Epitaksjalne detektory krzemowe

Andrzej Kordyasz
kordyasz@nov.slcj.uw.edu.pl1. W ŚLCJ, we współpracy z ITME, wykonano filtr krotności cząstek naładowanych. Filtr składa się z 30 cienkich (100 μm) detektorów epitaksjalnych na grubej podkładce krzemowej i ma kształt kuli o średnicy 5 cm [1] (Rys.1). Kula krzemowa przeszła testy w GSI Darmstadt i była stosowana w eksperymentach na wiązce Warszawskiego Cyklotronu do badań stanów o wysokim spinie w spektroskopii gamma w układzie OSIRIS.

Rysunek 1. Kula krzemowa.

2. Wykonano cienkie (65 μm) epitaksjalne detektory na grubej podkładce krzemowej o bardzo dużej powierzchni (64 cm²), z wbudowanym polem elektrycznym. Przy użyciu tych detektorów zbudowano stanowisko służące do:

pomiaru koncentracji radonu w wodach środowiska naturalnego [2],
pomiaru wydzielania radonu z minerałów naturalnych, zywnosci i materiałów budowlanych [2],
oznaczania koncentracji ²²⁴Ra i ²²⁶Ra w wodach środowiska naturalnego [3],
pomiaru radioaktywności promieniotworczych aerozoli środowiska naturalnego i pomiaru alfapromieniotwórczych skażeń powierzchniowych.

Układ ten wykorzystano w dydaktyce z zakresu fizyki jądrowej.

3. Opracowano nowy proces technologiczny służący do wytwarzania cienkich, transmisyjnych, pasywowanych detektorow paskowych, nazwany PPPP (Planar Process Partially Performed on the Thin, Silicon Membrane) [4,5] i wykonano urządzenie do trawienia anodowego potrzebne do jego zastosowania. Wg tej technologii zbudowano cienki, pasywowany, transmisyjny detektor paskowy (Rys.2), który w ramach przeprowadzonego testu rozróżniał lekkie, naładowane cząstki p,d, t, α z reakcji ⁹B(p,X) oraz He, Li, Be, B z reakcji ⁹B(14N,X) (Rys.3). Wykonano także i przebadano bardzo cienkie (1.3, 2.5, 3.2, 4.3 μm) detektory transmisyjne.

Rysunek 2. Detektor paskowy

Rysunek 3. Mapa E-ΔE otrzymana po naświeltaniu czastkami alfa i jonami Li, Be i B teleskopu E-Δ E z detektorem ΔE o grubości 52 μm i umieszczonym za nim detektorem E o grubości 100 μm.

4. Opracowano nowy proces technologiczny o nazwie Kwazi-Selektywna Epitaksja (w oparciu o znany proces selektywnej epitaksji) służący do wytwarzania monolitycznych teleskopów typu E-ΔE [6]. Wg tego procesu wykonano:

monolityczny teleskop E-ΔE z detektorem transmisyjnym ΔE o grubości 20 μm, który rozdzielił hiperbole E-ΔE nastepujących nuklidów: He, Li, Be, B, C, N, O, F, Ne (Rys.4a)
monolityczny teleskop E-ΔE z detektorem transmisyjnym ΔE o grubości 4 μm, służący do rejestracji fragmentów rozszczepienia (Rys. 4b).

Rysunek. 4. a) Mapa E-ΔE otrzymana po naświeltaniu monolitycznego teleskopu E-Δ E z detektorem ΔE o grubości 20 μm ciężkimi jonami. b) Mapa E-ΔE otrzymana po naświetlaniu monolitycznego teleskopu E-Δ E z detektorem ΔE o grubości 4 μm fragmentami rozszczepienia i cząstkami alfa z ²⁵²Cf.

5. Zbudowano epitaksjalny, planarny detektor mozaikowy do zastosowania w fizyce wzbudzeń kulombowskich. W jego skład wchodzi 35 niezależnych detektorów mających wspólną masę wykonanych na płytce krzemowej o trzycalowej średnicy.

Bibliografia

[1] The 4 π epitaxial Si detectors array for in-beam spectroscopy experiments A. Kordyasz et al., Nucl. Instr. and Meth A 390 (1997) 198
[2] Measurements of radon activity in water and radon emanation from solids, A.J. Kordyasz et al., Proccedings of the European Conference on Advances in Nuclear Physics and Related Areas, Tessaloniki, Grece 8-12 July (1997) 878
[3] Simultaneous Determination of ²²⁴Ra and ²²⁶Ra Isotopes by Measuring of Emanated ²²⁰Rn and 222Rn Using a 4-Inch Silicon Epitaxial Detector A.J. Kordyasz, B. Bartos, A. Bilewicz, Chem. Anal. (Warsaw) 49 (2004) 29
[4] Silicon passivated thin ΔE strip detectors produced using the PPPP process A.J. Kordyasz et al., Nucl. Instr. and Meth. Reg. No.: KNO 4 544 (in print)
[5] Silicon passivated thin ΔE strip detectors produced using the PPPP process A. Kordyasz et al., Warsaw University Heavy Ion Laboratory Annual Report (2003) 37
[6] Monolithic silicon E-ΔE telescope produced by the Quasi-Selective Epitaxy A.J. Kordyasz et al., Nucl. Instr. and Meth. A 528 (2004) 721