07.07.2021

Конкурс научных работ ЛЯП ОИЯИ за 2020 год: Алексей Жемчугов об исследовании радиационной стойкости полупроводниковых детекторов

На днях были объявлены результаты конкурса научных работ Лаборатории ядерных проблем за 2020 год. Группа научных коммуникаций ЛЯП поговорила с авторами-победителями об их работах.

Первое место занял цикл работ «Исследование радиационной стойкости полупроводниковых детекторов из высокоомного GaAs:Cr к облучению электронами и быстрыми нейтронами, выполненное на базовых установках ОИЯИ» авторского коллектива в составе: Абдельшакур Э. С., Госткин М. И., Гуськов А. В., Демичев М. А, Жемчугов А. С., Кобец В. В., Кручонок В. Г., Лейва А., Ноздрин А. А., Пороховой С. Ю.

От имени коллектива о выполненной работе Группе научных коммуникаций ЛЯП рассказал Алексей Сергеевич Жемчугов.

Жемчугов Алексей Сергеевич

DSC 6025 Алексей Жемчугов | Фото: Лаборатория Джелепова

Для многих современных физических экспериментов необходимы особо устойчивые к повышенной радиации детекторы. Один из разновидностей детекторов — компактные электромагнитные калориметры для экспериментов на будущих электрон-позитронных коллайдерах — разрабатывает международная коллаборация FCAL. В ее состав входят научные центры из Германии, Японии, России, США, Израиля, Белоруссии, Украины, Польши, Румынии, Сербии, Чили, а также две международные организации: CERN и ОИЯИ.

Для калориметров, расположенных близко к пучку, радиационная нагрузка оказывается крайне высока. Основные повреждения наносятся чувствительным элементам калориметра — полупроводниковым сенсорам. Обычно в качестве сенсоров используются кремниевые пластины, которые для компенсации влияния радиационных повреждений приходится во время работы охлаждать до очень низких температур. В качестве альтернативы кремнию в проекте FCAL Георгием Александровичем Шелковым было предложено использовать другой, более устойчивый к радиации полупроводниковый материал — высокоомный арсенид галлия, легированный хромом (GaAs:Cr), технология производства которого была разработана в Томском государственном университете. Однако этот материал нуждался в тщательном изучении его функциональных свойств и радиационной стойкости.

В 2012 году прошли первые исследования изготовленных в Томске опытных образцов. За неимением собственного источника электронов исследования провели в Дармштадте. К сожалению, из-за ограниченного времени на пучке выполнить систематические испытания свойств нового материала не удалось. Однако и уже полученные результаты оказались очень обнадеживающими.

В 2016 году в распоряжении дубненских ученых появилась новая установка — ускоритель LINAC-200, который уже на этапе пусконаладки был способен давать хорошие пучки электронов. Именно на этом ускорителе оказалось возможным провести систематические исследования с облучением электронами образцов как арсенид-галлиевых, так и кремниевых детекторов. Для проведения измерений в Научно-экспериментальном отделе встречных пучков ЛЯП была оборудована лаборатория со стендами, где определяли вызванные радиационными повреждениями изменения эффективности сбора заряда, вольт-амперных характеристик и других свойств.

Побочным, но важным результатом работы стала подготовка и оборудование тестовой зоны на LINAC-200, которой можно будет пользоваться в дальнейшем для других исследований. Например, сейчас коллаборация FCAL как один из материалов для сенсора исследует сапфир. Томские ученые тоже не стоят на месте и продолжают совершенствовать свойства арсенида галлия. А недавно с дубненской группой связался Дагестанский государственный университет с предложением исследовать радиационную стойкость карбида кремния. Направлений для работы много.

Образцы GaAs:Cr были изучены также на стойкость к облучению нейтронами, для чего использовался не только ускоритель LINAC, но и реактор ИБР-2 Лаборатории нейтронной физики (ЛНФ ОИЯИ). Этому посвящена одна из статей цикла работ.

Проведенные исследования вызвали большой интерес. Оказалось, что работы, начатые в коллаборации FCAL для экспериментов на ILC, важны и для альтернативных будущих коллайдеров: FCC, CLIC, CEPC, и для использования в экспериментах на самом большом в мире рентгеновском лазере на свободных электронах — European XFEL.

Алексей Сергеевич Жемчугов рассказал о дубненской команде проекта. Она международная: в исследованиях принимали участие ученые из России, Румынии, Кубы, Белоруссии. Исследования материалов на пучке также стали ценным опытом для нескольких кубинских студентов, которые использовали эти результаты при подготовке своих дипломных работ.

Цикл работ, завоевавший первое место в конкурсе научных работ ЛЯП ОИЯИ за 2020 год:

Analysis of radiation effects on some properties of GaAs:Cr and Si sensors exposed to a 22 MeV electron beam / A. G. Torres, A. Leyva, A. Zhemchugov, U. Kruchonak, S. Abou El-Azm and D. Ramos // NUCLEUS 64, (2018) pp. 4-9. ISSN: 0864-084X and 2075-5635
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. Zamyatin, A. Zhemchugov // JINST (2020) 15 C06003
Radiation hardness of GaAs: Cr and Si sensors irradiated by electron beam / U. Kruchonak, S. Abou ElAzm, K. Afanaciev, G. Chelkov, M. Demichev, M. Gostkin, A. Guskov, E. Firu, V. Kobets, A. Leyva, A. Nozdrin, S. Porohovoy, A. Sheremetyeva, P. Smolyanskiy, A. Torrez, A. Tyazhev, O. Tolbanov, N. Zamyatin, A. Zarubin, A. Zhemchugov // Nuclear Inst. and Methods in Physics Research, A 975 (2020) 164204, ISSN 0168-9002.
Investigation of the radiation hardness of GaAs:Cr semiconductor detectors irradiated with fast neutrons at the reactor IBR-2 / U. Kruchonak, S. Abou El-Azm, M. Bulavin, G. Chelkov, M. Gostkin, A. Guskov, A. Sheremetyeva, N. Zamiatin, A. Zhemchugov // Journal of Physics: Conf. Ser. 1690 (2020) 012042, doi:10.1088/1742-6596/1690/1/012042
Исследование радиационной стойкости полупроводниковых детекторов GaAs:Cr к облучению электронами и быстрыми нейтронами / В.Г. Кручонок // Научные исследования: итоги и перспективы, том 1 №4 (2020) ISSN 2713-220X.