CC BY
37
УДК 538.915
ИССЛЕДОВАНИЕ РАДИАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ ВИДИКОНА ЦНИИ «ЭЛЕКТРОН»
В.А.Абрамовский
INVESTIGATION OF RADIATION RESISTANCE OF THE VIDICON BY JSC NRI «ELECTRON»
V.A.Abramovskii
Институт электронных и информационных систем НовГУ, Victor.Abramovsky@ novsu.ru
Рассмотрены вопросы радиационной стойкости мишеней многослойных видиконов при различных энергиях налетающих гамма-квантов. Определены энергии и дозы, выделяемые в каждом слое мишени видикона. Оценено время жизни каждого из слоев мишени.
Ключевые слова: видикон, радиационная стойкость, доза, гамма-излучение
The problems of radiation resistance of multilayer vidicons targets at different energies of incident gamma rays are considered. The energies and doses allocated to each layer of the vidicon target are defined. The lifetime of each target layer is estimated. Keywords: vidicon, radiation resistance, dose, gamma radiation
Введение. Обзор радиационно стойких видиконов
Телевизионная техника промышленного телевидения, предназначенная для работы на ядерных энергетических установках, в основном использует в качестве передающих элементов видиконы. Это связано с тем, что передающие устройства на ПЗС-матрицах пока уступают видиконам в радиационной стойкости.
Телевизионные системы контроля и наблюдения в ядерной технике обладают радиационной стойкостью 106 Р/час интегральной дозой 108 Рад [1]. Основой этих систем является видикон с мишенью на основе Sb2S3, трехсернистой сурьмы (стибни-та).Однако, как отмечается в литературе [2], мишень Sb2S3 обладает следующими недостатками:
— низкая световая чувствительность;
— высокая инерционность;
— зависимость чувствительности, темнового тока и его равномерности от температуры;
— спектральная характеристика не согласована со спектром источника света (максимум характеристики на X = 550 нм).
Мишень Sb2S3 не пригодна для работы телевизионных камер в водных технологических растворах на ядерных энергетических установках, в которых трудно реализовать высокую интенсивность источника света из-за сильного рассеивания света в воде в диапазоне длин волн 400-500 нм.
В патенте [2] обсуждаются мишени видикона, содержащие подложку, проводящий слой, фоточувствительный слой на основе селенида кадмия CdSe и резистивный слой. Такие мишени обладают высокой световой чувствительностью, низкой инерционностью и хорошо согласованной с источником света спектральной характеристикой. Однако эти мишени на основе CdSe обладают низким отношением сигнал/шум при работе в полях ионизирующего излучения, а также при работе в полях ионизирующего излучения в условиях повышенной температуры окружающей среды. Уменьшение отношения сигнал/шум приводит к уменьшению разрешающей способности, контраста изображения и в конечном результате к снижению достоверности телевизионного осмотра и контроля.
В [2] заявляется усовершенствованная модель мишени видикона на основе CdSe с двумя резистив-ными слоями. Первый слой — на основе AsSbS3, второй слой — на основе As2Se3, примыкающий к первому. Утверждается, что такая конструкция мишени видикона повышает глубину модуляции на 20-25% в условиях повышенной температуры окружающей среды. Также утверждается, что темновой ток таких мишеней и остальные параметры не изменяются после облучения дозой 108 Рад гамма-источником 60Со в условиях повышенной температуры окружающей среды.
На рисунке показана структура этой мишени. Мишень видикона содержит:
— подложку (1) из стекла марки К208 или кварца SiO2 толщиной 2 мм;
— проводящий слой (2) 1п203 толщиной 0,02
мкм;
— фоточувствительный слой (3,4) CdSe толщиной 0,24-0,48 мкм;
— резистивный слой (5) AsSbS3 толщиной 0,04-0,1 мкм;
— резистивный слой (6) As2Se3 толщиной 0,61,5 мкм.
(Для видикона патента [2] слои 3 и 4 объединены, т.е. должны рассматриваться вместе.)
Однако всем известным мишеням на основе селенида кадмия (CdSe) присущ один и тот же недостаток — наличие белых пятен (белых точечных дефектов) на изображении и большие сложности, связанные с изготовлением мишеней без белых пятен на изображении. В патенте [3] видикона ЦНИИ «Электрон» сделана попытка убрать эти дефекты.
Мишени на основе селенида кадмия относятся по физической модели к фотопроводящим мишеням с запорными контактами. Фоточувствительный слой на основе селенида кадмия имеет п-тип проводимости. При рабочих напряжениях в таких мишенях возможно ухудшение запорного контакта на границе фото-проводящего слоя и прозрачного проводящего слоя, обусловленное наличием локальных дефектов на подложке и прозрачном проводящем слое. Это приводит к локальному росту темнового тока мишеней и, тем самым, к появлению белых пятен на изображении. Это существенно снижает процент выхода види-
конов с высокими требованиями к качеству фона изображения.
Для достижения технического результата на мишени видикона, включающей подложку (1), последовательно расположенные на ней прозрачный проводящий слой (2), фоточувствительный слой на основе селенида кадмия (4) и резистивный слой (5), между проводящим слоем и фоточувствительным слоем на основе селенида кадмия вводится дополнительная прослойка (3) на основе селенида кадмия п+-типа проводимости толщиной 0,1^0,2 мкм
электронный луч
I
1
I
сеет
Модель мишени видикона патента [2] и видикона ЦНИИ «Электрон». Для первого случая слои (3) и(4) объединены, рассматриваются как единый слой
Экспериментально установлено, что введение дополнительной прослойки на основе CdSe п+-типа проводимости толщиной 0,1-0,2 мкм дает эффект
улучшения качества фона изображения при сохранении основных фотоэлектрических параметров мишени видикона. Такая дополнительная прослойка ослабляет электрическое поле на границе с прозрачным проводящим слоем, в результате чего возникновение белых точечных дефектов на изображении значительно уменьшается или полностью устраняется.
Моделирование радиационной стойкости видикона ЦНИИ «Электрон»
В этом разделе мы приведем энергии, выделившиеся в каждом из слоев видикона ЦНИИ «Электрон» при облучении фотонами разных энергий. Эти энергии (и связанные с ними радиационные дозы) вычислялись с использованием программы GEANT-4 [4], успешно применяемой при расчете экспериментов на большом адроном коллайдере. Визуальная модель для расчета представляет собой прямоугольный параллелепипед с основанием 1 см2 и слоями, размеры которых приведены на рисунке. В каждом слое задавалось число атомов элементов ф, О, 1п, С4 Se, As, Sb, S) в 1 см3. В программе заложены сечения рассеяния и поглощения фотонов при заданных энергиях, учитываются перерассеяния фотонов и число фотонов, покидающих объем. Поток фотонов был направлен перпендикулярно основанию объема (1) (на рисунке со стороны падающего света). Число падающих фотонов выбиралось равным 108. Этого числа было достаточно, чтобы исключить все флуктуации.
Образец облучался фотонами с энергиями E1 = 100 КэВ, E2 = 122,06 КэВ, E3 = 800 КэВ, E4 = 1173,2 КэВ и E5 =1332,5 КэВ. Выбор этих значений энергий обусловлен следующими соображениями. Энергия E-i характерна для энергетического спектра реакторов, при которой становятся заметными радиационные повреждения полупроводников. Энергия E2 — это энергия источника 57Со, E3 — средняя энергия фотонов в реакторе. Энергии E4 и E5 соответствуют энергиям источника фотонов 60Со.
Таблица 1
№ слоя Масса объема, в г Энергия в МэВ, поглощенная в объеме при падающих энергиях Ei
El E2 Eз E4 E5
1 0,53 1,8105 1,9105 1,1106 1,27106 1,3 106
2 1,44 10-5 54,4 32,8 23,1 31,8 34,6
3 5,8110-5 167,9 98,0 77,3 104,8 117,4
4 1,3910-4 398,9 243,8 175,5 242,8 265,5
5 3,9810-6 111,9 66,5 54,3 73,1 82,1
6 7,12 10-5 776,9 486,7 775,0 1,1 103 1,25 103
Таблица 2
№ слоя Доза в microGy, полученная объемом п )и падающих энергиях Ei
El E2 Eз E4 E5
1 54,5 + - 0,3 57,4 + - 0,3 324,6 +- 0,2 385,4 +- 0,3 397,1 +- 0,3
2 605,5 +-12,9 364,8 + -9,7 257,6 +- 4,5 354,1 +- 6,9 385,2 +- 7,4
3 462,9 + -5,4 270,2 + -4,0 213,2 +- 4,0 289,1 +- 3,2 323,8 +- 3,7
4 458,4 + - 3,6 280,1 + -2,7 280,1 +- 2,7 279,0 +- 2,2 305,0 +- 2,3
5 450,5 + -0,6 267,9 + -4,9 267,9 +- 5,0 294,3 +- 3,9 №30,8 +-4.2
6 174,7 + -0,8 109,5 + - 0,6 109,5 +- 0,6 248,0 +- 1,0 280,9 +- 1,2
Размеры слоев выбирались следующими:
1 слой SiO2 — 2мм;
2 слой In2O3 — 0,02 мкм;
3 слой CdSe с n+ проводимостью — 0,1 мкм;
4 слой CdSe — 0,24 мкм;
5 слой AsSbS3 — 0,1 мкм;
6 слой As2 Se3 — 1,5 мкм.
Результаты моделирования приведены в табл.1.
Соответственно дозы, полученные объемами, приведены в табл.2.
В [2] заявлено, что видикон, описанный в этом патенте, выдерживает интегральную дозу гамма- излучения от источника 60Co, равную 2 108 Рад (Si) без изменения темнового тока и остальных параметров.
Экспериментальное значение плотности потока фотонов для реактора РБМК-1000 составляет F = 41013 с-1см-2 [5]. Этот поток падает на площадку со всей сферы. Поэтому плотность потока с одного направления будет составлять Fst = F/4 п = =47,958 с-1см-2 стер-1. Полученные нами значения энергий и доз соответствуют плотности потока FM =108 с-1 см2 стер1. Основной вклад в энергетический спектр РБМК-1000 дают фотоны с энергией до 2 МэВ. Для оценки мы выберем плотность потока в 40 раз меньше экспериментального значения, Fest = 7,958 1010 с1 см 2 стер1. Для такой плотности потока данные в табл. 1 и 2 нужно умножить на 795,8.
При облучении источником 60Co образец облучается только с одного направления. В реакторе облучение идет со всей сферы. Поэтому для корректного сравнения дозу 2 108 Рад (Si) нужно разделить на 4 п, т.е. интегральное значение дозы будет 1,59 107 Рад (Si) стер-1. Доза в 1 Рад (Si) соответствует энергии, выделенной в 1 см3 кремния, которая равна 1,45 108 МэВ см-3. Учитывая толщину каждого слоя, выбранного нами для моделирования, мы получим предельную энергию в каждом из объёмов, соответствующую предельной дозе 2 108 Рад (Si).
В табл.3 приведены следующие величины:
— Eest — значение энергии в каждом объеме, полученное для плотности потока Fest при энергии налетающего гамма-кванта 1332,5 МэВ, в МэВ с-1стер-1;
— Elim — предельное значение энергии в каждом объеме для дозы 2 108 Рад (Si) в Мэв стер-1;
— T — время, необходимое для того, чтобы слой набрал предельную энергию, в сек.
Таблица 3
№ слоя Eesb МэВ с-1 стер-1 Мэв стер-1 T, сек
1 1,05 109 4,6 1014 4,4 105
2 2,75 104 4,6 109 1,67 105
3 9,34 104 2,3 1010 2,46 105
4 2,11 105 5,5 1010 2,6 105
5 6,54 104 2,3 1010 3,5 105
6 9,95 105 3,46 1011 3,5 105
Как видно из табл.3, предельная доза видиконом будет набрана за время порядка 105 секунд. Если учесть, что в году п 107секунд, то время существования видикона внутри реактора составляет несколько суток.
Выводы
Оценка, приведенная нами, достаточно грубая. Во-первых, и это самое главное, мы не оценивали влияния потоков нейтронов в реакторах. Программа GEANT-4 позволяет это сделать. Во-вторых, мы не учитывали радиационную стойкость элементов материала видикона. В частности, очень важно исследовать радиационную стойкость CdSe с п+ проводимостью. Мы считаем, что необходимы дальнейшие исследования этой проблемы.
1. Иванов В.П. и др. Телевизионные системы контроля и наблюдения в ядерной технике // Атомная энергия. 1982. Т.52. Вып. 1. С.67-69.
2. Патент №2145454. Мишень видикона / А.А.Никитин, М.Е.Федосовский, И.И.Ятлинко. H01J29/45, H01J31/38. Заявл. 14.04.1998. Опубл. 10.02.2000.
3. Патент №2273074. Мишень видикона / Н.Б.Захарова, О.А.Тимофеев, И.И.Ятлинко. H01J29/45, H01J31/38. Заявл. 20.07.2004. Опубл. 27.03.2006.
4. URL: 4.http://geant4.cern.ch
5. Беденко С.В.и др. Оценка действующего значения потока гамма-излучения в яденых реакторах с графитовым замедлителем // Известия Томского политехн. ун-та. 2010. Т.316. №2. С.72-75.
References
1. Ivanov V.P. et al. Televizionnye sistemy kontrolia i nabliud-eniia v iadernoi tekhnike [Television systems for monitoring and control in nuclear engineering]. Atomnaia energiia -Atomic Energy, 1982, vol. 52, no. 1, pp. 67-69.
2. Nikitin A.A., Fedosovskii M.E., Iatlinko I.I. Mishen' vidik-ona [Vidicon target]. Patent RF, no. 2145454, H01J29/45, H01J31/38, 2000.
3. Zakharova N.B., Timofeev O.A., Iatlinko I.I. Mishen' vidik-ona [Vidicon target]. Patent RF, no. 2273074, H01J29/45, H01J31/38, 2006.
4. Available at: http://geant4.cern.ch
5. Bedenko S.V. et al. Otsenka deistvuiushchego znacheniia potoka
gamma-izlucheniia v iadernykh reaktorakh s grafitovym zam-
edlitelem [Estimation of the effective value of gamma radiation in nuclear reactors with graphite delay element]. Izvestiia Tom-skogo politekhnicheskogo universiteta - Bulletin of the Tomsk Polytechnic University, 2010, vol. 316, no. 2, pp. 72-75.
