В 1985 г в Ляр оияи был разработан циклический имплантатор тяжёлых ионов иц-100 для проведения научно-прикладных исследований[1]

Введение

В 1985 г. в ЛЯР ОИЯИ был разработан циклический имплантатор тяжёлых ионов ИЦ-100 для проведения научно-прикладных исследований[1]. Он предназначался для ускорения ионов от углерода ¹²С²⁺ до аргона ⁴⁰Ar⁷⁺ с фиксированной энергией 1,2 МэВ/нуклон при ускорении на 4-й гармонике высокочастотной системы и 0,6 МэВ/нуклон при ускорении на 6-й гармонике ВЧ. На ускорителе использовался внутренний источник ионов типа PIG, который полностью определял массовый диапазон ускоряемых ионов. В ходе модернизации 2003-2005 гг., направленной на получение пучков тяжёлых ионов для более эффективного использования комплекса, а также реализации промышленного изготовления ядерных фильтров, ИЦ-100 был оснащён системой внешней аксиальной инжекции пучка в циклотрон и сверхпроводящим ионным источником на основе электронного циклотронного резонанса, позволившим получить интенсивные пучки высокозарядных ионов ксенона, йода, криптона, аргона и других тяжёлых элементов. Комплекс включает в себя специализированный канал транспортировки пучка с установкой для облучения полимерной пленки, а также бокс для проведения исследований на пучках тяжелых ионов. В линии транспортировки выведенного пучка установлена система сканирования пучка в двух плоскостях, обеспечивающая однородную имплантацию ионов на большой площади мишени. Установка двух ВЧ-генераторов с раздельной подачей мощности на каждый резонатор позволила кардинально улучшить настройку циклотрона и обеспечить долговременную стабильность тока пучка. На циклотронном комплексе ИЦ-100 проводятся научные исследования по изучению свойств облученных кристаллов, облучение различных полимерных пленок, изготовлено несколько тысяч квадратных метров трековых мембран в широком диапазоне изменения плотности отверстий — от досм^-2.

Как видно из таблицы 1, интенсивность пучка может достигать относительно больших величин, однако в ряде задач необходим пучок значительно меньшей интенсивности.

Элемент	Ион	A/Z	F_ВЧ, МГц	Ток пучка на мишени в проведенных экспериментах	Максимальный полученный ток пучка
Неон	²²Ne+⁴	5.5	20.160	0.7 мкА
Аргон	⁴⁰Ar+⁷	5.714	20.200	2.5 мкА
Железо	⁵⁶pe+10	5.6	20.240	0.5 мкА
Криптон	⁸⁶Kr+15	5.733	20.200	3.5 мкА	3.5 мкА
Иод	¹²⁷J+22	5.773	20.200	0.25 мкА
Ксенон	¹³²Xe+²³	5.739	20.180	3.7 мкА	3.7 мкА
Ксенон	¹³²Xe+²⁴	5.5	20.180	0.6 мкА
Вольфрам	¹⁸²W+³²	5.6875	20.142	0.015 мкА	0.015 мкА
Вольфрам	¹⁸⁴W+³¹	5.9355	20.142	0.035мкА	0.035мкА
Вольфрам	¹⁸⁴W+³²	5.75	20.142	0.017 мкА	0.017 мкА

Таблица 1. Интенсивности пучков ионов, ускоренных и выведенных на ИЦ-100.

Рисунок 1. Общий вид циклотрона ИЦ-100 и канала облучения полимерных плёнок.

К таким задачам относится изучение электрофизических и оптических свойств полупроводниковых материалов, в частности, изучение радиационной стойкости солнечных батарей. Простейший фотоэлектрический преобразователь (ФЭП), используемый в солнечной батарее, представляет собой плоский диод, схематически изображенный на рисунке 2[2]. Он обычно изготавливается из пластины кремния с удельным сопротивлением 0,1–100 Омсм n - или p - типа проводимости. Толщина пластины составляет 100–500 мкм. Тонкий (0,1-3 мкм) высоколегированный слой с проводимостью обратного типа формируется на полированной фронтальной поверхности пластины. Солнечный свет попадает в объем прибора сквозь поверхность ФЭП. Неосновные носители, рожденные в легированном слое, устремляются к p-n переходу за счет диффузии и дрейфа в электрическом поле. Носители, образованные светом в базовой области, перемещаются только за счет диффузии. Электронно-дырочные пары разделяются p-n переходом, и разность потенциалов, возникающая на омических контактах, присоединенных к n- и p-областям ФЭП, создает ток во внешней цепи.

Рисунок 2. Cхематическое изображение полупроводникового ФЭП: 1 - контакт к легированному слою; 2 - просветляющее покрытие; 3 - легированный слой; 4 - область p-n перехода; 5 - область базы; 6 - контакт к базовой области; 7 - внешняя электрическая цепь.

Основной причиной ухудшения характеристик ФЭП под действием космической радиации является уменьшение времени жизни неосновных носителей . При облучении ФЭП в первую очередь меняется величина в базовой области. Исходная величина этого параметра обычно превышает несколько микросекунд. В легированном слое время жизни , составляющее 10^-9 с, уменьшается лишь при высоких потоках облучения. Снижение обусловлено возрастанием скорости объемной рекомбинации вследствие возникновения радиационных дефектов, имеющих глубокие энергетические уровни в запрещенной зоне. В результате ухудшаются параметры вольт-амперной характеристики ФЭП: тока короткого замыкания и напряжения холостого хода и, соответственно, снижается вырабатываемая электрическая мощность.

Как правило, наиболее значительные изменения свойств происходят флюенсах - ионов/см^-2. В качестве примера можно привести зависимость тока короткого замыкания фотоэлемента CdTe/CdS от полученной дозы (рисунок 3)[3].

Рисунок 3. Зависимость тока короткого замыкания фотоэлемента CdTe/CdS от поглощённой дозы, измеренная во время облучения ионами Xe с энергией 167 МэВ.

Флюенс ионов/см² соответствует поглощённой дозе 900 кГр, что превышает типичную накопленную дозу за срок службы спутника – 100 кГр.

Другая задача, напрямую связанная с фотоэлектрическими преобразователями – изучение зависимости оптических свойств люминесцентных солнечных концентраторов (ЛСК) от поглощённой дозы. Это устройства, которые поглощают солнечный свет в широком спектре с большой площади и благодаря люминесценции переизлучают свет определённого спектра на меньшую площадь. Концентраторы представляют собой пластину из стекла или прозрачного полимера с добавками молекул органических красителей или квантовых точек, действующих как центры люминесценции. Таким образом, ЛСК обеспечивают концентрацию света с одновременной трансформацией спектра в интервал максимальной чувствительности ФЭП.

Рисунок 4. Люминесцентные солнечные концентраторы и принцип их работы.

Воздействие ионизирующего излучения на оптические стекла вызывает их окрашивание: в результате захвата электронов и дырок структурными дефектами разных типов образуются центры окраски. Многообразие возникающих центров окраски приводит к перекрытию создаваемых ими спектральных полос поглощения света, в результате чего происходит снижение прозрачности стекол во всей видимой области спектра. Радиационное воздействие на полимеры приводит к изменению механических, оптических и электрофизических свойств, определяемые необратимыми и обратимыми радиационно-химическими процессами в полимерах. К первым относятся деструкция и сшивание полимеров, образование и разрушение новых химических групп, выделение газообразных продуктов. Характерным процессом второй группы является радиационная электропроводность полимеров, которая в той или иной степени свойственна всем диэлектрикам. По отношению к полимерам можно выделить три диапазона значений поглощенной дозы, исходя из вызываемых воздействием ионизирующего излучения изменений свойств материалов. В диапазоне относительно низких доз, который для полимерных материалов простираются до 10⁵ Гр, необратимые изменения свойств материалов, как правило, незначительны. При более высоких дозах (>10⁵ Гр) радиационные превращения полимеров и накопление продуктов радиолиза зависят линейно от величины поглощенной дозы в весьма широком диапазоне ее значений. В диапазоне больших доз (>10⁷ Гр) многие полимерные материалы в значительной степени утрачивают свои исходные свойства[4].

На рисунке 5 представлено изменение оптической плотности полимерного ЛСК в ходе облучения тяжелыми ионами.

Рисунок 5. Зависимость оптической плотности ЛСК от флюенса тяжёлых ионов.

Таким образом, при исследовании воздействия радиации на параметры полупроводников для построения дозовой зависимости необходимо с большой точностью измерять плотность потока ионов.

Система измерения флюенса

Для измерения флюенса пучка разработана система, состоящая из цилиндра Фарадея и пикоамперметра Keithley 6485. Цилиндр Фарадея – устройство для определения интенсивности пучка частиц. Он представляет собой массивный проводник, толщины которого хватает для полного поглощения частиц пучка. Интенсивность пучка определяется по стекающему заряду. Флюенс рассчитывается по следующей формуле:

где Z – заряд иона, S – площадь мишени, t –время облучения.

Рисунок 6. Пикоамперметр KE 6485.

Основные технические параметры пикоамперметра:

Максимальный диапазон 20 мА;
Разрешение 10 фА – 100нА;
Точность измерения для диапазона 2 нА: 0,4 % + 400 фА;

20 нА: 0,4 % + 1 пА;

нА: 0,2% +10 пА;

Интерфейсы RS-232, GPIB.

Для работы с пикоамперметром была написана программа в среде LabVIEW. Её назначение – измерение и контроль тока и флюенса пучка. Основные возможности программы:

Отображение текущего значения тока и флюенса;
отображение графика изменения тока во времени;
отображение времени, необходимого для набора заданного флюенса при текущей интенсивности;
сохранение текущих значений тока и флюенса в файл с заданным интервалом времени;
сохранение графика тока от времени в картинку

Рисунок 7. Интерфейс программы.

Упрощённый алгоритм работы:

Старт. Пользователь вводит параметры Z и S, необходимое значение флюенса. В случае необходимости пользователь может изменить настройки прибора, настроить внешний вид графика, периодичность сохранения данных.
После нажатия кнопки «старт» устанавливается соединение с пикоамперметром, задаётся режим работы.
Измерение тока, вывод значение на экран, построение графика, расчёт интенсивности.
Прибавка текущей интенсивности, умноженной на время, прошедшее с прошлого измерения, к интегральному значению флюенса .
Сохранить данные в файл.
Рассчитать время, необходимое для набора заданного значения флюенса при текущей интенсивности.
Перейти к пункту 2.

Программа позволяет задавать параметры Z и S, изменять параметры соединения с амперметром, изменять диапазон и параметры измерения тока, изменять параметры отображения графика интенсивности, сохранять график в картинку, изменять частоту сохранения данных.

Заключение

Приведенное выше техническое решение на базе пикоамперметра KE6485 и программной части внедрено на циклотроне ИЦ-100, было протестировано в разных режимах работы и показало достаточную точность при контроле плотности потока ионов аргона, криптона и ксенона с энергией 1,2 МэВ/нуклон. В настоящее время это оборудование используется в экспериментах по исследованию радиационной стойкости полимерных и полупроводниковых материалов.

Список литературы

Гикал Б. Н. и др. Ускорительный комплекс ИЦ-100 для проведения научно-прокладных исследований. Письма в ЭЧАЯ, 2008, Т. 5, №1(143).
Акиншин А. И. Космическое материаловедение. М.: КДУ, 2007.
P. P. Gladyshev et al. Thin film solar cells based on CdTe and Cu(In,Ga)Se₂ (CIGS) compounds // J. Phys.: Conf. Ser. 291, 2011.
Новиков С. Л. Радиационные воздействия на материалы космических аппаратов. М.: Университетская книга, 2010.