Алмазное качество

Николай Борисович, расскажите, пожалуйста, о том, что представляет собой алмазный детектор и в чем его преимущества перед другими детекторами ионизирующих излучений?

Алмазный детектор регистрирует все виды излучения (альфа-, бета-, гамма-­частицы) и обладает высокой радиационной стойкостью, которая, например, на два порядка превышает радиационную стойкость кремния. Кроме того, алмаз может работать при высокой температуре (более 300 °С), у этого материала очень высокая теплопроводность (выше, чем у меди), он химически инертен. Алмаз обладает замечательными электронными свой­ствами: в отсутствие радиации является диэлектриком и имеет очень большое сопротивление, а будучи помещен в поле радиационного излучения, становится хорошим проводником. Все эти качества очень важны для создания детекторов ионизирующих излучений.

Чувствительный элемент такого детектора представляет собой пластину из алмаза размерами 5×5 мм² и толщиной 500 микрон (это типичный размер пластины, но используются и другие: 4×4 мм²; 3×3 мм², с разными толщинами от 300 до 500 микрон). На большие плоские грани пластины с двух сторон наносятся металлические контакты из таких материалов, как золото, платина, титан, алюминий, толщиной 30−35 нм (слой приблизительно в 2 тыс. раз тоньше человеческого волоса). К контактам привариваются тоководы диаметром около 25 микрон (вдвое тоньше, чем человеческий волос). Далее чувствительный элемент монтируется в корпус, и детектор готов. Он подсоединяется к электронному модулю, усиливающему и обрабатывающему сигнал детектора.

В процессе измерений ионизирующих излучений к алмазному чувствительному элементу прикладывается напряжение (от нескольких десятков до нескольких сотен вольт, в зависимости от толщины алмазного монокристалла), которое создает в кристалле электрическое поле. При взаимодействии ионизирующей частицы с алмазным чувствительным элементом возникают носители заряда: дырки и электроны. Под действием электрического поля заряженные частицы двигаются к контактам, и в детекторе генерируется электрический импульс, а электронная аппаратура, подсоединенная к нему, сообщает о том, что детектор зарегистрировал частицу (нейтрон, протон, альфа-­частицу, квант). Важное преимущество алмазного детектора — возможность не только регистрации частиц, но и измерения их энергии (спектра).

Для чего такие детекторы будут нужны в ИТЭР?

Одна из ключевых диагностик термоядерного реактора — нейтронная. Ее задачи: контроль термоядерной мощности и измерение флюенса на первой стенке, определение температуры плазмы и профиля нейтронного источника. В состав нейтронной диагностики ИТЭР входят радиальная и вертикальная нейтронные камеры, диверторный монитор нейтронного потока, нейтронная активационная система, нейтронные спектрометры.

Россия изготавливает для проекта ИТЭР алмазные детекторы для вертикальной нейтронной камеры. Эта камера предназначена для измерения плотности нейтронного потока в полоидальном сечении плазмы токамака с заданным временным разрешением, а также для восстановления профиля нейтронного источника. Она имеет в своем составе систему из 11 коллиматоров, направленных на плазму — в различные сечения плазменного шнура. В конце каждого коллиматора находятся две камеры деления и два алмазных детектора, разной чувствительности к нейтронам, позволяющих выполнять измерения в широком диапазоне плотности нейтронов.



Если алмазные детекторы расположены в непосредственной близости к плазме, к ним должны применяться очень высокие технические требования?

Совершенно верно. В местах установки детекторов плотность нейтронных потоков может достигать 10¹⁰-10¹¹ н/(см²с), рабочая температура — 150 °C, технологический прогрев — до 250 °C, магнитное поле — 1,5 Тл.

Поэтому при работе термоядерного реактора элементы диагностики, в частности нейтронные детекторы, должны выдерживать длительные радиационные нагрузки, надежно работать в условиях высоких температур, сильных магнитных полей и электромагнитных помех. Эти условия и определили использование именно алмазных детекторов.

На какой стадии сейчас находится производство алмазных детекторов для проекта ИТЭР?

По договору Россия должна поставить около 100 детекторов. Поставки будут проходить в два этапа. Ориентировочные сроки: в 2024 году верхняя вертикальная камера с алмазными детекторами будет отправлена в Южную Корею, где установят дополнительные диагностические системы; в 2026 году нижняя вертикальная камера с детекторами отправится непосредственно на площадку ИTЭР.

Почему алмазные детекторы для ИТЭР было решено производить именно на вашем предприятии?

Работы по изготовлению и испытанию алмазных детекторов в АО «ГНЦ РФ ТРИНИТИ» велись еще с прошлого века. Исторически комплекс «Алмазный детектор» был создан совместно двумя организациями: частным учреждением «ИТЭР-Центр» и АО «ГНЦ РФ ТРИНИТИ». В 2015 году у ЧУ «ИТЭР-Центр» появилась собственная территория рядом с АО «ГНЦ РФ ТРИНИТИ», наша лаборатория переехала сюда и получила дальнейшее развитие. Сейчас на площадке налажен полный цикл разработки, изготовления и испытания алмазных детекторов, включая синтез алмазных монокристаллов.

Опишите, пожалуйста, процесс синтеза алмазов.

Сначала необходимо специальным образом подготовить алмазные подложки для выращивания кристаллов: провести механическую обработку (шлифовку и полировку), термическую подготовку (отжиг), химическую обработку и очистку поверхности. Далее подложки помещаются в установку для синтеза алмазных кристаллов. Таких установок у нас три: две — российского производства (ARDIS‑300, г. Троицк), одна — французского (Plassys SSDR150). ARDIS‑300 — плазмохимический реактор нового поколения, геометрия его камеры позволяет поддерживать стабильную плазму в широком диапазоне ростовых параметров. Установка автоматизирована, в ней можно поддерживать заданный ростовой режим десятки и даже сотни часов непрерывно. Она снабжена 4‑канальной газовой системой, позволяющей использовать сложные многокомпонентные смеси. Реактор оснащен аппаратурой для измерения температуры, давления, расхода и других параметров. Установка Plassys SSDR150 — тоже одна из последних модификаций.

Как образуется алмаз? В вакуумной камере зажигается СВЧ-разряд, по газовым каналам в нее поступают газообразные потоки метана и водорода. На установленной алмазной подложке в реакторе синтезируется алмазный монокристалл; этот процесс может занимать от пяти до нескольких сотен часов.

Когда синтез завершен, подложка отрезается от кристалла с помощью специального лазера. Работа это ювелирная: ширина реза — приблизительно 140 микрон. После этого кристалл шлифуется, отжигается, обрабатывается кислотами. На измерительном стенде измеряются его параметры: содержание азота, бора, дефекты структуры, дислокации и т. д.

Далее из кристалла изготавливается детектор, проводятся его испытания (в том числе на нейтронном генераторе и радиоактивных источниках). Если все параметры в норме, детектор можно считать готовым. В среднем изготовление одного детектора для ИТЭР занимает от 2 до 14 суток, в зависимости от того, какой толщины необходим монокристалл.

Почему нельзя использовать природный алмаз?

Потому что параметры алмазных монокристаллов должны быть идентичными. Чтобы найти кристалл, пригодный для детекторов, придется перебрать сотни природных алмазов. При синтезе же гарантированно получается кристалл с нужными и повторяющимися характеристиками. Следует также отметить, что в последнее время качество синтетических кристаллов, с точки зрения регистрации ионизирующих излучений, превышает качество природных. Например, одна из важнейших характеристик для нас — эффективность сбора зарядов. Необходимо, чтобы все носители заряда — электроны и дырки, возникшие в глубине кристалла, — без потерь доходили до контактов. Если материал не очень качественный, некоторые заряды теряют энергию по пути к контактам, в результате страдает качество измерения прибора. Поэтому только кристаллы с очень хорошей эффективностью сбора зарядов могут использоваться для детектирования ионизирующих излучений. В наших детекторах эта характеристика — более 90% для нейтронов и более 93% — для альфа-­частиц. Это хорошие показатели.

Помимо ИТЭР, где еще могут использоваться такие устройства?

Например, в медицине. Мы разработали опытный образец измерительного тракта с алмазным детектором для лучевой терапии 14 МэВ нейтронов. Уже проведены испытания нашего тракта в МРНЦ им. А. Ф. Цыба — филиале ФГБУ «НМИЦ радиологии» Минздрава России.

При лучевой терапии важно обеспечить облучение больных тканей ионизирующим излучением (в данном случае нейтронами) с заданной дозой и ограничить облучение здоровых тканей. Алмазный детектор имеет небольшой размер и гармонично встраивается в систему. Он измеряет спектр излучения нейтронного поля, облучающего опухоль, и позволяет определить его пространственное распределение в области облучения.

Кроме того, на основе алмазного детектора мы разработали времяпролетный спектрометр для установки лазерного термоядерного синтеза, которая сооружается в Сарове. В этой установке мишень размером около 1 мм, внутри которой находятся дейтерий и тритий, облучается мощными лазерными пучками; в результате возникает термоядерная вспышка. Вылетающие из горячей мишени продукты имеют разную скорость: самые быстрые — это гамма фотоны и электромагнитное излучение, у нейтронов разных энергий (14 МэВ, 2,5 МэВ) и альфа-частиц скорости значительно меньше и разные. Алмазный времяпролетный спектрометр находится примерно в 10 метрах от термоядерной мишени и последовательно регистрирует все виды излучения, осуществляя таким образом времяпролетную спектрометрию. По времени прихода импульса вылетевших из мишени продуктов можно определить их энергию, а по ширине импульса — температуру.

Алмаз в этом приборе будет синтезирован по той же технологии, что и для ИТЭР. Отличия только в электронике и размерах алмазного кристалла.

Также детектор, подобный тому, который мы изготавливаем для ИТЭР, будет востребован на токамаке с реакторными технологиями (ТРТ), который построят в АО «ГНЦ РФ ТРИНИТИ», для измерения основных характеристик частиц плазмы.

Кроме того, на основе синтезированных алмазов можно изготавливать «ядерные батарейки». В основе такой батарейки — алмаз-­диэлектрик, выращенный на борированной подложке, и радиоактивный элемент — например, ⁶³Ni. Такие батарейки могут работать десятки лет. Они нужны там, где не требуется большая мощность, но необходима работоспособность на очень длительных промежутках времени, — например, в космических аппаратах.