Технологія та виробництво сцинтиелектронних блоків детектування і приладів на їх основі

Размещено на http://www.allbest.ru/

ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ

УДК 539.1.074.3

Даншин Євгеній Олександрович

Технологія та виробництво сцинтиелектронних

блоків детектування і приладів на їх основі

Спеціальність 05.27.06 - технологія, обладнання

та виробництво електронної техніки

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків - 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Науково-технологічному центрі радіаційного приладобудування НТК "Інститут монокристалів" НАН України, м. Харків

Науковий керівник доктор фізико-математичних наук, професор Рижиков Володимир Діомідович, Науково-технологічний центр радіаційного приладобудування НТК "Інститут монокристалів", м. Харків, директор.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук Борщов В'ячеслав Миколайович, Науково-дослідний інститут технологічного приладобудування, м. Харків, начальник відділу; кандидат фізико-математичних наук Перевертайло Володимир Леонтійович, Київський науково-дослідний інститут мікроприладів, завідуючий лабораторією ядерно-фізичного і прикладного приладобудування.

Провідна установа Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича, кафедра радіотехніки.

Захист відбудеться11.01. 2002 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д64.052.03 при Харківському національному університеті радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, пр. Леніна, 14, ауд.13.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Харківського національного університету радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, пр. Леніна, 14.

Автореферат розісланий 10.12.2001 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої радиГ.І.Чурюмов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми визначається розвитком ядерної енергетики та широким впровадженням джерел іонізуючого випромінювання в різноманітних галузях науки, техніки і народного господарства, що супроводжується небезпекою техногенних катастроф та загрозою радіаційної небезпеки для людини. Серед різноманітних засобів виявлення та детектування іонізуючого випромінювання широке застосування знайшов сцинтиляційний метод реєстрації, що пов'язано з високими експлуатаційними характеристиками сцинтиляційних детекторів. Використання фотодіодів замість традиційних фотоелектронних помножувачів дає змогу створювати компактні сцинтиелектронні детектори і поширює галузі застосування, тому постає необхідність тиражування.

Різноманітність фотодіодів на міжнародному ринку та намагання створення вітчизняних аналогів, наявність сцинтиляційних і напівпровідникових кристалів, що виготовляються в НТК "Інститут монокристалів" послужили основою проведення досліджень у напрямку створення та виробництва нових детекторів. В результаті розробки ряду детекторів актуальною стала задача підсилення, перетворювання та обробки слабких сигналів, яка промисловістю СНД не вирішена у зв'язку з відсутністю серійних підсилювачів з низьким рівнем шумів та спеціалізованих аналого-цифрових перетворювачів. Разом з цим недостатньо досліджена сучасна електронна база з високим ступенем інтеграції і широкими функціональними можливостями, котра може стати основою виробництва сучасних портативних приладів радіаційного контролю на базі нових детекторів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, темами. Викладені в дисертації матеріали отримані в ході виконання робіт: НДР “Розробка професійного дозиметра-спектрометра рентгенівського та гама-випромінювання” шифр “Жук” договір № 771-95-96 (замовник - Держкоматом України), ДКР “Розробка великогабаритних сцинтиелектронних блоків детектування: спектрометричних та лічильних гама-випромінювання, комбінованих бета-гама-випромінювання та лінійки стандартних модулів детектування гама-поля” шифр “Центр-1” договір № ЦП-1-05 (МНС України), ДКР “Розробка та виготовлення дослідної партії універсального вибіркового бета-гама радіометра на комбінованих детекторах типу СЕЛДI та пiдготовка виробництва до серiйного випуску” шифр “Даль” договір № 33/4532 від 10.06.97 (МНС України), ДКР “Розробка великогабаритних сцинтиелектронних БД: спектрометричних та лічильних гама-випромінювання, комбінованих бета-гама-випромінювань” шифр “Велетень” договір № 21/13Н-97 від 10.06.97 (МНС України), ДКР “Розробка портативного спектрометра гама-випромінення на базі великогабаритних сцинтиелектронних блоків детектування та освоєння серійного випуску” шифр “Пик” договір № 14/4В-98 від 01.04.98 (МНС України), проект УНТЦ № 196 “Високоефективні сцинтиляційні кристали, детектуючі устрої та системи радіаційного контролю”, НТР “Розробка портативних дозиметрів для УФ біологічно активних областей сонячного випромінювання” шифр “Загар” контракт 2.99.10 (Міністерство України у справах науки і технологій).

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є створення сцинтиелектронних блоків детектування іонізуючого випромінювання та розробка приладів радіаційного контролю на їх основі з подальшим тиражуванням за заводською технологією. Відповідно до цього були вирішені наступні задачі:

-дослідження елементної бази сцинтиелектронних детекторів та пошук схемних рішень електронно-підсилюючих трактів для перетворення, підсилення та формування сигналів;

-удосконалення технологічних операцій вирощування кристалів та виготовлення сцинтиелектронних детекторів;

-пошук технології виготовлення електронно-підсилюючого тракту для виробництва спектрометричних блоків детектування за заводською технологією;

-розробка та виготовлення вимірювально-аналізуючих пристроїв на сучасній елементній базі та сцинтиелектронних детекторах.

Наукова новизна одержаних результатів. Одержали подальший розвиток дослідження елементної бази та технології сцинтиелектронних блоків детектування іонізуючого випромінювання з метою підготовки до серійного виробництва.

Удосконалено технологічні операції у процесі виготовлення сцинтиляторів з кристалів ZnSe(Te), що забезпечило підвищення спектрометричних параметрів сцинтиелектронних детекторів.

Вперше розроблено алгоритм роботи багатоканального амплітудного аналізатора на базі портативної ПЕОМ і концепцію побудови переносного гама-спектрометра з мінімальною кількістю електронних вузлів та максимальним використанням процесора ПЕОМ.

Розроблено концепцію побудови дозиметрів ультрафіолетового випромінювання із застосуванням сучасної мікропроцесорної елементної бази та детекторів нового типу на основі ZnSe(Te).

Практичне значення одержаних результатів. Розроблено принципові схеми і виготовлено макетні зразки зарядочутливого передпідсилювача, підсилювача-формувача для спектрометричного тракту і перетворювача напруги зміщення фотодіода, на основі яких розроблено гібридні мікрозбірки за заводською технологією. На основі макетного зразка електронно-підсилюючого тракту створено випробувальний стенд, на якому тривалий час досліджували фотодіоди, сцинтилятори та напівпровідникові детектори. Результати досліджень сприяли удосконаленню параметрів сцинтиляторів і детекторів, що виготовляються в НТК “Інститут монокристалів”. На базі мікрозбірок розроблено та підготовлено до серійного виробництва блоки детектування іонізуючого випромінювання, які за своїми показниками не поступаються закордонним аналогам. За заводською технологією виготовлено дослідну партію блоків. Блоки детектування стали основою розробки унікальних портативних приладів радіаційного контролю на сучасній мікроелектронній базі, що здатні виявляти, вимірювати та визначати іонізуюче випромінювання у широкому діапазоні потужностей доз і енергій. Проведено випробування та дослідна експлуатація блоків детектування і приладів у реальних умовах на діючих АЕС та у Чорнобильській зоні.

Особистий внесок здобувача. Здобувач:

§виконав оцінки шумів, вибір типу польового транзистора (ПТ) для зарядочутливого передпідсилювача (ЗЧПП), виготовив макетний зразок передпідсилювача, створив випробувальний стенд і отримав спектри за допомогою напівпровідникового (НП) детектора - фотодіода (ФД) типу “Порог” та S3590, детекторів з ФД та сцинтиляторами CWO, CdS(Te), ZnSe(Te), CsI(Tl) [1, 5, 6, 11].

§виготовив швидкий ЗЧПП (t=0,1 мкс), вимірював потоки теплових нейтронів і спектри за допомогою детектора на основі монокристалу 6LiI(Eu), ФД S3590 [7].

§виготовив ЗЧПП з ПТ типу А830В-2 на вході і отримав спектри КХ-квантів 55Fe НП детектором на основі ФД, альфа-часток, гама-квантів та електронів внутрішньої конверсії - детектором на основі ФД та сцинтилятора з кристалу Al2O3(Ti) [8].

§виготовив комбінований детектор та виконав вимірювання характеристик в радіометричному режимі [2].

§виконав аналіз параметрів ФД та ПТ, розробив схему та виготовив ЗЧПП; виконав вимірювання у лічильному та спектрометричному режимі [3,4,10,14].

§отримав спектри заряджених часток за допомогою комбінованих детекторів на основі ФД та НП CZT з фольгами металів [9].

§приймав участь у розробці фотодетекторів УФ випромінювання і вимірював характеристики [12].

§брав участь у розробці концепції створення переносного спектрометра, розробив схему та виготовив перетворювач амплітуда-тривалість [13].

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи докладалися на 3-й Міжнародній конференції "Радиационная безопасность" (С.-Петербург, 2000 р.); на Міжнародній конференції "Neutrons in Researсh and Industry" (Греція, 1996 р.); на 1-й, 2-й, 3-й та 4-й Міжнародних нарадах "Проблемы прикладной спектрометрии и радиометрии" (м. Менделеєво, Моск. обл., 1996 р., 1997 р., м. Дубна, Моск. обл., 1999 р., м. Одеса, 2000 р.), на 2-й Всесоюзній нараді по лавинним приладам (м. Ростов-Ярославський, 1988 р.).

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковані у 12 статтях, Препринті, у патенті України на винахід, а також 44 матеріалах і тезах конференцій і симпозіумів.

Структура дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, висновку, списку використаної літератури та двох додатків. Загальний обсяг дисертації становить 225 сторінок: 153 сторінки основного тексту, 80 рисунків, 38 таблиць та 179 бібліографічних джерел на 20 сторінках.

сцинтиелектронні блокі детектування радіаційний

сцинтиелектронні блоки детектування радіаційний

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність питань, яким присвячена дисертація, сформульовані її мета та задачі.

У першому розділі представлено огляд сучасних детектуючих систем, їх основні типи і галузі застосування, розглянуто компоненти детекторів, схемотехніка підсилювачів сигналів. Показано, що найбільш повно у літературі представлені традиційні сцинтиляційні детектори з ФЕП у якості фотоприймачів. Розглянуто нові напівпровідникові (НП) і сцинтиелектронні детектори з фотодіодами (ФД), у яких загальним є необхідність застосування високочутливих малошумливих передпідсилювачів (ПП). Визначено коло невирішених питань що до конструкції блоків детектування, схемотехніки, а також вибору елементної бази ПП. Розглянуто концепції створення приладів радіаційного контролю на основі сучасної елементної бази.

Другий розділ присвячений аналізу елементної бази сцинтиелектронних детекторів та блоків детектування, які в залежності від галузі застосування мають такі режими роботи: струмовий, лічиння імпульсів та спектрометричний.

Струмовий режим характеризується тим, що відбувається інтегрування сигналів у детекторі і на виході утворюється пропорційний інтенсивності випромінювання струмовий сигнал.

У режимі лічиння імпульсів детектор реагує на окремі події взаємодії іонізуючого випромінювання і на його виході утворюється імпульсний сигнал. Форма імпульсів визначається компонентами детектора - сцинтилятора (СЦ) та ФД, а також параметрами електронно-підсилюючого тракту (ЕПТ).

Спектрометричний режим також має імпульсний вихідний сигнал, однак, характерною особливістю є пропорційна залежність амплітуди імпульсів від енергії, що визначає високі вимоги до лінійності характеристик як детекторів, так і ЕПТ. Шуми детекторів разом з ЕПТ визначають нижній рівень енергій, що реєструються, і енергетичну роздільну здатність R.

Розглянуто, що ФД працють в режимі генерації фотоструму (вентильному) або фотодіодному. Встановлено, що фотодіодний режим має переваги: широкий динамічний діапазон, високу швидкодію і радіаційну стійкість, підвищену чутливість, а найбільш ефективними слід вважати ФД на основі кремнію.

Досліджено ФД з метою підбору до детекторів. Для досліджень створено випробувальний стенд на основі ПЕОМ, який працює в імпульсному режимі із спеціально розробленим зарядочутливим передпідсилювачем (ЗЧПП). ФД можливо опромінювати світлодіодом з l=530 нм, а також джерелом 241Am, в цьому разі ФД працює як НП детектор.

Дослідження показали, що спектрометричному режиму роботи детекторів по сукупності параметрів відповідають p-i-n ФД типів S3590-01, S3590-08, S3590-19 фірми Hamamtsu, а також окремі дослідні вітчизняні зразки ФД. При наявності однакових параметрів перевагу мають ФД із світлочутливою поверхнею в формі квадрата. ФД із площею понад 10х10 мм2 мають збільшені темновий струм та ємність, що знижує шумові характеристики системи ФД-ЗЧПП.

З метою оптимізації параметрів детекторів досліджено такі сцинтилятори, вирощені в НТК “Інститут монокристалів“: CdWO4, BGO, GSO, Al2O3(Ti), ZnSe(Te), CdS(Te), CsI(Tl), LiI(Eu). Дослідження необхідні тому, що вирощені різними фірмами і методами кристали відрізняються спектрально-кінетичними характеристиками, вони виконувались на створеному стенді, результати наведено у таблиці.

Таблиця

Спектрометричні характеристики сцинтиляторів виробництва

НТК “Інститут монокристалів”, фотодіод типу S3590 (Hamamatsu)

СцинтиляторДжерело, енергіяЕнергетична роздільна здатність, %

МатеріалРозмір, ммRgRеRa

ZnSe(Te)10x10x1241Am (Eg=59,5 кеВ)14,8

109Cd (Ee=85 кеВ)12,5

137Cs (Ee=624 кеВ)11,0

207Bi (Ee=976 кеВ)3,7

239Pu (Ea=5,15 МеВ)3

CdS(Te)7x7x2,5137Cs (Eg=662 кеВ) (Ee=624 кеВ)11,7 11,5

207Bi (Ee=976 кеВ)4,3

239Pu (Ea=5,15 МеВ)16

226Ra (Ea=7,69 МеВ)4,6

Al2O3(Ti)10x10x1239Pu (Ea=5,15 МеВ)11,6

12x12x8207Bi (Ee=976 кеВ)15*

LiPO3(Bi)10x10x1239Pu (Ea=5,15 МеВ)29,4

CWO10x10x10137Cs (Eg=662 кеВ)17,1

30x30x30Pu-Be (Eg=4,43 МеВ)33

BGO10x10x10137Cs (Eg=662 кеВ)25,6

CsI(Tl)10x10x10137Cs (Eg=662 кеВ)5,8

40x40x40137Cs (Eg=662 кеВ)7,7

* значення вказано для R1/2.

На підставі проведеного аналізу встановлено, що СЦ для конкретних типів сцинтиелектронних детекторів слід вибирати з урахуванням часу висвітлення.

При виборі СЦ для конкретного виду випромінювання слід враховувати коефіцієнт поглинання внутрішнього випромінювання К. У детекторів альфа-часток робочим є відкритий поверхневий шар СЦ (декілька мікрон) і тому можливо використовувати тонкі кристали з низькими прозорістю (К=0,1-0,3) та світловиходом такі, як ZnSe(Te), CdS, Al2O3(Ti). Такі ж кристали дають хороші результати і в детекторах заряджених часток, низькоенергетичного рентгенівського та гама-випромінювання. Для гама-детекторів середніх (>100 кеВ) та високих енергій слід використовувати великі кристали з низьким К (< 0,05) та високим ефективним атомним номером Zеф: CsI(Tl), CWO, GSO.

Досліджено детектори теплових нейтронів, в яких реєстрація основана на реакціях з ядрами елементів, що входять до складу кристалів і мають високі значення перерізу радіаційного захоплення. Такими елементами є літій, кадмій, гадоліній. Дослідження кристалів: CdWO4, CdS(Te), GSO, LSO, LiI(Eu), LPO показали, що найбільш інтенсивні лінії електронів внутрішньої конверсії та гама-квантів радіаційного захоплення знаходяться в діапазоні 50-500 кеВ. Для таких енергій сцинтиелектронні детектори мають високу ефективність і є перспективними.

На основі НП матеріалу CZT в НТК “Інститут монокристалів” виготовляються дослідні гама-детектори. Одержані високі спектрометричні характеристики при кімнатній температурі на випробувальному стенді.

Представлено блоки детектування (БД) струмового режиму на основі СЦ та фотоприймальних пристроїв серійного виробництва ФУО-125, ФУО-132, а також на основі системи СЦ-модулятор-ФД. Розроблено конструкцію БД сендвіч-структури на базі СЦ ZnSe(Te), металевих фільтрів та ФД. Визначено, що нижня межа чутливості БД у струмовому режимі 100 мкР/год і подальше її підвищення до рівня фону (10 мкР/год) можливе в лічильному режимі з використанням імпульсних або зарядочутливих ПП. Представлено схемні рішення таких ПП та пристрій на основі лічильного БД.

Подано теоретичний аналіз факторів, що впливають на енергетичну роздільну здатність спектрометричних БД. Визначено вимоги до параметрів польових транзисторів для застосування на вході ЗЧПП: максимальна крутість характеристики, мінімальна вхідна ємність та мінімальний струм витоку затвора. Розрахунки показують, що мінімальний рівень шумів спектрометричного ЕПТ відповідає часу формування 5 мкс.

Представлено схемні рішення каскадів ЗЧПП і проаналізовано елементну базу. Проведено порівняння розробленого ЗЧПП з аналогами зарубіжних фірм, що показує переваги створеної схеми.

Проаналізовано схеми та елементну базу спектрометричних підсилювачів і формуючих ланцюгів. Розроблено принципову схему підсилювача.

Проведено порівняльну оцінку трьох ЗЧПП: макетний, дослідний ЗЧПУ-01 та серійний CR 101 Cremat (США) з трьома типами детекторів: на основі кристалів CZT, НП-детектор на основі ФД і детектор СЦ-ФД з кристалом CsI(Tl). Експеримент показав переваги розроблених макетного і дослідного ЗЧПП.

Проведено порівняльну оцінку гама-детекторів типу СЦ-ФЕП та СЦ-ФД з кристалом CsI(Tl) Ж40х50 мм2 і з різними ФД. Найкращі результати одержані з ФД типу S3590-08 і наближаються до параметрів детектора СЦ-ФЕП.

Досліджено комбіновані блоки детектування (КБД), в яких фольги (молібден, вольфрам, хром, нікель) перетворюють бета-частки або нейтрони в КХ-кванти з енергією в декілька десятків кеВ. Такі енергії реєструються за допомогою НП детекторів на основі ФД та CZT, але детектори CZT мають вищу ефективність.

Таким чином, у ході проведених експериментів отримано результати, що визначають вимоги до параметрів компонент сцинтиелектроннних детекторів, шляхи їх удосконалення, спрямовані на створення нових типів детекторів та блоків детектування з подальшим їх тиражуванням.

У третьому розділі розглянуто технологічні та конструктивні особливості сцинтиляторів, детекторів, електронно-підсилюючих трактів та блоків детектування, підготовку до виробництва за заводською технологією.

У результаті проведених експериментальних досліджень установлено оптимальну концентрацію домішок телуру (Те), що дає змогу поліпшити спектрометричні характеристики кристалів ZnSe(Te). Коригування концентрації не потребує зміни діючої методики вирощування кристалів тому, що виконується на стадії технологічного процесу синтезу шихти. Це дало змогу одержувати спектрометричні СЦ для альфа-детекторів з високою енергетичною роздільною здатністю.

Показано, що для реєстрації бета-часток високоефективні детектори на основі ZnSe(Te) можливо виконати суттєвим збільшенням площі СЦ відносно розмірів вирощених кристалів шляхом набору дрібнокристалічних СЦ із конгломерату зерен ZnSe(Te) і застосуванням світловодів для концентрації сцинтиляцій на світлочутливу поверхню ФД.

Вперше на основі кристалів ZnSe(Te) розроблено фотодетектор ультрафіолетового (УФ) випромінювання, що являє собою широкозонний фотодіод з бар'єром Шотткі. Фотодіод має спект чутливості в УФ діапазоні 200-450 нм. Використання скляних фільтрів із стандартними спектральними характеристиками УФС-8 та УФС-2 із ЖС-3 дало можливість створити УФ детектори із максимумами спектральної чутливості 315 та 365 нм, які визначені міжнародними вимогами (CIE 1987 р). Представлено опис методики виробництва фотодіодів та фотодетекторів на їх основі для умов тиражування за заводською технологією.

На підставі проведених експериментальних досліджень визначено кристал - CsI(Tl) і тип фотодіода сцинтиелектронного детектора для гама-спектрометрії, представлено конструкцію та опис методики виготовлення спектрометричних детекторів. Розроблено схему перетворювача напруги зміщення ФД, який має низьке енергоспоживання тією ж напругою живлення, що і ЗЧПП і може розміщуватись в корпусі БД. Представлено макетні варіанти конструкції спектрометричних БД.

Проведено вибір та обґрунтування гібридної технології виробництва ЕПТ спектрометричних БД. Розглянуті особливості мікроелектронного виконання електронних схем дали змогу підготувати виробництво ЕПТ по гібридній технології в заводських умовах. Спільно з ВО “Комунар” виготовлено дослідну партію з 20 комплектів гібридних мікрозбірок. Комплект складається з трьох мікрозбірок: ЗЧПУ-01, УФ-01 та ПН -01.

Приведено конструкцію (рис.1) та опис методики виробництва за заводською технологією дослідних зразків блоків детектування для гама-спектрометрії на основі гібридних мікрозбірок БДЕГ-01П, в заводських умовах (ВО “Комунар”) виготовлено дослідну партію (5 шт). Проведені випробування (рис.2) дослідної партії підтверджують технологічність конструкції та можливість тиражування.

У четвертому розділі розглянуті концепції побудови вимірювальних пристроїв на основі сцинтиелектронних детекторів. Аналіз шляхів створення портативних приладів радіаційного контролю з використанням сучасної мікроелектронної бази показує переваги застосування мікроконтролерів з програмно заданим алгоритмом функціонування. На основі КБД і мікроконтролера типу РІС16С73А розроблено гама-бета-радіометр. Прилад забезпечує одночасну реєстрацію гама і бета-випромінювання у лічильному режимі, результати вимірювань відображаються на алфавітно-цифровому 16-ти розрядному рідинно-кристалічному індикаторі. На основі аналогічної елементної бази та спектрометричного БД розроблено мініатюрний гама-радіометр з можливістю ідентифікації радіонуклідів. Макетні зразки приладів компактні, мають напругу живлення 3-6 В і тривалий час роботи без зміни внутрішніх джерел живлення.

Сучасна тенденція у розробці спектрометричної апаратури - використання персональних комп'ютерів. Створення переносного спектрометра на основі портативної ЕОМ класу Notebook з максимальним використанням власної обчислювальної потужності у процесі збирання, обробки та накопичення спектрометричної інформації дає змогу використовувати сучасні інтерфейси операційних систем.

Периферійним пристроєм спектрометра для обробки аналогових сигналів БД є спектрометричний процесор. Концепцією при розробці процесора обрано перетворення амплітуди імпульсів з виходу БД із сформованою тривалістю в прямокутні імпульси пропорційної тривалості.

Такі схеми мають мінімальну

кількість елементів, а тому компактні, надійні в роботі, мають низьке енергоспоживання. Для надання Notebook функцій спектрометра розроблено програмне забезпечення.

Для мобільних систем радіаційного контролю забруднених територій необхідне оперативне з достатньою точністю визначення координат точки спостереження, що виконується супутниковими системами. Обрано американську навігаційну систему Global Positioning System (GPS), що має 24 супутники, які розташовані на 3-х орбітах і завдяки цьому покриває усю площину Земної кулі. Для роботи в системі обрано приймач типу Lassen-SK8, який має мініатюрну антену, компактний блок прийому та обробки інформації, мале енергоспоживання та низьку вартість. Приймач забезпечує зв'язок з комп'ютером по порту RS-232C.

Виготовлено дослідні зразки гама-спектрометрів, два з яких передано за рознарядкою МНЧ України в НДІ сільськогосподарської радіології та НЦРМ АМН України. Проведено випробування дослідного зразка спектрометра метрологічною службою зони відчуження ЧАЕС, в ДСНПП “Екоцентр” МНС України м. Чорнобиль та на Запорізькій АЕС .

Представлено прилади для вимірювань УФ випромінювання, які розроблено на базі фотодетекторів із ZnSe(Te), побутові - вимірювач потужності дози УФ радіації та годинник-дозиметр. У вимірювачі застосовано мікросхему - аналого-цифровий перетворювач типу К572ПВ5 та рідинно-кристалічний індикатор. Годинник-дозиметр виконано на базі серійного годинника-шагоміра, в якому застосовано спеціалізовану мікросхему з запрограмованими функціями. Професійний прилад розроблено на мікроконтролері типу РІС16С73А. Прилад має детектори з максимумом чутливості 365 нм та 315 нм і можливість накопичення інформації одночасно з двох каналів та її перетворення у вигляд, необхідний для передачі в СОМ-порт ПЕОМ. Макетні зразки приладів, що було виготовлено, мають малі габарити та низьке енергоспоживання.

ВИСНОВКИ

Основним результатом проведених досліджень і розробок є створення і підготовка до серійного виробництва сцинтиелектронних блоків детектування для гама-спектрометрії та приладів радіаційного контролю на їх основі.

Представлено огляд сучасних сцинтиляційних детектуючих систем, визначено невирішені проблеми стосовно конструкції блоків детектування і схемотехніки підсилюючих трактів.

Досліджено характеристики фотодіодів і особливості їх застосування в детекторах, визначено вимоги до фотодіодів в залежності від режиму роботи детекторів. Для дослідження характеристик фотодіодів, сцинтиляторів та сцинтиелектроних детекторів в імпульсних режимах (лічильному і спектрометричному) створено випробувальний стенд, для якого розроблено схему зарядочутливого передпідсилювача і виготовлено макетний зразок

Досліджено параметри сцинтиляторів виробництва НТК “Інститут монокристалів”, сформульовано рекомендації стосовно їх використання в залежності від режимів роботи та виду іонізуючого випромінювання.

Визначено технологічні та конструктивні особливості виробництва сцинтиляторів та детекторів, аналіз та коригування яких дає змогу створювати нові сцинтиелектронні детектори з високими показниками.

Визначено фактори, що впливають на параметри сцинтиелектронних спектрометричних блоків детектування. Досліджено елементну базу і розроблено спектрометричний електронно-підсилюючий тракт, який спільно з ВО “Комунар” підготовлено до серійного виробництва за гібридною технологією.

Розроблено спектрометричний блок детектування, виготовлено макетні зразки та спільно з ВО “Комунар” за заводською технологією виготовлено дослідну партію блоків і проведено випробування, які підтвердили можливість тиражування.

На основі нових блоків детектування і сучасної мікроелектронної бази розроблено портативний радіометр бета-гама-випромінювання та мініатюрний радіометр з можливістю ідентифікації радіонуклідів, виготовлено макетні зразки приладів.

Запропоновано концепцію створення переносного гама-спектрометра на основі спектрометричного блока детектування та портативного комп'ютера з максимальним використанням обчислювальної потужності ПЕОМ. Створено схему та виготовлено дослідні зразки мініатюрного спектрометричного процесора, що узгоджує блок детектування з комп'ютером Notebook та розміщується у відсіку для PCMCIA карти. Виготовлено та проведено випробування дослідних зразків гама-спектрометра в Чорнобильській зоні та на Запорізькій АЕС.

Розроблено прилади (побутові та професійний) для вимірювання ультрафіолетової радіації на основі фотодетекторів із селеніду цинку. Виготовлено макетні зразки приладів на сучасній мікроелектронній базі.

Випробування макетних зразків приладів показали широкі можливості використання сучасної високоінтегрованої елементної бази для створення приладів радіаційного контролю.

ОСНОВНІ ПУБЛІКАЦІЇ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ

1.Рыжиков В.Д., Волков В.Г., Даншин Е.А. и др. Возможности использования полупроводниковых и сцинтилляционных детекторов в автоматизированных устройствах для переработки радиоактивных отходов // Проблеми Чорнобиля: Науково-технічний збірник. Вип. 2. - Чорнобиль. - 1998. - С. 114-116.

2.Рыжиков В.Д., Сохин В.В., Даншин Е.А. Твердотельный комбинированный детектор для радиометрии // ПТЭ. - 1990 - № 6. - C. 67-69.

3.Е.А.Даншин, Л.А.Пивень, В.Д.Рыжиков, Е.М.Селегенев. Использование в дозиметрии детектора типа сцинтиллятор-фотодиод в счетном режиме // ПТЭ. - 1991. - № 4. - С. 65-69.

4.Волков В.Г., Гаврилюк В.П., Гальчинецкий Л.П., Гринев Б.В., Даншин Е.А., Катрунов К.А., Квитницкая В.З., Рыжиков В.Д. Мелкокристаллический детектор ионизирующего излучения на основе ZnSe(Te) // ПТЭ. - 1999. - № 6. - С. 37-42.

5.Ryzhikov V.D., Burachas S.F., Volkov V.G., Danshin E.A., Lisetckaya E.K., Svishch V.M., Chernikov V.V. Neutron Flux Measurements Using “Scintillator-Photodiode-Preamplifier” System and New Types of Scintillators // Functional materials. Vol.6, No.1. Institute for Single Crystals. January-March, 1999, Kharkiv. - P.166-171.

6.Ryzhikov V.D., Gal'chinetskii L.P., Galkin S.N., Danshin E.A., Lisetskaya E.K., Chernikov V.V. Studies of effect of isovalent dopants on spectral-kinetic and scintillation characteristics of zinc selenide// Functional materials. Vol.6, No.4. Institute for Single Crystals. October-December, 1999, Kharkiv. - P.794-795.

7.Ryzhikov V.D., Chernikov V.V., Danshin E.A., Losseva E.A., Smirnov N.N., Zelenskaya O.V. Thermal neutrons flux measurements using detector 6LiI(Eu)-Si-PIN-PD and a charge-sensitive preamplifier // Functional materials. Vol.7, No.1. Institute for Single Crystals. January-March, 2000, Kharkiv. - P.168-169.

8.Ryzhikov V.D., Litvinov L.A.., Danshin E.A., Kryvonosov Ye.V., Losseva E.A., Chernikov V.V. Ti:Sapphire as new scintillator // Functional materials. Vol.8, No.1. Institute for Single Crystals. January-March, 2001, Kharkiv. - P.36-38.

9.V.K.Komar, S.V.Sulima, A.S.Gerasimenko, E.A.Danshin, V.V.Chernikov, E.A.Losseva. Functional capabilities of a CdZnTe-based combined detector of charged particles // Functional materials. Vol. 9, No.2. Institute for Single Crystals. April-June, 2001, Kharkiv. - P.389-391.

10.Е.А.Даншин, Л.А.Пивень, В.Д.Рыжиков, Е.М.Селегенев. Дозиметр на базе сцинтиэлектронного детектора // Вопросы атомной науки и техники. 1993. Вып. № 3 "Ядерное приборостроение".- С.62-67.

11.Ryzhikov V., Gal'chinetskii L., Galkin S., Danshin E., Kvitnitskaya V., Silin V., Chernikov V. Combined Detectors Based on ZnSe(Te), CsI(Tl) and Si-PIN-PD for Separate Detection of Alpha, Beta and Gamma Radiation // IEEE Transactions on Nuclear Science Vol.47, No.6, December 2000, Ontario, Canada. - P.1979-1981.

12.V.Ryzhikov, N.Starzhinskiy, L.Gal'chinetskii, P.Gashin, D.Kozin, E.Danshin. New Semiconductor Scintillators ZnSe(Te,O) and Integrated Radiation Detectors Based Thereon // IEEE Trans. on Nucl. Sci. - 2001.- Vol. 48, No.3.- P. 356- 359.

13.Даншин Є.О., Рижиков В.Д., Філімонов О.Є. Портативний спектрометр-дозиметр іонізуючого випромінювання. Заявка № 97105269. Рішення про видачу патенту від 18.11.98.

14.Рыжиков В.Д., Волков В.Г., Гринчук И.Р., Даншин Е.А. и др. Сцинтиэлектронные детекторы радиации (СЭЛДИ) - твердотельные детекторы нового поколения. Состояние, перспективы развития, промышленное использование. - Препринт. - Харьков. - 1996. - 66 с.

АНОТАЦІЯ

Даншин Є.О. Технологія та виробництво сцинтиелектронних блоків детектування і приладів на їх основі. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.27.06 - технологія, обладнання та виробництво електронної техніки. - Харківський національний університет радіоелектроніки, Харків, 2001р.

Дисертація присвячена проблемі розробки сцинтиелектронних детекторів іонізуючого випромінювання системи сцинтилятор-фотодіод та напівпровідникових детекторів, блоків детектування та приладів радіаційного контролю на їх основі. Виходячі з аналізу елементної бази сцинтиелектронних детекторів, технологічних та конструктивних особливостей виготовлення сцинтиляторів та детекторів, виконано оптимізацію параметрів та конструкції детекторів іонізуючого та ультрафіолетового випромінювання. В роботі проведено дослідження по створенню передпідсилювачів сигналів детекторів, в результаті яких розроблено схему електронно-підсилюючого тракту для спектрометричного блока детектування, розроблено конструкцію блока детектування та показана можливість тиражування за заводською технологією. Представлено концепцію створення переносного гама-спектрометра на базі портативного комп'ютера. Розроблено схему спектрометричного процесора та виготовлено дослідні зразки гама-спектрометрів и проведено їх випробування. Розроблено і виготовлено макетні зразки приладів для вимірювання ультрафіолетової радіації із застосуванням фотодетекторів на основі селеніду цинку.

Результати досліджень було покладено в основу розробки та виконання за заводською технологією: спектрометричних електронно-підсилюючих трактів у гібридному виконанні, блоків детектування та спектрометричних процесорів. На базі цих комплектуючих і комп'ютера класу Notebook виготовлено дослідні зразки гама-спектрометрів та проведено їх випробування метрологічною службою зони відчуження ЧАЕС та в ДСНПП “Екоцентр” МНС України м. Чорнобиль, на Запорізькій АЕС.

Ключові слова: сцинтилятор, фотодіод, передпідсилювач, сцинтиелектронний детектор, гама-спектрометр, іонізуюче випромінювання.

АННОТАЦИЯ

Даншин Е.А. Технология и производство сцинтиэлектронных блоков детектирования и приборов на их основе. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.27.06. - технология, оборудование и производство электронной техники. - Харьковский национальний университет радиоэлектроники, Харьков, 2001г.

Диссертация посвящена проблеме разработки сцинтиэлектронных детекторов типа сцинтиллятор-фотодиод и полупроводниковых детекторов ионизирующих излучений, блоков детектирования и приборов радиационного контроля на их основе. На основании анализа элементной базы сцинтиэлектронных детекторов, технологических и конструктивных особенностей изготовления сцинтилляторов и детекторов, выполнена оптимизация параметров и конструкции детекторов альфа-, бета-, гамма- и ультрафиолетового излучения. В работе проведены теоретические и экспериментальные исследования по созданию высокочувствительных малошумящих предусилителей сигналов детекторов различных режимов, представлена методика расчета уровня шумов зарядочувствительного предусилителя, разработана схема электронно-усилительного тракта для спектрометрического блока детектирования и показана возможность ее тиражирования по гибридной технологии в условиях завода.

Разработана конструкция тиражируемого спектрометрического блока детектирования гамма-излучения на основе кристалла цезия йодистого, фотодиода и гибридного электронного тракта и совместно с ПО “Коммунар” по заводской технологии изготовлены опытные образцы блоков.

Представлена концепция создания переносного гамма-спектрометра на базе портативного компьютера. Разработана схема миниатюрного спектрометрического процессора и изготовлены опытные образцы по заводской технологии. Изготовлены опытные образцы портативного гамма-спектрометра с высокоэффективным блоком детектирования заводского исполнения.

На основе тиражируемых фотодетекторов ультрафиолетового излучения с применением современной микроэлектронной базы разработаны и изготовлены макетные образцы приборов для измерения ультрафиолетовой радиации.

Результаты исследований были положены в основу разработки тиражируемых по заводской технологии: спектрометрических электронно-усилительных трактов, блоков детектирования и спектрометрических процессоров. На базе этих комплектующих и компьютера класса Notebook изготовлены опытные образцы переносных гамма-спектрометров и проведены их испытания метрологической службой зоны отчуждения ЧАЭС и в ГСНПП “Экоцентр” МЧС Украины г. Чернобыль, на Запорожской АЭС.

Ключевые слова: сцинтиллятор, фотодиод, предусилитель, сцинтиэлектронный детектор, гамма-спектрометр, ионизирующее излучение.

ANNOTATION

Danshin E.A. Technology and production of scintielectronic detection units and devices on their basis. - Manuscript.

A thesis for Candidate of Technical Sciences academic degree competition by speciality 05.27.06. - Technology, equipment and production of electronic technics. - Kharkov National University of Radioelectronics, Kharkov, 2001.

The thesis is devoted to the problem of development of scintielectronic detectors of a scintillator - photodiode structure, semiconductor detectors of ionizing radiation, detection units and survey meters on their basis. According to the component analysis an optimization of the design of ionizing and ultraviolet radiation detectors was performed. Through the work a detector signal preamplifiers establishment study was carried out. On the basis of the study the electronic amplification section circuit of a spectrometric detection unit and the detection unit itself were developed, an opportunity of their replication under industrial conditions was shown.

The results of studies were taken as a basis of development and production under industrial technology of: spectrometric electronic amplification sections, detection units and spectrometric processors. On the basis of these component parts and a notebook computer the gamma spectrometer prototypes were manufactured and their testing was conducted by Metrology Service of Chernobyl NPP alienation zone, at the Ministry of Emergency's "Ecocentre" State Specialized Scientific and Production Enterprise in Chernobyl, and at the Zaporozhye NPP.

Keywords: scintillator, photodiode, preamplifier, scintielectronic detector, gamma spectrometer, ionizing radiation.

Размещено на Allbest.ru

...