Исследование радиационной стойкости высокоомного арсенида галлия для применения в детекторах элементарных частиц на будущих лептонных коллайдерах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.01, кандидат наук Кручонок Владимир Геннадьевич

• Кручонок Владимир Геннадьевич
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Кручонок Владимир Геннадьевич

Введение

Глава 1. Электронный ускоритель ЛИНАК-200 как инструмент для калибровки детекторов и измерения их радиационной стойкости

1.1. Основные параметры ускорителя ЛИНАК-200

1.2. Измерение энергии пучка электронов ускорителя ЛИНАК-200 и калибровка сцинтилляционных детекторов

1.3. Выводы к главе

Глава 2. Исследование радиационной стойкости ППД из GaAs:Cr и 81 при облучении электронами 21 МэВ

2.1. Принцип работы полупроводниковых детекторов

2.2. Полупроводниковые детекторы на основе высокоомного арсенида галлия, компенсированного хромом (GaAs:Cr)

2.3. Сенсоры GaAs:Cr и Si, отобранные для радиационных тестов

2.4. Облучение Si и GaAs:Cr сенсоров электронами ускорителя ЛИНАК-200 и измерение поглощенной дозы

2.5. Установка для измерения вольт-амперных характеристик и ССЕ

2.6. Измерение сбора заряда в необлученных сенсорах Si и GaAs:Cr

2.7. Измерение сбора заряда в сенсорах Si и GaAs:Cr после облучения различными дозами

2.8. Зависимость эффективности сбора заряда от напряжения

2.9. Оценка работоспособности облученных детекторов посредством 2а-критерия44

2.10. Температурные зависимости 1^, C-V и ССЕ облученных сенсоров

2.11. Выводы к главе

Глава 3. Исследование радиационной стойкости ППД из GaAs:Cr при облучении быстрыми нейтронами

3.1. Неионизирующие потери энергии при облучении GaAs и Si нейтронами. Скейлинг неионизирующих потерь для различных типов излучения

3.2. Облучение быстрыми нейтронами на реакторе ИБР-2 и методы измерения нейтронного потока

3.3. Облучение сенсоров GaAs:Cr быстрыми нейтронами. Результаты измерения потока, полученные с помощью Si мониторов

3.4. Вольтамперные характеристики облученных сенсоров GaAs:Cr и Si

3.5. ССЕ облученных детекторов GaAs:Cr

3.6. Выводы к главе

Глава 4. Испытание прототипа калориметра FCAL Г^ с детекторными плоскостями из матричных сенсоров GaAs:Cr

4.1. Устройство переднего калориметра FCAL международного линейного коллайдера ILC

4.2. Матричные сенсоры GaAs:Cr секторного типа для прототипа калориметра BeamCal

4.3. Изготовление прототипа калориметра BeamCal на базе сенсоров GaAs:Cr

4.3.1. Калориметр BeamCal как периодическая структура из слоев сенсоров GaAs:Cr и вольфрамовых поглотителей

4.3.2. Требования к геометрической точности фреймов и контроль качества изготовления вольфрамовых поглотителей

4.3.3. Сенсорные плоскости на базе детекторов GaAs:Cr секторного типа и считывающая электроника

4.4. Испытания прототипа калориметра BeamCal на тестовом пучке синхротрона DESY-П

4.4.1. Постановка задачи и подготовка испытаний

4.4.2. Испытания детекторных пластин на базе сенсоров GaAs:Cr на тестовом пучке

4.4.3. Амплитудный спектр и измерение отношения сигнал/шум для детекторных пластин GaAs:Cr

4.4.4. Деконволюция сигналов

4.4.5. Зависимость амплитуды отклика для сенсорной пластины от координаты попадания частицы

4.5. Выводы к главе

Заключение

Благодарности

Список литературы

Список рисунков

Список таблиц

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование радиационной стойкости высокоомного арсенида галлия для применения в детекторах элементарных частиц на будущих лептонных коллайдерах»

Введение

Полупроводниковые детекторы (ППД), наряду со сцинтилляционными и газовыми счетчиками, являются основными детекторами, применяемыми в физике высоких энергий для регистрации ядерных частиц и излучений. Полупроводниковые детекторы хорошо зарекомендовали себя как регистрирующие элементы, которые позволяют создавать калориметрические и координатные подсистемы физических установок с хорошим быстродействием, высоким пространственным и энергетическим разрешением. Эксплуатация ППД намного дешевле, в отличии от сцинтилляторов и газовых детекторов для их работы не требуются источники высокого напряжения или приготовление специальных газовых смесей. Благодаря бурному развитию электроники в последние годы стоимость ППД непрерывно снижается. Все эти преимущества делают использование ППД почти всегда выигрышным для регистрации частиц и гамма-излучения в сравнении с другими детекторами. Основное применение в физике высоких энергий ППД находят в построении трековых систем в непосредственной близости к области взаимодействий на коллайдерах и экспериментах с неподвижной мишенью [1].

Основным материалом для производства ППД традиционно является кремний, изготовленный из монокристаллов по технологии производства интегральных микросхем. Это самый дешевый и распространенный полупроводниковый материал. Технология промышленного производства кремниевых детекторов давно отлажена, их свойства хорошо изучены и такие детекторы всевозможных конфигураций и размеров сегодня успешно используются практически во всех крупных экспериментах в физике элементарных частиц.

Тем не менее, несмотря на широкое распространение, кремниевые детекторы обладают и некоторыми недостатками, среди которых можно выделить два основных:

1. Кремниевые детекторы обладают недостаточно высокой радиационной стойкостью. При облучении в кремниевом детекторе быстро растет обратный (темновой) ток и ухудшается соотношение сигнал/шум. В результате после набора определенной дозы, при использовании в реальных экспериментах, использование кремниевых детекторов становится затруднительным или невозможным.

2. Атомный номер кремния ^ = 14) слишком мал для эффективной регистрации гамма-квантов с энергией выше нескольких десятков кэВ. Так для сенсора толщиной в 1 мм и энергии гамма-квантов 30 КэВ эффективность их регистрации не превышает 25 % [7]. Хотя это не столь критично для применения в физике высоких энергий, этот параметр имеет решающее значение в рентгеноскопии и рентгеновской томографии, а также в экспериментах, включающих работу с источниками гамма-излучений.

Рассмотрим пункт 1 более подробно. Ширина запрещенной зоны в Si относительно небольшая - всего 1,1 эВ, в результате вызванные радиационным облучением дефекты создают внутри запрещенной зоны примесные уровни, эти уровни заполняются носителями (электронами либо дырками), что приводит к повышению концентрации неосновных носителей заряда в обедненной области p-n-перехода. В результате процессов термогенерации растет обратный (темновой) ток детектора при его рабочей температуре, для кремния, как правило, комнатной. Таким образом, облучение кремниевого ППД ионизирующими частицами и нейтронами, приводит к росту темнового тока. Это приращение тока пропорционально количеству образовавшихся дефектов, то есть поглощенной дозе либо потоку нейтронов. Как следствие растут шумы, и использование кремниевых детекторов после накопления определенного уровня радиации становится затруднительным либо невозможно при комнатной температуре. С другой стороны эти новообразованные уровни сами являются центрами захвата свободных носителей заряда, в результате время жизни носителей заряда в материале снижается и, как следствие, падает амплитуда сигнала. Таким образом, с одной стороны повышение темнового тока приводит к росту шумов, а с другой появление глубоких центров захвата приводит к падению эффективности сбора заряда в детекторе, в результате чего соотношение сигнал/шум значительно ухудшается. Помимо этого при облучении полупроводниковых диодов возникает еще один негативный эффект, рассмотрим его на примере кремниевых детекторов с исходной

+ + л,

структурой п ^ : накопление вызванных радиационными повреждениями дефектов приводит к компенсации мелких донорных уровней радиационными дефектами акцепторного типа. Это приводит к повышению напряжения полного обеднения детектора, т.е. к необходимости значительно повышать рабочее напряжение детектора, а

это влечет за собой увеличение темнового тока и как следствие увеличение шумов детектора. Далее, по мере накопления радиационных дефектов, в кремниевых детекторах происходит инверсия типа проводимости. Величина накопленной дозы, при которой наступает точка инверсии проводимости, зависит от уровня начального удельного сопротивления материала, типичным значением является уровень,

12 13 2

соответствующий эквивалентному потоку нейтронов с энергией 1 МэВ 10 - 10 см- . После таких уровней облучения использование кремниевых детекторов при комнатной температуре становится невозможным [07].

В современных и будущих установках на ускорителях основную радиационную нагрузку детекторы испытывают от ионизирующих частиц высоких энергий и гамма-квантов. Это делает требования к радиационной стойкости ППД чрезвычайно важными, а задачи по ее измерению актуальными в современной физике высоких энергий. Например, такие настоящие и перспективные коллайдеры высокой светимости LHC, ILC, CLIC и др. предъявляют повышенные требования к устойчивой работе ППД в условиях высоких радиационных полей. Таким образом, в физике частиц и высоких энергий в последние годы растет интерес и расширяется применение новых полупроводниковых материалов, пригодных для изготовления ППД. Так высокую радиационную стойкость демонстрируют детекторы на основе алмаза и рубина, однако первый, как и кремний обладает низкой эффективностью регистрации гамма-квантов высоких энергий, а у второго эффективность сбора заряда не превышает нескольких процентов. Большой интерес представляют так называемые бинарные полупроводники, такие как теллурид кадмия (CdTe, CdZnTe), иодид ртути (HgI2), бромид таллия (TlBr), фосфид индия (InP), арсенид галлия (GaAs). Благодаря высокой плотности и атомному номеру, такие соединения обладают намного большей, по сравнению с Si эффективностью регистрации гамма-квантов энергий больше 20 КэВ, как минимум на порядок превосходящей эффективность кремния. Большинство этих полупроводников являются широкозонными, благодаря чему могут применяться при комнатной температуре и обладать достаточно высокой радиационной стойкостью [1].

В России работы по созданию детекторов на основе полуизолирующего арсенида галлия начались в конце прошлого века в лаборатории детекторов ионизирующего излучения Томского государственного университета (ТГУ, Томск). Была разработана уникальная технология компенсации атомами хрома глубоких уровней захвата

электронов в GaAs п-тиш. В результате научились создавать из кристаллов GaAs как полуизолирующие слои, так и барьерные переходы, обладающие достаточно высоким удельным сопротивлением и временем жизни электронов для изготовления детекторов толщиной до 1 мм и размерами до 100 мм. На сегодняшний день лаборатория ТГУ является единственным в мире производителем детекторов из GaAs. Благодаря совместным работам ОИЯИ и ТГУ были созданы гибридные пиксельные детекторы Medipix2, Medipix3 и TimePix, а так же матричные детекторы большой площади для прототипа калориметров FCAL и BeamCal ГЬ^ Основным полупроводниковым материалом, изучаемым в данной работе, стал высокоомный арсенид галлия, компенсированный хромом (GaAs:Cr). Были измерены основные свойства образцов детекторов из GaAs:Cr с целью изучения возможностей применения детекторов из GaAs:Cr в калориметрах FCAL и BeamCal ILC и других будущих экспериментов. Измерены вольт-амперные, вольт-фарадные характеристики, эффективность сбора заряда (ССЕ), протестирована на установках ОИЯИ их радиационная стойкость на пучке нейтронов реактора ИБР-2 и на пучке электронов высоких энергий ускорителя ЛИНАК-200.

Цели и задачи работы:

Целью работы было изучить радиационную стойкость детекторов из высокоомного арсенида галлия, компенсированного хромом (GaAs:Cr) и возможность применения этих детекторов на новых лептонных коллайдерах. В ходе выполнения поставленной цели были решены следующие задачи:

• подготовка ускорителя ЛИНАК-200 к измерениям радиационной стойкости детекторов на пучках ультрарелятивистских электронов: выполнена энергетическая калибровка выходного канала ускорителя; разработана методика энергетической калибровки различных типов детекторов электронами в диапазоне энергий до 25 МэВ; создан стенд для облучения детекторов электронами энергиями 10 - 25 МэВ.

• измерение радиационной стойкости опытных образцов GaAs:Cr совместно с кремниевыми образцами на электронном пучке ЛИНАК-200 и нейтронном пучке реактора ИБР-2.

• проведение испытаний детекторов GaAs:Cr на пучке электронов синхротрона DESY-II. Были созданы матричные детекторы GaAs:Cr большой для сенсорных пластин прототипа калориметра BeamCal для будущего калориметра FCAL на коллайдерах ILC, FCC и CLIC.

Детектирующие свойства детекторов из GaAs:Cr и режимы их работы достаточно хорошо изучены в [4]. Также уже были проведены некоторые исследования их радиационной стойкости, результаты опубликованы в [3], [4], [5]. Однако с тех пор прошло более 20-ти лет, за это время, как исходный материал, так и технология производства были усовершенствованы и претерпели существенные изменения. Кроме этого не было выполнено систематических исследований радиационной стойкости детекторов GaAs:Cr в пучках электронов. Единственное исследование было проведено в работе [5], однако сравнительный анализ с детекторами других типов в работе не выполнялся. А это важно при выборе материала для новых детекторов. Например, ОИЯИ является участником коллаборации по разработке калориметра FCAL, проектирующей калориметр BeamCal для будущих коллайдеров ILC, FCC и CLIC. Через BeamCal проходит большой поток низкоэнергетических электронов, радиационная нагрузка на детекторы составит до одного МГр при интегральной светимости 500 fb-1 и энергии пучка 500 ГэВ. [38] Коллаборация ведет работы по поиску новых полупроводниковых материалов с высокой радиационной стойкостью для применения в калориметре.

Таким образом, систематическое изучение радиационной стойкости новых детекторов из GaAs:Cr является актуальной задачей. В данной работе показано, что решение вполне выполнимо с использованием базовых установок ОИЯИ, таких как ускоритель ЛИНАК-200 и ИБР-2, для этого необходимо разработать действенную методику и создать работающие установки для измерения радиационной стойкости полупроводниковых детекторов. Такие установки позволят решать задачи по тестированию новых типов создаваемых детекторов, последовательно проводить работы по улучшению их радиационной стойкости. Такие работы уже ведутся совместно с коллегами из лаборатории детекторов ионизирующего излучения Томского государственного университета, производящих детекторы GaAs:Cr. Идет подготовка к созданию нового поколения GaAs:Cr детекторов, легированных железом (GaAs<Fe>),

которые, как ожидается, будут обладать гораздо большей радиационной стойкостью в сравнении с высокоомным GaAs:Cr. В ОИЯИ облучение электронами в диапазоне энергий от 10 до 200 МэВ можно проводить на линейном ускорителе ЛИНАК-200 в ЛЯП, а облучение нейтронами на реакторе быстрых нейтронов ИБР-2 в ЛНФ. Таким образом, ОИЯИ обладает необходимыми инструментами для успешного решения задач по исследованиям радиационной стойкости детекторов из арсенида галлия, впрочем, как и любых других новых типов детекторов. Такие систематические исследования актуальны и востребованы для проведения новых экспериментов в физике частиц и высоких энергий, таких как LHC, ILC, CLIC и др.

Научная новизна и практическая значимость работы:

1. Впервые выполнено систематическое исследование радиационной стойкости высокоомного GaAs:Cr при облучении ультрарелятивистскими электронами.

2. Выполнено исследование радиационной стойкости высокоомного GaAs:Cr при облучении быстрыми нейтронами и впервые экспериментально измерен коэффициент пересчета повреждений нейтронами 1 МэВ и электронами для GaAs:Cr.

3. Опытные образцы детекторов из GaAs:Cr прошли успешные испытания в прототипе калориметра FCAL на электронном пучке синхротрона DESY-II.

Положения, выносимые на защиту:

1. Созданы измерительные стенды и разработана методика определения функциональных характеристик ППД, позволяющие исследовать радиационную стойкость ППД при облучении заряженными и нейтральными частицами.

2. Систематически измерена радиационная стойкость высокоомного GaAs:Cr при облучении электронами с поглощенной дозой до 1,5 МГр и быстрыми нейтронами в диапазоне флюенса 4x10й - 4x1016 пхсм-2. Показано, что после облучения удельное сопротивление стабилизируется на уровне 109 Омхсм, вольт-фарадные характеристики не зависят от поглощенной дозы или флюенса нейтронов. Определена зависимость падения эффективности сбора заряда от поглощённой дозы или флюенса нейтронов. Показано отсутствие отжига высокоомного

GaAs:Cr при комнатной температуре. Впервые экспериментально установлен пересчетный коэффициент флюенсов нейтронов с энергией 1 МэВ и электронов, характеризующий степень повреждений высокоомного GaAs:Cr. Указанный коэффициент равен 0,25 ± 0,11.

3. Изготовлен и испытан на электронном пучке синхротрона DESY-II (г. Гамбург, Германия) прототип калориметра BeamCal на основе детекторов из высокоомного GaAs:Cr и вольфрамовых поглотителей.

Апробация работы: основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на международной конференции «Instrumentation for Colliding Beam Physics» (INSTR20, Новосибирск, 2020), международной конференции «The 5th international conference on particle physics and astrophysics» (МИФИ, Москва, 2020), всероссийской конференции «Полупроводниковые материалы в современной микро- и наноэлектронике» (ДГТУ, Махачкала, 2020), рабочих совещаниях групп FCAL и CLIC, семинарах ЛЯП ОИЯИ. По результатам работы было опубликовано 7 статей в научных журналах, 6 из которых соответствует требованиям ВАК.

Достоверность полученных результатов обеспечивается корректной,

U С» U с»

общепринятой статистической обработкой результатов измерений, согласованностью результатов эксперимента с теоретическими выводами, а также с результатами, полученными другими авторами. Хотя со времени предыдущих измерений технология производства GaAs:Cr претерпела некоторые изменения, представленные в работе результаты согласуются с изложенными ранее в работах [4], [5], [35]:

• При облучении электронами высоких энергий зависимость эффективности сбора заряда от флюенса согласуется с измерениями, проведенными коллаборацией FCAL в 2010 г., опубликованными в работе [5].

• Вольтамперные характеристики и падение сбора заряда в сенсорах GaAs:Cr после облучения нейтронами не противоречат результатам, изложенным в [4].

• Измеренный коэффициент пересчета повреждений нейтронами 1 МэВ и электронами для GaAs:Cr, равный 0,25 ± 0,11 не противоречит теоретически рассчитанному из неионизационных потерь энергии (NIEL) в GaAs по моделям, предоставленным группой AMS-02 (INFN, Италия) [35]. Для чистого GaAs

отношение неионизационных потерь энергии между нейтронами 1 МэВ и электронами 20 МэВ согласно [35] дает коэффициент к = 0,18 ± 0,03.

Глава 1. Электронный ускоритель ЛИНАК-200 как инструмент для калибровки детекторов и измерения их радиационной стойкости

1.1. Основные параметры ускорителя ЛИНАК-200

Электронный линейный ускоритель ЛИНАК-200 базируется на части ускорительного комплекса, который передан в ОИЯИ нидерландским Институтом ядерной физики и физики высоких энергий (NIKHEF, Амстердам). Работы по его пуско-наладке в ОИЯИ ведутся с начала 2000-х годов. ЛИНАК-200. Это линейный ускоритель на средние энергии, построенный в 1975 - 1978 гг. и запущенный в 1978г. В Дубне была проведена модернизация системы управления и монтаж остального оборудования. Ускоритель предусматривает отвод пучка с энергией от 15 до 150 МэВ, ток 40-60 мА, частоту повторения импульсов 1 - 25 Гц, длительностью до 2 мкс. Структурно ЛИНАК-200 состоит из инжектора и 14 ускоряющих станций. Длина ускорителя около 200 м (Рисунок 1.1). На основе ЛИНАК-200 в настоящее время реализуется ряд прикладных задач, в частности по созданию лазера на свободных электронах, тестирование ускоряющих структур, проверка средств диагностики пучка, исследование радиационной стойкости материалов и т.д. [9]

Рисунок 1.1 - Устройство ускорителя ЛИНАК-200.

Ускоритель передан в ЛЯП в 2019 г, после чего работы по его использованию и модернизации получили новый импульс, однако экспериментальные работы на электронных пучках ускорителя учеными ЛЯП проводились задолго до этого. В 2016 г. группой физиков из отдела НЭОВП ЛЯП было решено создать стенд для исследования полупроводниковых детекторов и провести на нем испытания радиационной стойкости полупроводниковых детекторов из высокоомного арсенида галлия, а так же ряд тестов по изучению пиксельных полупроводниковых детекторов семейства Medipix. Поскольку для таких тестов удобнее использовать электроны не слишком высоких энергией до 25 МэВ, был выбран вывод пучка после первой ускоряющей секции. Место размещения такой установки для исследования детекторов схематически показано на Рисунке 1.2. Размеры пучка ~ 20 мм по горизонтали и 2 мм по вертикали, что почти идеально подходит для задачи облучения образцов детекторов размерами 5x5 мм . Хотя профиль выходного пучка имеет меньший вертикальный размер ~ 2 мм, для увеличения площади засветки образцы были удалены от выходного окна на 15 см, так естественным образом было использовано рассеяние пучка титановой фольгой выходного фланца и дополнительно рассеяние в воздухе по пути к детекторам. Это позволило достичь достаточно равномерной 20%) засветки всей площади облучаемого сенсора, что подтвердило моделирование и измерение профиля пучка с помощью радиохромных пленок.

Рисунок 1.2 - Размещение установки для изучения радиационной стойкости детекторов на ускорителе ЛИНАК-200.

Преимущества пучка ускорителя ЛИНАК-200 в том, что он может работать в широком диапазоне энергий и интенсивностей пучка электронов: как в режиме экстремально малого тока, вплоть до нескольких электронов в импульсе, так и достаточно большого, вплоть до 20 мА. При этом энергию электронов можно варьировать от 10 до 200 МэВ. Это позволяет тестировать разные режимы работы детекторов, выполнять их энергетическую и временную калибровку, так и изучать радиационную стойкость в пучках электронов и гамма-квантов.

1.2. Измерение энергии пучка электронов ускорителя ЛИНАК-200 и

калибровка сцинтилляционных детекторов

Возможность изучения характеристик прототипов детекторов в значительной степени зависит от тестового пучка, характеристики которого должны быть хорошо известны. ОИЯИ располагает линейным ускорителем ЛИНАК-200, первый участок которого обеспечивает электроны в диапазоне энергий от 10 МэВ до 25 МэВ (Рисунок1.2). Стандартным методом определения энергии пучка является использование для вывода пучка дипольного магнита с известной напряженностью магнитного поля. Однако этот метод зависит от тщательной калибровки магнита, включая измерение карты поля для различных значений тока и тщательное изучение гистерезиса самого магнита. Такие работы на ускорителе ЛИНАК-200 проводились, однако они выполнялись достаточно давно, после чего была серия реконструкций, в ходе которых положение магнита и канала изменялись, в результате не было полной уверенности в достоверности результатов зависимости энергии пучка от тока ускорителя. Повторные измерения магнитного поля были технически крайне затруднительными, поскольку требовали разборки выходного канала. Поэтому был использован независимый надежный метод определения энергии пучка в определенных контрольных точках, разработанный физиками Лаборатории Ядерных Реакций ОИЯИ и успешно примененный ранее на микротроне МТ-25. Новый метод измерения энергии ускоренных электронов основан на измерении отношений выходов фотоядерных реакций в природном индии при его облучении в пучках тормозного излучения электронов известной энергии [10]. Этот метод опробован на двух пучках тормозного

излучения - на микротроне МТ-25 (с хорошо откалиброванным выходом и надежными значениями энергий электронов) и линейном ускорителе ЛИНАК-200. В результате была измерена энергия пучка первого выходного канала ускорителя ЛИНАК-200 в пяти точках в диапазоне энергий 10 - 25 МэВ и был откалиброван выходной канал ускорителя. Данная работа описана в [26].

В результате проведенной работы на первом выходном канале ускорителя ЛИНАК-200 появилась возможность получать практически моноэнергетические пучки электронов. При этом диапазон энергий составил от 11 МэВ до 24 МэВ, частота до 25 Гц, длительность импульса 2 мкс, диапазон интенсивностей от десятков мА до единичных электронов. Магнит выводил пучок под углом 45°, при этом разброс энергетического спектра составил ± 200 кэВ.

Именно возможность ускорителя работать режиме сверхнизкой интенсивности, т.е. когда выходят единицы электронов в одном импульсе, позволяет проводить энергетическую калибровку детекторов. Детекторы помещаются вплотную к выходному каналу пучка, что позволяет регистрировать сигналы отдельных электронов известной энергии и , таким образом, получать электронные спектры. Для измерения электронных спектров на ускорителе ЛИНАК-200 были выбраны три сцинтилляционных детектора из следующих материалов: кристаллов LaBr3:Ce [12] и Bi3Ge4Ol2 [13], а также пластического сцинтиллятора (полистирол + РТР + РОРОР) [14]. Сцинтилляторы имели цилиндрическую форму со следующими размерами (диаметр х высота): BGO 76x65 мм, LaBr 50,8x50,8 мм и пластик 100x400 мм. Источник гамма-излучения 60Со был выбран для калибровки в области низких энергий до 2,5 МэВ. Следует отметить, что для пластикового сцинтиллятора в области низких энергий вместо пиков полного поглощения 60Co использовался Комптоновский край спектров 137Cs и 60Co. Детекторы помещались в пучок электронов, и спектры регистрировались. Размеры электронного пучка ЛИНАК-200 составляли 10 х 10 мм, длительность импульсов составляла 2 мкс, их частота 25 Гц. В то время как для активации индиевых мишеней использовался пучок максимальной интенсивности, для набора спектров важно, чтобы интервал времени между входами электронов в сцинтилляционный кристалл превышал временное разрешение детектора. Поэтому ток пучка максимально уменьшался, чтобы избежать эффекта суммирования сигналов от нескольких электронов внутри импульса. Такой низкий уровень электронного тока невозможно получить на Микротроне. По этой

причине калибровка сцинтилляционных детекторов проводилась только на ЛИНАК-200. Каждый сцинтиллятор был подключен к своему фотоэлектронному умножителю (ФЭУ). Использовались различные ФЭУ фирмы Hamamatsu, для каждого детектора выбиралось оптимальное высокое напряжение ФЭУ: 1400 В для пластикового (ФЭУ <Ж6091»), 630 В для LaBr (ФЭУ <Ж6231») и 1110 В для BGO (ФЭУ <Ж6233»). Сигналы ФЭУ оцифровывались с помощью цифрового осциллографа DRS-4 [15], имеющего 4 входа с аналоговой полосой пропускания 350 МГц. DRS-4 может оцифровывать сигналы со скоростью до 5*109 выборок в секунду. Поскольку амплитуда оцифровываемых сигналов в DRS-4 ограничена уровнем 1 В, для уменьшения амплитуды сигнала ниже 1 В в LaBr и пластиковых сцинтилляторах использовался аттенюатор 6 дБ. DRS-4 работал в режиме само запуска, пороги срабатывания выбирались в зависимости от уровня сигнала ФЭУ в диапазоне 2 - 90 мВ.

Для получения заряда выполнялось автономное интегрирование каждого оцифрованного сигнала. Интеграл брался в заданном диапазоне от уровня амплитуды, превышающей автоматически определяемый для каждого события базовый уровень (см. пример на Рисунке 1.3).

:

ЕгИг1ез 1024 Уеап 568.6 РМЗ 261.2 : , , , I , I 1

ы_|_I_I_I_I_I_I_I_I_и_и_I_I_I_I_I_I_I_и_и

О 200 400 600 800 1000

Рисунок 1.3 - Пример вычисления интегрального заряда для одного сигнала DRS-4.

Этот интеграл должен быть пропорционален энергии, выделяемой падающей частицей в объеме материала детектора. Временное окно интегрирования было выбрано равным 100 нс для LaBr и пластика и 400 нс для BGO, поскольку последний имеет более длительное время высвечивания [11]. При регистрации гамма-спектров 60Co использовались оба пика (1170 кэВ и 1330 кэВ), а также суммарный пик обеих энергий

(2,5 МэВ) для получения взаимосвязи между энергией гамма-излучения и значениями пиков в спектре. Далее для более высоких энергий, вплоть до 25 МэВ, применялась линейная экстраполяция между энергией и интегралом заряда спектров, полученных от источника 60Co. Хотя, возможно, такая экстраполяция и не совсем точна, описания линейной зависимостью вполне достаточно для предварительной калибровки.

Используя параметры сигмоидальной функции, полученные при аппроксимации значений отношения R(114mIn) / R(115mIn), были измерены значения энергий электронов во всем диапазоне энергий на первом выводе пучка ЛИНАК-200. Конечные энергии пучков электронов составили: Е = 11,3 МэВ, 15,8 МэВ, 18,7 МэВ, 20,9 МэВ и 23,8 МэВ. После активации тормозным излучением индиевая фольга удалялась, а в пучок электронов помещались сцинтилляционные детекторы. Спектры от гамма-источника 60Co и пучка электронов энергией 18,7 МэВ (пластик и LaBr) и 15,8 МэВ (BGO) от ускорителя ЛИНАК-200 изображены на Рисунках 1.4 и 1.5.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Кручонок Владимир Геннадьевич, 2021 год

Список литературы

1. Акимов, Ю.К. Полупроводниковые детекторы ядерных излучений / Ю.К. Акимов // ОИЯИ, Дубна - 2009 - ISBN 978-5-9530-0213-4

2. Tyazhev, A. V. GaAs radiation imaging detectors with an active layer thickness up to 1mm / A. V. Tyazhev et al // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research -2003 - A 509(2003) 39

3. Sagatova, A. Radiation hardness of GaAs sensors against gamma-rays, neutrons and electrons / A. Sagatova, et al // Applied Surface Science - 395 (2017) 66

4. Воробьев А. П. Полупроводниковые детекторы ионизирующих излучений на арсениде галлия / А. П. Воробьев // Дис. д-рафиз.-мат. наук : 01.04.23 - 2005 -Протвино, 169 с. РГБОД 71:06-1/192

5. Afanaciev, K. Investigation of the radiation hardness of GaAs sensors in an electron beam / K. Afanaciev, et al // JINST7 - 2012 - P11022

6. Zamyatin, N. I. Measuring Fluence of Fast Neutrons with Planar Silicon Detectors / N. I. Zamyatin, A. E. Cheremukhin, A. I. Shafronovskaya // Physics of Particles and Nuclei Letters - 2017 - Vol. 14, No. 5, pp. 762-777, ISSN 1547-4771

7. Smolyanskiy, P. Properties of GaAs:Cr-based Timepix detectors / P. Smolyanskiy et.al // Journal of Instrumentation - 2018 - Vol. 13, No.2, T02005

8. Abramowicz, H. Performance of fully instrumented detector planes of the forward calorimeter of a Linear Collider detector / H. Abramowicz et al // Journal of Instrumentation - May 2015 - Volume 10 P05009

9. Балалыкин, Н.И. Система управления и контроля инжектора линейного ускорителя электронов ЛИНАК-800 / Н.И. Балалыкин и др. // Писма в ЭЧАЯ - 2010 - т.7, №7 (163), с. 848-854

10. Krmar, M. The quality of megavoltage photon beams measured by the ratio of photoactivation and neutron capture yields / Krmar M. Teterev Yu., Belov, A.G., Mitrofanov S // Nuclear Instruments and Methods A901 - 2018 - 133-139.10.1016/j.nima.2018.06.028

11. Vincke, С. Response of a BGO detector to photon and neutron sources: simulations and measurements / С H. Vincke, et al // Nuclear Instruments and Methods A484 - 2002 -102

12. Lanthanum Bromide [Электронный ресурс]: - Режим доступа: https://www.crystals.saint-gobain.com/products/standard-and-enhanced-lanthanum-bromide

13. Быстрицкий, В.М. Гамма-детекторы в установках по обнаружению взрывчатых и наркотических веществ / В.М. Быстрицкий и др // Письма в ЭЧАЯ - 2013 - т.10, №6(183), с. 925

14. Харжеев, Ю. Н. Сцинтилляционные счетчики в современных экспериментах по физике высоких энергий / Харжеев, Ю. Н // Физика элементарных частиц и атомного ядра - 2015 - Т. 46. С. 1229

15. DRS4 Evaluation Boardh [Электронный ресурс]: - Режим доступа: https://www.psi.ch/en/drs/evaluation-board

16. Хлудков, С.С. Полупроводниковые приборы на основе арсенида галлия с глубокими примесными центрами / Хлудков С.С., Толбанов О.П., Вилисова М.Д., Прудаев И.А // Издательский Дом Томского государственного университета -Томск - 2016 - 258 с. ISBN 978-5-94621-556-5

17. J. Bregeon, Design and performance of the silicon strip tracker of the Fermi Large Area Telescope / J. Bregeon // JINST 6 (2011) C12043

18. ESTAR Stopping power and range tables for electrons [Электронный ресурс]: - Режим доступа: http://physic s.nist.gov/PhysRefData/Star/Text/ESTAR.html

19. Dhibar, M. Characterization of a 2 x 2 array of large square bars of LaBr3:Ce detectors with y-rays up to 22.5 MeV / M. Dhibar, et al // Nuclear Instruments and Methods A883 (2018)183

20. Mazumdar, I. Study of the 10B(p,a) reaction between 2.1 and 6.0 MeV / I. Mazumdar, et. Al // Nuclear Instruments and Methods A705 (2013) 85

21. Demin, D.L. Gamma spectrometer for studying the MCF reactions / D. L. Demin et. Al // Preprint of the JINR, Dubna (2012) E15-2012-107

22. Beaudoin, G. The detection of electrons in the 10 MeV range by plastic scintillators / G. et al // Nuclear Instruments and Methods A249 (1986) 379

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

Quarati, F.G.A. High energy gamma-ray spectroscopy with LaBr3 scintillation detectors / F.G.A. et al // Nuclear Instruments and Methods A629 (2011) 157 Ciemala, M. Measurements of high-energy y-rays with LaBr3:Ce detectors / M. Ciemala, et al // Nuclear Instruments and Methods A608 (2009) 76

Giaz, A. Characterization of large volume 3.5"x8" LaBr3:Ce detectors / A. Giaz, et al // Nuclear Instruments and Methods A729 (2013) 910

Krmar, M. Beam energy measurement on LINAC-200 accelerator and energy calibration of scintillation detectors by electrons in range from 1 MeV to 25 MeV / M. Krmar, et al // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, A 935 (2019) 83 Allison, J. Recent developments in GEANT4 / J. Allison, et al // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 835 (2016) 186

New materials for radiation hard semiconductor dectectors / P. J. Sellin and J. Vaitkus // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 557 (2006) 479 Radiation damage in n-type silicon diodes after electron irradiation with energies between 1.5 MeV and 15 MeV / R. Radu, et al // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 730 (2013) 84

Lang, D. V. Radiation effects in semiconductors / D. V. Lang // The Institute of Physics, London, Conf. Ser. 31 (1977)

Yamaguchi, M. Changes in the electrical properties of GaAs due to electron irradiation / M. Yamaguchi and C. Uemura // Journal of Applied Physics 57 (1985) 604 Pons, D. Irradiation-induced defects in GaAs / D. Pons and J. C. Bourgoin // Journal of Physics C: Solid State Physics 18 20 (1985) 3839

Bourgoin, J.C. Irradiation Induced Defects in III-V Semiconductor Compounds / J. C. Bourgoin, H. J. von Bardeleben and D. Stievenard // Physica Status Solidi (a) 102 2 (1987) 499

Boyko, I. Measurement of the radiation environment of the ATLAS cavern in 2017-2018 with ATLAS-GaAsPix detectors / I. Boyko et al // 2021 JINST 16 P01031 Principles of Radiation Interaction in Matter and Detection / C. Leroy and P.G. Rancoita // World Scientific - 4th Edition - 2018 - ISBN-978-981-4603-18-8; ISBN.978-981-4603-19-5 [Электронный ресурс]: http://www.sr-niel.org/

36. Булавин, М.В. Облучательная установка для исследования радиационной стойкости материалов на реакторе ИБР-2 / М.В. Булавин и др // Писма в ЭЧАЯ, т.12, №2 (193), с. 517 - 523

37. Observation of a new particle in the search for the standard model Higgs boson with the ATLAS detector at the LHC / ATLAS collaboration // Phys. Lett. B 716 (2012) 1, arXiv:1207.7214

38. Abramowicz, H. Forward instrumentation for ILC detectors / H. Abramowicz et al // 2010 JINST 5 P12002, arXiv:1009.2433

39. Grah, C. Beam parameter determination using beamstrahlung photons and incoherent pairs / C. Grah and A. Sapronov // 2008 JINST 3 P10004

40. Bambade, P. The impact of BeamCal performance at different ILCbeam parameters and crossing angles on stau searches / P. Bambade, V. Drugakov and W. Lohmann // Pramada J. Phys. 69 (2007) 1123

41. Grah, C. Polycrystalline CVD diamonds for the beam calorimeter of the ILC / C. Grah et al // IEEE Trans.Nucl. Sci. 56 (2009) 462

42. Collected documents on the FCAL-AIDA precision mechanical infrastructure and tungsten plates / F.X. Nuiry / [Электронный ресурс]: - Режим доступа: https://edms.cern.ch/document/1475879

43. News from Dubna / M. Gostkin et al // 27-th FCAL Collaboration Workshop, 21 October 2015 [Электронный ресурс]: https://indico.desy.de/event/12666/contributions/10047/

44. Novgorodova, O. Characterisation and Application of Radiation Hard Sensors for LHC and ILC / O. Novgorodova // Ph.D.Thesis, Brandenburg Tech. U. (defense: Mar 28, 2013), DOI: 10.3204/DESY-THESIS-2013-052

45. Levy, I. Detector development for the instrumenf1ts in the forward region of future linear colliders / I. Levy // M.Sc. Thesis, Tel Aviv University, Israel (2012), CERN-THESIS-2012-346.

46. The International Linear Collider technical design report / T. Behnke et al // Volume 4: detectors, arXiv:1306.6329

47. Bauerdick L. A. T. Beam test of silicon strip sensors for the ZEUS micro vertex detector / L. A. T. Bauerdick // Nucl. Instr. and Meth. A 501 (2003) 340

48. Bienz, T.L. Strangeonium spectroscopy at 11 GeV/c and Cherenkov ring imaging at the SLD / T.L. Bienz // Ph.D.Thesis, Stanford University, U.S.A. (1990), SLAC-0369

Публикации автора по теме диссертации

А1. Beam energy measurement on LINAC-200 accelerator and energy calibration of scintillation detectors by electrons in range from 1 MeV to 25 MeV / M. Krmar, Y. Teterev, A.G. Belov, S. Mitrofanov, S. Abou El-Azm, M. Gostkin, V. Kobets, U. Kruchonak, A. Nozdrin, S. Porokhovoy, M. Demichev // Nuclear Inst. and Methods in Physics Research - 2019 - A.935 - p.83-88 - ISSN 0168-9002 А2. Analysis of radiation effects on some properties of GaAs: Cr and Si sensors exposed to a 22 MeV electron beam / A. Torres, A. Leyva, A. Zhemchugov, U. Kruchonak, S. Abou-El-Azm, D. Ramos // Nucleus - 2018- Vol. 64, p.4-9- ISSN 0864-084X А3. Radiation hardness of GaAs:Cr and Si sensors irradiated by 21 MeV electron beam / U. Kruchonak, S. Abou El-Azm, K. Afanaciev, G. Chelkov, M. Demichev, M. Gostkin, A. Guskov, A. Leyva, P. Smolyanskiy, A. Tyazhev, N. Zamyatina, A. Zhemchugov // Journal of Instrumentation - 2020- 15 C06003 А4. Radiation hardness of GaAs: Cr and Si sensors irradiated by electron beam / U. Kruchonak et al. // Nuclear Inst. and Methods in Physics Research- 2020- A 975 164204- ISSN 0168-9002 А5. Investigation of the radiation hardness of GaAs:Cr semiconductor detectors irradiated with fast neutrons at the reactor IBR-2 / U Kruchonak et al. // Journal of Physics: Conf. Ser. - 2020 - 1690 (2020) 012042- doi:10.1088/1742-6596/1690/1/012042 А6. Исследование радиационной стойкости полупроводниковых детекторов GaAs:Cr к облучению электронами и быстрыми нейтронами / В.Г. Кручонок // Научные исследования: итоги и перспективы - 2020 - том 1 №4- ISSN 2713-220X. А7. Performance of fully instrumented detector planes of the forward calorimeter of a Linear Collider detector /H. Abramowicz et al. // Journal of Instrumentation — 2015 — Volume 10, P05009

Выступления автора на конференциях и рабочих совещаниях

B1. Radiation hardness of GaAs:Cr and Si sensors irradiated electron beam / International Conference «Instrumentation for Colliding Beam Physics» (INSTR20), Novosibirsk, Russia, from 24 to 28 February, 2020 B2. Investigation of the radiation hardness of GaAs:Cr semiconductor detectors irradiated by fast neutrons at the reactor IBR-2 / The 5th international conference on particle physics and astrophysics, 5-9 October, 2020, MEPhI, Russia B3. Радиационная стойкость полупроводниковых сенсоров GaAs:Cr к

облучению электронами и быстрыми нейтронами / Всероссийской конференция "ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ В СОВРЕМЕННОЙ МИКРО- И НАНОЭЛЕКТРОНИКЕ", посвященная памяти д.ф.-м.н., профессора Билалова Билала Аруговича, ДГТУ, 2020, УДК 544.541 B4. Radiation hardness of GaAs: Cr and Si sensors irradiated by 20 MeV electron beam / CLIC Workshop, Jan. 22-26 2018, CERN, Switzerland https://indico.cern.ch/event/656356/contributions/2855853/ B5. Update of radiation hardness tests at JINR / 31-st FCAL Collaboration Workshop, Sept.

3-4 2017, VINCA Belgrade, Serbia B6. Изучение радиационной стойкости арсенида галлия на пучке Линак-200 / доклад на

семинаре ЛЯП, 16 Ноября 2017 B7. GaAs:Cr wafer test / 20-th FCAL Collaboration Workshop, 7-8 May 2012, DESY Zeuthen, Germany

Список рисунков

1.1 - Устройство ускорителя ЛИНАК-200............................................................................ 12

1.2 - Размещение установки для изучения радиационной стойкости детекторов на ускорителе ЛИНАК-200.......................................................................................................... 13

1.3 - Пример вычисления интегрального заряда для одного сигнала DRS-4....................16

1.4 - Спектр гамма-излучения 60Со (слева) и спектр электронов энергией 18,7 МэВ ускорителя ЛИНАК-200 (справа), измеренные детектором LaBr....................................17

1.5 - Спектр электронов ускорителя ЛИНАК-200 с энергией 18,7 МэВ, измеренный пластиковым детектором (слева) и с энергией 15,8 МэВ, измеренный детектором BGO (справа)......................................................................................................................................18

1.6 - Калибровочные кривые для детекторов из пластического сцинтиллятора, BGO и LaBr, полученные из спектров электронов 10 - 25 МэВ на ускорителе ЛИНАК-200.....21

2.1 - Структура полупроводникового кремниевого детектора...........................................25

2.2 - Этапы легирования n-GaAs хромом в процессе производства сенсоров из высокоомного GaAs:Cr...........................................................................................................29

2.3 - Фотографии каждого типа изучаемых сенсоров. Слева направо: GaAs:Cr (1) в держателе, GaAs:Cr (2) на плате, Si (1) в держателе и Si (2) на плате...............................31

2.4 - Вольтамперные характеристики отобранных для облучения сенсоров GaAs:Cr, N5, N6 - из партии 1, N21 - из партии 2, измерены при комнатной температуре..................32

2.5 - Установка для облучения детекторов и контроля дозы..............................................33

2.6 - Изображения двух облученных радиохромных пленок после облучения потоком

14 2 14 2

электронов 1,9 х 10 см- (слева сверху) и 8,2 х 10 см- (слева снизу), что соответствует

3

дозам 43 и 180 кГр для сенсора GaAs:Cr 5х5х0,3 мм ; моделирование распределения поглощенной энергии в сенсоре GaAs:Cr, выполненное в среде GEANT4 (справа)........34

2.7 - Программа для прибора КекЫеу 6517, предназначенная для измерения собранного в цилиндре Фарадея заряда, выполненная в среде LabView...............................................35

2.8 - Блок-схема установки для измерения ССЕ..................................................................37

2.9 - Фотография установки для измерения ССЕ и ВАХ....................................................38

2.10 - МИЧ-спектры Si N3, иЫа8 = 100 В (слева) GaAs:Cr N5, Ц^ = -200 В (справа). Пьедестал аппроксимирован Гауссианом. Измерены при комнатной температуре.........39

2.11 - Спектры МИЧ для GaAs:Cr N4, облученного дозой 0,5 МГр (слева) и GaAs:Cr N6 дозой 1,4 МГр (справа). Пьедестал аппроксимирован Гауссианом. Измерены при комнатной температуре, Ubias = -500 В..................................................................................40

2.12 - Спектры МИЧ для Si тип 1: Si N5, облученного до 0,5 МГр (слева) и Si N3, облученного до 1,3 МГр (справа). Пьедестал аппроксимирован Гауссианом. Измерены при комнатной температуре, Ubias = 100 В............................................................................40

2.13 - Зависимость CCE от поглощенной дозы: GaAs:Cr N5, N6, N21 при Ubias = -200 В (слева); Si N3, N5 (тип 1), Si 6886, 6888 (тип 2), при Ubias = 100 В (справа). Измерены при комнатной температуре.................................................................................................... 42

2.14 - CCE как функция напряженности электрического поля для сенсоров GaAs:Cr: N1, N7 - необлученных, N4, N6, N23 - облученных различными дозами. Измерены при комнатной температуре...........................................................................................................43

2.15 - Зависимость отношения K (2а-критерий) от поглощенной дозы для различных сенсоров: N5, N6, N23 - GaAs:Cr, Ubias = -200 В; Si_N3 - тип 1, Si_6888 - тип 2, Ubias = 100 В. Температура измерений 21°C, дополнительно сенсоры GaAs:Cr N5 и Si N5 измерены при температуре -21 °C (указано в легенде).........................................................45

2.16 - ВАХ сенсоров при различных температурах: Si N3 (тип 1) при дозе 1,56 МГр (слева) и GaAs:Cr N5 при дозе 1,37 МГр (справа)...............................................................46

2.17 - Зависимости C- -V для сенсоров Si тип 1: N1, N5; Si тип 2: 6886, 6888 (слева) и GaAs:Cr (справа), облученных различными дозами. Измерены при частоте 10 КГц и температуре 21 °C.....................................................................................................................47

2.18 - МИЧ-спектры сенсоров Si N3 тип 1, Ubias = 100 В (слева) и Si N6888 тип 2, Ubias = 400 В (справа), облученных дозой 1,56 МГр. Пьедестал аппроксимирован Гауссианом. Измерены при температуре -21 °C..........................................................................................47

2.19 - МИЧ-спектры сенсора GaAs:Cr N5, облученного до 1,37 МГр, при T= 20°C (слева) и T = -4°C (справа); Ubias= -500В, пьедестал аппроксимирован Гауссианом.....................48

2.20 - Зависимости CCE и соотношения сигнал-шум (S/N) от Ubias для сенсоров Si N3, N6888, облученных до 1,56 МГр и Si N5, облученного до 0,55 МГр, измеренные при различных температурах.........................................................................................................49

2.21 - Зависимости CCE и соотношения сигнал-шум (S/N) от Ubias для сенсора GaAs:Cr N5, облученного до 1,37 МГр, измеренные при различных температурах.......................50

3.1 - Функция NIEL для GaAs и Si при повреждении электронами и нейтронами различных энергий. Данные взяты из расчетов, проведенных группой MS-02 [35].......54

3.2 - Схема облучательной установки канала №3 реактора ИБР-2 (слева) и фотография транспортного двутавра с облучаемыми образцами, вид со стороны внешней биологической защиты (справа). d1-d5 - место расположения облучаемых детекторов; 1 - массивная часть облучательной установки; 2 - транспортный двутавр; 3 -металлический контейнер для крепления образцов; 4- образцы; 5 - рельсовый путь. ... 57

3.3 - Спектральная плотность потока нейтронов канале №3 реактора ИБР-2 на расстоянии 0,3 м от замедлителя реактора, измеренная методом НАА [36].....................58

3.4 - Экспериментальная зависимость обратного темнового тока от напряжения для Si сенсоров №1_Nov' 16 и №3_Nov'16 до и после облучения. Измерены при температуре 20°C............................................................................................................................................63

3.5 - ВАХ сенсоров GaAs:Cr №1(слева) и №14 (справа) до и после облучения. Измерены при температуре 20°C...........................................................................................64

3.6 - ВАХ Si сенсоров до и после облучения. Измерены при температуре 20°C............65

3.7 - МИЧ-спектры сенсоров GaAs:Cr, облученных быстрыми нейтронами до флюенса 3,7*1016 cm-2. Пьедестал показан красным цветом, сигнал МИЧ - синим, суммарный спектр - черным. Измерены при комнатной температуре, Ubias = -200 В..........................66

3.8 - Зависимость ССЕ от флюенса быстрых нейтронов для сенсоров GaAs:Cr. Измерены при комнатной температуре, Ubias=-200B............................................................67

3.9 - Зависимость ССЕ от флюенса быстрых нейтронов (слева) и электронов 20,9 МэВ (справа) для сенсоров GaAs:Cr. Измерены при комнатной температуре, Ubias= -200 В ... 68

3.10 - Сравнение зависимостей ССЕ для сенсоров GaAs:Cr после облучения электронами и быстрыми нейтронами. Для облученных электронами образцов поток приведен к эквивалентному потоку быстрых нейтронов....................................................69

4.1 - Передняя область детектора ILD. ECAL - электромагнитный калориметр, HCAL -адронный калориметр, состоящий из калориметров LumiCal, BeamCal и LHCAL, расположенных на опоре фокусирующего квадруполя.......................................................72

4.2 - Схематический чертеж матричного сенсора GaAs:Cr с 64-мя контактными площадками. Подключенные для измерений в тестовом пучке контактные площадки пронумерованы ........................................................................................................................ 73

4.3 - Зависимость темнового тока от напряжения для одной площадки матричного сенсора GaAs:Cr.......................................................................................................................74

4.4 - Зависимость сбора заряда от напряжения Ubias для одной площадки матричного сенсора GaAs:Cr.......................................................................................................................75

4.5 - Распределение емкостей контактных площадок в зависимости от их площади для 7-ми матричных сенсоров GaAs:Cr.......................................................................................76

4.6 - Базовый слой прототипа калориметра. Рамка с держателем вольфрамовой пластины (слева), в которую вставляется плата с сенсором (справа)................................77

4.7 - Блок-схема прототипа калориметра (слева). Рамки с детекторными плоскостями вставляются в держатель (справа), сверху над ними расположены платы считывающей электроники..............................................................................................................................78

4.8 - Машина для измерения геометрии пластин «ZEISS 3D» (слева), процесс измерения плоскостности вольфрамовой пластины (справа)................................................................79

4.9 - Результаты измерений плоскостности лицевой (сверху) и обратной (снизу) поверхностей, а также распределения отклонений от среднего значения для вольфрамового поглотителя производства ООО «Вольфрамофф групп».........................80

4.10 - Фотография лицевой и обратной сторон платы с установленным матричным сенсором GaAs:Cr....................................................................................................................81

4.11 - Блок-схема считывающей электроники для прототипа калориметра BeamCal.....82

4.12 - Схема испытательной установки для тестов 2011 г. Расстояние между плоскостями телескопа - 80 мм, между последней плоскостью телескопа и детекторным модулем - 230 мм.....................................................................................................................84

4.13 -Точность определения треков электронов телескопом «ZEUS MVD» по оси X (а) и оси Y (b). В легенде значения а являются результатами аналитической аппроксимации распределением Гаусса...........................................................................................................85

4.14 - Применение фильтра деконволюции для реконструкции формы импульса в сенсоре при синхронном (слева) и асинхронном (справа) режимах работы АЦП..........85

4.15 - Пример сигнала, оцифрованного внешним АЦП с частотой 500 Мвыб/с (сплошная линия) и встроенной микросхемой АЦП с частотой 20 Мвыб/с (пунктирная линия)......86

4.16 - Сигналы от 4-х соседних каналов, оцифрованные встроенной микросхемой АЦП .................................................................................................................................................... 87

4.17 - Сигнала одного канала детекторной пластины GaAs:Cr, оцифрованный внешним АЦП со скоростью 500 Мвыб/с..............................................................................................88

4.18 - Амплитудный спектр сигнала матричного сенсора GaAs:Cr при напряжении смещения 100 В........................................................................................................................88

4.19 - Зависимость амплитуды пика MPV от напряжения смещения в сенсоре GaAs:Cr 89

4.20 - Стандартное отклонение пьедестала как функция площади контактной площадки для матричного сенсора GaAs:Cr. Статистическая неопределенность меньше или равна размеру символов.....................................................................................................................90

4.21 - Отношение сигнал/шум (Signal to Noise) для различных площадок матричного сенсора GaAs:Cr. Статистическая неопределенность меньше или равна размеру символов ................................................................................................................................... 90

4.22 - Амплитуда в одном канале матричного детектора GaAs:Cr как функция времени: красным цветом - оцифрованная встроенным АЦП, зеленым - после вычитания нулевого уровня, синим - после применения фильтра деконволюции (слева). Сумма двух первых ненулевых амплитуд после применения фильтра деконволюции (справа). 91

4.23 - Распределение точек попадания электронов пучка в матричный детектор GaAs:Cr. Заданный цвет назначался соответствующей площадке детектора, если сигнал в ней превышал пороговое значение .............................................................................................. 92

4.24 - Амплитуда сигнала (MPV) как функция линейной позиции точки попадания электрона для границы между двумя соседними площадками матричного сенсора GaAs:Cr, а также суммарный сигнал от двух соседних площадок.....................................93

Список таблиц

1 - Сенсоры ОаЛ8:Сг и 81, отобранные для исследования..................................................32

2 - Расчет поглощенной сенсором дозы из симуляции GEANT4......................................36

3 - Облучение трех наборов образцов быстрыми нейтронами на канале №3 реактора ИБР-2. Измерение плотности потока произведено двумя методами: 1) методом НАА (Еп > 1МэВ) с использованием никелевого спутника; 2) с помощью Si мониторов (Еэкв = 1МэВ)........................................................................................................................................62

4 - Облучение трех наборов образцов быстрыми нейтронами на канале №3 реактора ИБР-2. Измерение плотности потока методом НАА (Еп > 1МэВ) и с помощью Si мониторов (Еэкв = 1МэВ).........................................................................................................63