам проведенного эксперимента, дают чёткую характеристику увеличения эффективности передачи энергии от источника у - квантов в объем АС при увеличении числа используемых ЧЭ сенсора.

Исполнение АС в виде многоэлементной структуры по полученным исследовательским данным, показывает увеличение счетной эффективности и амплитуды выходного сигнала. При этом напряжение смещения электрической схемы, в которую включен АС, не меняется и не превышает U = 100В при увеличении чувствительного рабочего объема сенсора.

Основные данные, полученные в результате проведенной научной работы по разработки и исследованию многоэлементного (трехэлементного) АС для регистрации РП КИ отображены в таблицах 4.7.

Таблица 4.7 - Сводная таблица результатов взаимодействия гамма излучения с объемом многоэлементного АС

Средняя абсолютная эффективность регистрации АС, один АС, два элемента АС, три элемента

гамма-квантов, % элемент Э1 Э1Э2 Э1Э2Э3

Модель с точечный, изотропный источником 0,02 0,03 0,05

излучения

Модель с плоскопараллельно установленным 0,83 1,65 2,45

источником излучения

Расчетная модель 0,7 1,5 2,2

Экспериментальная модель 0,7 2 13,7*

0,9 1,6 3,7

3,4* 9,92*

5,8 * 3,06

2,2

2

Результаты математического расчета, моделирования и эксперимента,

отображают закономерность увеличения эффективности регистрации гамма

излучения АС при увеличении количества рабочих элементов сенсора. Эффективность регистрации у - квантов АС при моделирование изотропного излучения, незначительно, это связано с распределением потока частиц во вне от источника излучения во все стороны, и не все у - кванты попадают на чувствительный элемент АС. Исследование взаимодействия плоскоспирального пучка от источника излучения, при котором все испускаемые у - кванты попадают на АС. Полученные данные от модели с плоскопараллельным пучком, совпадают с данными математического анализа.

Результаты, полученные в результате проведенного эксперимента, показывают некоторые несовпадения на некоторых элементах сенсора, помеченные звездочкой в таблице 4.7. Требуется дополнительное исследования свойств алмазных пластин из которых были изготовлены ЧЭ сенсора. Во время эксперимента были отобраны пластины монокристаллического природного алмаза 2А типа, повторяемости свойств у пластин нет. Следовательно, не совпадение связано с включениями и дефектами, которые могут приводить к повышенной проводимости алмазных элементов, так же это может быть связано с проводящими примесями в алмазе. Для чистоты эксперимента необходимо провести эксперимент на искусственно полученных пластинах по технологии CVD из одной партии.

4.6 Моделирование взаимодействия электронов, протонов и гамма излучения с многоэлементным алмазным сенсором, установленным в корпус блока мониторинга «Спектрометр» радиационных потоков космического излучения

В целях научной работы необходимо провести оценочное моделирование взаимодействия ИИ с разработанным АС в блоке мониторинга РП КИ, который будет устанавливаться на РКА и ТКС с длительным сроком функционирования [91-94, 96].

Модель разработанного блока мониторинга РП КИ «Спектрометр» отображен на рисунке 4. 10.

Рисунок 4.10 - Блок мониторинга РП КИ «Спектрометр»: 1, 3 - Пластина с наборными фильтрами по энергиям ИИ для установленных АС; 2 - Корпус; 4 -установленные АС в коллимационные колодцы корпуса; 5 - блок усиления и

обрабатывающие электроники Для целей моделирования, в компьютерной программе, проведем построение модели блока мониторинга и АС, зададим граничные условия взаимодействия ИИ. В нашем случае для упрощения расчета взаимодействия ИИ с АС в модели блока, электронная аппаратура и ее компоненты не рассматриваются. Блок мониторинга устанавливается в сферу радиусом 30см, сфера является источником изотропного ИИ, т.е. излучение от источника равномерно распространяется во всех направлениях, показано на рисунке 4.11.

Рисунок 4.11 - Модель блок мониторинга РП КИ «Спектрометр»: 1 - Блок мониторинга; 2 - Корпус блока мониторинга; 3 - Условно площадка крепления к

РКА; 4 - АС

Параметры моделирования: • Параметры блока мониторинга, представлены на рисунке 4.12 в мм;

Рисунок 4.12 - Параметры модели блока мониторинга РП КИ

• Геометрические параметры чувствительного элемента сенсора, задаются по реальному образцу многослойного АС;

• Материал сенсора: алмаз;

• Источник ИИ с энергией Е:

о Электронов: 0,3; 0,5; 1 и 5 МэВ; о Протонов: 0,1; 0,5; 2,5; 10; 25; 50 и 200 МэВ; о г излучение: 25; 50; 100 и 200 МэВ;

о у излучение 137Сб: 662 кэВ для модели АС из одного - Э1, двух - Э1Э2 и трех Э1Э2Э3;

• Поток ИИ I от источника, т.е. количество частиц, падающих на исследуемый объект 109.

По результатам проведенного моделирования получены данные взаимодействия электронов с АС, где на рисунке 4.13 показано, сколько частиц с выбранной энергий попали на АС. Максимальные пики отображают прохождение ИИ через коллимационный колодец с установленным АС в блоке мониторинга РП КИ. Хвосты отображают про взаимодействовавшее ИИ после отражения и/или поглощения в стенках блока прибора, либо образование вторичных заряженных частиц.

Спектр первичных частиц, попавших в объем АС -Е = 0.3 МеУ -Е = 0.5 МеУ Е = 1 МеУ Е = 5 МеУ

1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0

3 4

энергия частиц, МэВ

Рисунок 4.13 - Электроны, попавшие в объем АС

График на рисунке 4.14 отображает пики про взаимодействовавших частиц которые попали на чувствительный элемент АС и передали свою энергию в его объем.

Е = 0.3 МеУ

Спектр отклика АС Е = 0.5 МеУ Е = 1 МеУ Е = 5 МеУ

250

200

150

100

50

и* - —-

01234567 энерговыделение в объеме АС, МэВ

Рисунок 4.14 - Эффективность поглощения энергии электронов от источника

излучения объемом АС На рисунках 4.15 и 4.16 отображены данные моделирования взаимодействия для протонов.

Спектр первичных частиц, лопавших в объем АС Е = 0,1МеУ Е - О,Б Ме\/ Е - 2,5 МеУ Е - 10 МеУ

Спектр первичных частиц, попавших в объем АС

-Е=25МеУ - Е = 50МеУ —Е=100Ме7 Е = 200МеУ

1600 1400 1200 ^ 1000

& 800

3"

§ 600 £

400

200 О

1600

1400

1200

^1000 х

С 800

т

5 600 Т 400 200 О