ТРИНИТИ разрабатывает алмазные детекторы для самого мощного токамака на планете

Термоядерная реакция слияния ядер изотопов водорода – дейтерия и трития – позволила бы обеспечить человечество практически неисчерпаемой энергией. Однако для этого необходимо создать управляемый термоядерный реактор и, соответственно, приборы, способные регистрировать ядерные излучения и высокоэнергетичные частицы и тем самым обеспечивать управление реакторами. О работе, которую ведут в этом направлении российские ученые в Троицком институте инновационных и термоядерных исследований, рассказывает электронное издание «Наука и технологии России».

Группа ученых Троицкого «Центра алмазной радиационно-стойкой наноэлектроники и инноваций» (НОЦ «ЦАРСНИ»), который был создан в 2009 году при Троицком институте инновационных и термоядерных исследований (ТРИНИТИ), разрабатывает детекторы ионизирующих излучений различных типов на основе монокристаллического алмазного материала. Исследования ведутся в рамках проекта, поддержанного ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014–2020 годы». Руководит проектом доктор физико-математических наук Николай Родионов.

Алмаз предпочтительнее кремния

По словам ученого, традиционные полупроводниковые материалы, такие как кремний, германий, галлий, обладают рядом недостатков: они уязвимы для радиации и тепловых нагрузок. Алмаз, который используется для изготовления чувствительных элементов детекторов и фотопреобразователей, выдерживает химическое воздействие и большие температуры (в диапазоне 100 – 2000С).

Для создания детекторов используются искусственно выращенные монокристаллы небольших размеров с низким содержанием примесей: требуемые свойства редко встречаются у природных камней.

Алмазные детекторы - для самого мощного токамака на планете

Группа работает в рамках международного проекта по термоядерному синтезу. «В настоящее время одна из основных задач коллектива – это разработка и изготовление алмазных детекторов для нейтронной диагностики вертикальной нейтронной камеры (ВНК) и анализатора нейтральных частиц ИТЭР», – сообщил  Николай Родионов.

Нейтронная диагностика – одна из ключевых в термоядерном реакторе. Алмазные детекторы будут использоваться для исследования физики термоядерного горения и измерения термоядерной мощности, а также контроля воздействия термоядерных нейтронов на материалы реактора.
При этом, нейтронные детекторы должны выдерживать длительные радиационные нагрузки, высокие температуры, воздействия сильных магнитных полей и электромагнитных помех.

«Мы научились делать такие детекторы», – сказал Николай Родионов. «И это будет наш высокотехнологичный вклад в создание самого мощного токамака на планете».

Алмазные детекторы способны не только регистрировать радиоактивное излучение на атомных станциях и термоядерных реакторах, но и функционировать в составе приборов контроля космического излучения для транспортных космических систем с длительным сроком функционирования. Кроме того, радиационо-поглощающая способность алмаза эквивалентна ткани человека, поэтому алмазный кристалл можно использовать для радиационной дозиметрии и в медицинской томографии.

Этапы создания алмазных детекторов

«Что такое детектор или фотопреобразователь? Это алмазная пластина с нанесенными на нее контактами, которые в свою очередь подсоединены к регистрирующей аппаратуре, – объяснил Николай Родионов. – При прохождении частицы или кванта излучения через детектор и их взаимодействии с кристаллом алмаза в чувствительном элементе рождаются заряженные частицы, которые могут быть зарегистрированы».

Для изготовления оснастки, необходимой для монтажа детекторов, ученые применяют технологический комплекс лазерной обработки кристаллов DIAMAX.
Изготовление детекторов начинается с обработки алмаза. Для устранения дефектов кристалла алмазная пластинка помещается в высокотемпературную вакуумную печь и отжигается при 18000С. Затем в ходе химической обработки производится очистка поверхности от различных примесей. После этого поверхность кристаллов оксидируется в высоковакуумной установке ионной чистки.

После этого на обработанную пластину наносятся металлические контакты, которые должны прочно сцепляться с поверхностью пластины, оставаться работоспособными при высоких температурах и иметь отличные электрические характеристики.
Контакты на пластинки напыляют, то есть, наносят на кристаллы тончайшие, в три десятка нанометров, слои металла, при помощи вакуумных напылительных установок. В Центре имеется несколько таких аппаратов, каждый из которых предназначен для нанесения только одного из металлов: алюминия, золота или титана. На этом же этапе происходит приварка тоководов, соединяющих детектор с электронным блоком обработки сигнала детектора.

Проверка структуры детектора на различных технологических этапах изготовления проводится на аналитическом участке, где основными приборами являются сканирующий электронный микроскоп и атомный силовой микроскоп.

Требования к технологиям ужесточаются

Пока проект находится на стадии исследований, и предстоит провести еще много работы перед тем, как детекторы пойдут в серийное производство.

«Пока наши детекторы нас устраивают, но для ряда приложений требования к технологии изготовления ужесточаются. Нам понадобятся помещения еще более повышенной стерильности, мы должны будем проводить более тщательную подготовку поверхности кристалла перед напылением контактов. Все это заложено в лабораторном технологическом комплексе, поэтому мы в ближайшее время начнем работу в этом направлении».

Одним из конечных результатов работы по контракту ФЦП будет создание приборов, предназначенных для выявления аварийных ситуаций на радиационно-опасных объектах, в том числе атомных станциях, контроля за ходом их развития и ликвидации как в условиях нормальной эксплуатации, так и при авариях всех типов.