Научная статья на тему 'РАСЧЕТ ЭТАПОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ППД-ДЕТЕКТОРОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОМПЬЮТЕРНОГО МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И ИЗГОТОВЛЕНИЕ АЛЬФА РАДИОМЕТРА НА ИХ ОСНОВЕ'

РАСЧЕТ ЭТАПОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ППД-ДЕТЕКТОРОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОМПЬЮТЕРНОГО МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И ИЗГОТОВЛЕНИЕ АЛЬФА РАДИОМЕТРА НА ИХ ОСНОВЕ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
41
10
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
КРЕМНИЙ / ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДЕТЕКТОРЫ / КОМПЬЮТЕРНОЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ / РАДИОМЕТР / АЛЬФА-ИЗЛУЧЕНИЕ / УСИЛИТЕЛЬ / МИКРОСХЕМА / ТРАНЗИСТОР / ЗАРЯДОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ / МИКРОКОНТРОЛЛЕР / SILICON / SEMICONDUCTOR DETECTORS / COMPUTER MATHEMATICAL MODELING / RADIOMETER / ALPHA RADIATION / AMPLIFIER / MICROCIRCUIT / TRANSISTOR / CHARGE-SENSITIVE AMPLIFIER / MICROCONTROLLER

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Раджапов Сали Аширович, Рахимов Рустам Хакимович, Раджапов Бегжан Салиевич, Зуфаров Марс Ахмедович

В статье приводится описание разработанного радиометра для экспрессного измерения альфа излучения радиоактивных элементов на базе кремниевого детектора большого диаметра. Основной элемент ППД-детектора изготовлен с использованием компьютерного математического моделирования всех этапов технологического процесса изготовления детекторов, учитывающих на каждом этапе степень влияния свойств исходного кремния на электрофизические и радиометрические характеристики детектора. Детекторы изготавливаются под определенные типы приборов. Разработанный радиометр предназначен для измерения альфа излучений естественных изотопов (238U, 234U, 232Th, 226Ra, 222Rn, 218Po, 214Bi и т.д.) в различных средах. Также показан принцип работы прибора, приводится структурная схема измерительного комплекса, описаны электронные узлы радиометра, а также блок схемы. Преобразования сигналов (перенос спектра, фильтрация, накопление) реализуется программно на базе модуля цифровой обработки. Прибор позволяет обнаружить наличие конкретных элементов в различных средах, а также защитить людей от вредного воздействия неблагоприятного излучения и может использоваться как в полевых условиях, так и стационарно.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Раджапов Сали Аширович, Рахимов Рустам Хакимович, Раджапов Бегжан Салиевич, Зуфаров Марс Ахмедович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

CALCULATION OF STAGES OF THE TECHNOLOGICAL PROCESS OF MANUFACTURE OF PPD DETECTORS USING COMPUTER MATHEMATICAL MODELING AND PRODUCTION OF ALPHA RADIOMETER ON THEIR BASIS

The article describes the developed radiometer for Express measurement of alpha radiation of radioactive elements based on a large-diameter silicon detector. The main element of the PPD detector is made using computer mathematical modeling of all stages of the technological process of manufacturing detectors, taking into account at each stage the degree of influence of the properties of the initial silicon on the electrophysical and radiometric characteristics of the detector. Detectors are manufactured for certain types of devices. The developed radiometer is designed to measure alpha radiation of natural isotopes (238U, 234U, 232Th, 226Ra, 222Rn, 218Po, 214Bi, etc.) in various environments. It also shows the principle of operation of the device, provides a block diagram of the measuring complex, describes the electronic components of the radiometer, as well as the block diagram. Signal transformations (spectrum transfer, filtering, accumulation) are implemented programmatically on the basis of a digital processing module. The device can detect the presence of specific elements in various environments, as well as protect people from the harmful effects of adverse radiation and can be used both in the field and stationary.

Текст научной работы на тему «РАСЧЕТ ЭТАПОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ППД-ДЕТЕКТОРОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОМПЬЮТЕРНОГО МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И ИЗГОТОВЛЕНИЕ АЛЬФА РАДИОМЕТРА НА ИХ ОСНОВЕ»

DOI: 10.33693/2313-223X-2020-7-2-21-28

Расчет этапов технологического процесса изготовления ППД-детекторов с использованием компьютерного математического моделирования и изготовление альфа радиометра на их основе

С.А. Раджапов3 ©, Р.Х. Рахимовь ©, Б.С. Раджаповс ©, М.А. Зуфаровс| ©

Физико-технический институт НПО «Физика-Солнце» АН РУз, г. Ташкент, Республика Узбекистан

а E-mail: rsafti@mail.ru b E-mail: rustam-shsul@yandex.com с E-mail: rsafti@mail.ru d Е-mail: marsuz@rambler.ru

Аннотация. В статье приводится описание разработанного радиометра для экспрессного измерения альфа излучения радиоактивных элементов на базе кремниевого детектора большого диаметра. Основной элемент ППД-детектора изготовлен с использованием компьютерного математического моделирования всех этапов технологического процесса изготовления детекторов, учитывающих на каждом этапе степень влияния свойств исходного кремния на электрофизические и радиометрические характеристики детектора. Детекторы изготавливаются под определенные типы приборов. Разработанный радиометр предназначен для измерения альфа излучений естественных изотопов (238U, 234U, 232Th, 226Ra, 222Rn, 218Po, 214Bi и т.д.) в различных средах. Также показан принцип работы прибора, приводится структурная схема измерительного комплекса, описаны электронные узлы радиометра, а также блок схемы. Преобразования сигналов (перенос спектра, фильтрация, накопление) реализуется программно на базе модуля цифровой обработки. Прибор позволяет обнаружить наличие конкретных элементов в различных средах, а также защитить людей от вредного воздействия неблагоприятного излучения и может использоваться как в полевых условиях, так и стационарно.

Ключевые слова: кремний, полупроводниковые детекторы, компьютерное математическое моделирование, радиометр, альфа-излучение, усилитель, микросхема, транзистор, зарядочувствительный усилитель, микроконтроллер

Благодарности. Работа выполнена в рамках гранта ФА-Атех-2018-233 прикладных исследовании.

f \ ССЫЛКА НА СТАТЬЮ: Раджапов С.А., Рахимов Р.Х., Раджапов Б.С., Зуфаров М.А. Расчет этапов технологического процесса изготовления ППД-детекторов с использованием компьютерного математического моделирования и изготовление альфа радиометра на их основе // Computational nanotechnology. 2020. Т. 7. № 2. С. 21-28. DOI: 10.33693/2313-223X-2020-7-2-21-28

V J

DOI: 10.33693/2313-223X-2020-7-2-21-28

Calculation of stages of the technological process of manufacture of PPD detectors using computer mathematical modeling and production of alpha radiometer on their basis

S.A. Radzhapova ©, R.Kh. Rakhimovb ©, B.S. Radzhapovc ©, M.A. Zufarovd ©

Physical-technical Institute, SPA «Physics-Sun», Academy of Sciences of the Republic of Uzbekistan, Tashkent, Republic of Uzbekistan

a E-mail: rsafti@mail.ru b E-mail: rustam-shsul@yandex.com c E-mail: rsafti@mail.ru d E-mail: marsuz@rambler.ru

Abstract. The article describes the developed radiometer for Express measurement of alpha radiation of radioactive elements based on a large-diameter silicon detector. The main element of the PPD detector is made using computer mathematical modeling of all stages of the technological process of manufacturing detectors, taking into account at each stage the degree of influence of the properties of the initial silicon on the electrophysical and radiometric characteristics of the detector. Detectors are manufactured for certain types of devices. The developed radiometer is designed to measure alpha radiation of natural isotopes (238U, 234U, 232Th, 226Ra, 222Rn, 218Po, 214Bi, etc.) in various environments. It also shows the principle of operation of the device, provides a block diagram of the measuring complex, describes the electronic components of the radiometer, as well as the block diagram. Signal transformations (spectrum transfer, filtering, accumulation) are implemented programmatically on the basis of a digital processing module. The device can detect the presence of specific elements in various environments, as well as protect people from the harmful effects of adverse radiation and can be used both in the field and stationary.

Keywords: silicon, semiconductor detectors, computer mathematical modeling, radiometer, alpha radiation, amplifier, microcircuit, transistor, charge-sensitive amplifier, microcontroller

Acknowledgements. The research was carried out under the FA-Ateh-2018-233 project.

FOR CITATION: Radzhapov S.A., Rakhimov R.Kh., Radzhapov B.S., Zufarov M.A. Calculation of stages of the technological process of manufacture of PPD detectors using computer mathematical modeling and production of alpha radiometer on their basis. Computationalnanotechnology. 2020. Vol. 7. No. 2. Pp. 21-28. (In Russ.) DOI: 10.33693/2313-223X-2020-7-2-21-28

ВВЕДЕНИЕ

Решение многих проблем современной науки и техники и в первую очередь экспериментальной ядерной физики требует создания новых и усовершенствования уже существующих приборов для регистрации ядерных излучений. Из всех задач спектроскопии ядерного излучения наиболее актуальной является создание специализированных приборов для контроля облучения при работе с радиоактивными изотопами. При работе с радиоактивными изотопами и другими источниками ионизирующей радиации является сведение уровня облучения человека к возможному минимуму. При этом требуются компактные и точные приборы, работающие как в счетном, так и спектрометрическом режимах. Такие приборы разрабатываются с учетом конкретных условий, предполагают оптимальные технологические решения. На предприятиях современным направлением является наиболее полная автоматизация производственных процессов и контроль технологических показателей, внедрение новой

техники, обеспечивающей более высокую производительность труда и позволяющей значительно увеличить наработку продукции на существующих производственных площадях и мощностях. В связи с этим эффективная деятельность любого производства невозможна без исследовательской работы, с использованием приборов новых поколений, позволяющих проводить исследования с высокой точностью, избирательностью и чувствительностью.

Целью работы обусловлена необходимостью создания нового прибора для экспресс измерения альфа излучения естественных изотопов (238и, 234и, 232ТЬ|, 22!^а, 22^п, 218Ро, и т.д.) в различных средах. Это позволит не только обнаружить наличие конкретных элементов, но и защитить людей от вредного воздействия неблагоприятного излучения. Прибор должен быть компактным, безопасным. В настоящее время определение содержания альфа излучения естественных изотопов в технологических средах и растворах подземного выщелачивания производится главным образом с использованием титраторов (титриметрическим методом)

или спектрофотометров (фотометрическим методами). Существующие приборы стационарны, т.е. устанавливаются в специально оснащенных лабораториях. Анализ производится в лаборатории, куда пробы доставляются с технологических участков. При этом требуется специальная пробо-подготовка растворов, использование квалифицированного труда лаборантов.

Особенностью подхода в данном случае является разработка детекторов с большой чувствительной областью и рабочим объемом из кремния диаметром ~50 мм, что в мировой практике используется очень мало. Использование таких детекторов большого диаметра позволяет изготовить радиометр (прибор), измеряющий заряженные частицы in direct, т.е. измерять непосредственно в измеряемой ячейке. Данный метод позволяет избегать осаждения активного вещества различными методами на измерительные фильтры и соответственно упрощает пробоподготовку. При этом чувствительность, разрабатываемого радиометра альфа излучения будет соответствовать международным стандартам.

Конечной целью данной работы является создание измерительного комплекса регистрации альфа-излучения с использованием современных достижений в управлении, математической обработки и визуализации.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

РАЗРАБОТКА ДЕТЕКТОРОВ

Современные полупроводниковые детекторы изготавливаются в основном на пластинах монокристаллического кремния по технологиям, применяемым в микроэлектронике, и это определяет их широкое применение благодаря высокой степени разработанности технологий и повторяемости результатов.

Основной элемент ППД-детектор изготовлен с использованием компьютерного математического моделирования всех этапов технологического процесса изготовления детекторов, учитывающих на каждом этапе степень влияния свойств исходного кремния на электрофизические и радиометрические характеристики детектора. Детекторы изготавливаются под определенные типы приборов.

Разработка и оптимизация технологии изготовления, численные расчеты и компьютерное математическое моделирование, кремниевых детекторов больших размеров проведенных нами показано в работах [3-12]. В работах описана стабильная выпрямляющая структура, полученная медленным вакуумным напылением химически чистого германия на поверхность Si с последующим нанесением металлического контакта. Эти результаты положены в основу настоящей разработки.

Технология создания детектора на базе гетероперехода Si-Ge описывается на примере изготовления конкретного ДЕ-детектора.

РАСЧЕТ СТРУКТУРЫ

Исходя за заданной толщины чувствительной области детектора ~ 500 мкм и величины рабочего напряжения ~ 200 В, находим из номограммы необходимое уделенное сопротивление р = 2 кОм • см. Время жизни неосновных носителей, достаточное для полного собирания заряда ~ 10 мкс.

Расчетная емкость детектора:

C

sS 4 nd

12 ■ 8,85 ■ 10-14 1,5 ■ÍO12 " 5 ■ÍO-2

30 пФ. (1)

Энергетический эквивалент шумов:

ДW = 1,44с * 7,5 кэВ. (2)

Энергетическое разрешение:

Я = 3Ш = 20 кэВ. (3)

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КАМЕРЫ С К = 12 СМ

Это означает, что для получения слоя при напылении толщиной в 300 А (30 нм) необходима навеска германия.

т = 2 • 3,14 • 144 • 3 • 10-6 • 5,35 = 0,146 г, т = 146 мг.

Скорость испарения подбирается таким образом, чтобы испарение навески происходило в течение 3-4 мин.

НАПЫЛЕНИЕ АЛЮМИНИЯ

Напыление алюминиевого контакта производится через сутки после напыления германия. Камера для напыления алюминия идентична описанной выше.

Обработка алюминиевых навесок осуществлялось по следующий методике: навески в виде проволоки подвергались механической очистке (соскабливался верхний слой алюминия и обрезались торцы), промывались в спирте и толуоле, протравливались в Н20 : HF (1 : 1) в течение 20 с, промывались деионизированной водой не менее 5 минут, сушились под лампой и помещались в бокс со спиртом. Масса навески рассчитывалась таким образом, чтобы толщина напыленного слоя не превышала 300 А (30 нм) [1-12].

Детекторы изготовлены из р^ диаметром 40-80 мм с удельным сопротивлением р = 0,5-1 кОм • см, т > 300 мкс, вырезанные в виде шайб толщиной ~ 600 мкм. На пластины проводилась диффузия на глубину 30 мкм при температуре t = 420 °С по технологии, показанной в [7]. Дрейф ионов лития проводился при температуре t = 80-90 °С и напряжении и = 60-150 В, с последующим низкотемпературным ^ = 60 °С, и = 200 В) импульсным выравнивающим дрейфом в соответствии с режимом, предложенными в работе [8]. После проведения полной компенсации /-области, весь кристалл подвергался специально химико-технологической обработке в целях обеспечения минимальных толщин «мертвых» слоев «входного» и «выходного» окон, а толщину кристаллов доводили до 70-100 мкм. Затем методом вакуумного напыления при давлении 3 • 10-5 мм рт. ст. на пластины наносили контакты на основе аморфного aSi (300 А) и А1 (300 А), и на обратную тыловую сторону из Аи (~200 А)

Также был разработан метод контроля параметров кремниевых детекторов. Данный метод анализа детекторов дает возможность определить отклонения в технологическом процессе от расчетных, а также проводить более точную корректировку технологических процессов для конкретного типа детекторов.

ЭЛЕКТРОННАЯ ЧАСТЬ РАДИОМЕТРА

Для реализации этой задачи необходимо было оптимизировать алгоритм управления процесса измерения исходя из технических возможностей и доступности радиоэлементов. Был выбран метод регистрации альфа излучения (радон) путем использования кремниевого детектора с большой площадью активной поверхности. Была выбрана следующая методика и алгоритм первичной обработки и накопления регистрируемой информации:

PLASMA, HIGH-FREQUENCY, MICROWAVE AND LASER TECHNOLOGY

• анализируемый воздух с помощью внешнего управляемого воздухозаборника по гибким шлангам нагнетается в рабочую камеру, представляющей собой герметичный цилиндр и находящимся внутри него детектором; [5; 14];

• информация, регистрируемая детектором, преобразуется в импульсы напряжения, которые усиливаются, сепарируются и накапливаются в накопительном устройстве;

• далее накопленная информация передается в персональный компьютер с установленным уникальным программным обеспечением, осуществляющего математическую обработку и визуализацию результатов измерения;

Структурная схема измерительного комплекса приведена на рис. 1. В его состав входят следующие функциональные

элементы:

• рабочая камера;

• узел усиления и селекции информации (аналоговый узел);

• микроконтроллерный узел (цифровой узел);

• узел вторичного электропитания;

• узел воздухозаборника;

• персональный компьютер с установленным программным обеспечением.

Рабочая камера Узел воздухозаборника

Узел усиления и селекции информации (аналоговый узел)

Микроконтроллерный узел (цифровой узел)

Персональный компьютер с установленным программным обеспечением

Узел

вторичного

Ж электропитания

Рис. 1. Блок схема устройства (радиометра) Fig. 1. Block diagram of the device (radiometer)

В процессе была выполнена следующая работа:

• разработана геометрия рабочей камеры [14];

• разработано техническое задание на проектирование программного обеспечения для микроконтроллера и устанавливаемого в персональный компьютер;

• разработаны, рассчитаны и изготовлены элементы аналоговых узлов;

• разработаны, спроектированы и изготовлены элементы цифровых узлов;

• разработано программное обеспечение для микроконтроллера и для компьютера;

РАБОЧАЯ КАМЕРА

Рабочая камера представляет собой пустотелый цилиндр, внутри которого в геометрическом центре, на подвесках укреплен детектор. Расположение в геометрическом центре обусловлено тем, что детектор, в принципе представляющий собой круглую пластину, чувствителен к регистрации альфа-частиц с двух сторон. На корпусе цилиндра также укреплены штуцеры для подключения к системе воздухо-забора и разъем для подключения детектора к элементам питания и усиления.

Детектором является кремниевый детектор с диаметром чувствительной области 60 мм. Питание детектора обеспечивается напряжением 24-30 В через RC-цепи от вторичного преобразователя напряжения, расположенным в конструкции совместно с зарядочувствительным предусилителем (рис. 2).

Схемотехнически преобразователь напряжения представляет собой генератор на микросхеме триггера Шмидта CD40106 с последующим каскадом учетверения напряжения. Постоянная времени фильтрующей цепочки R2C6 на выходе источника выбрана большой, что обеспечивает плавное нарастание напряжения детектора при включении устройства.

Для минимизации помех, создаваемых преобразователем на работу предусилителя, он защищен электромагнитным экраном, а подача первичного напряжения и также выходного напряжения осуществляется через проходные конденсаторы.

Рис. 2. Зарядочувствительный усилитель и источник питания детектора Fig. 2. Charge-sensitive amplifier and detector power supply

+ 9 V

Out CSA

GND

+ 12 V

GND

УЗЕЛ УСИЛЕНИЯ И СЕЛЕКЦИИ ИНФОРМАЦИИ

Узел усиления и селекции обеспечивает преобразование заряда, возникшего в объеме детектора от взаимодействия с регистрируемой а-частицой, в импульс напряжения и затем его усиление. Далее дискриминирующим узлом обеспечивается «обрезание» информации, представляющей собой шум.

Импульсы заряда, возникшие в чувствительной области детектора от взаимодействия с регистрируемым а-излучени-ем, подаются на вход зарядочувствительного предусилителя, собранного на транзисторах VТ1-VТ4 (рис. 3). Предусилитель охвачен отрицательной обратной связью, реализованной на конденсаторе С21. Коэффициент передачи усилителя составляет к = 20 000. Амплитуда импульса напряжение на выходе зарядочувствительного усилителя (коллектор транзистора Т4) составляет:

U (mV) = £44,4 / C2

(4)

где Е - энергия регистрируемых а-частиц (МэВ); С - номинальное значение конденсатора обратной связи (пФ); 44,4 -приведенный коэффициент, учитывающий физику генерации заряда.

Как известно при распаде радона 222 образуется а-частица энергией 5,4887 МэВ, а при распаде радона 220 (торон) - 6,288 МэВ. Исходя из этого, были рассчитаны параметры зарядочувствительного каскада. В реализованной схеме С = 2,2 пФ. То есть на выходе предусилителя при регистрации а-частицы 5,4887 МэВ образуется импульс напряжения амплитудой 110 мВ. Форма импульса представляет собой всплеск с крутым фронтом и более медленным спадом. Крутизна фронта зависит от качества используемых транзисторов. Длительность спада регламентируется значением номиналов Сос и Rос, т.е. постоянной RC. Далее сигнал поступает через фильтр низкой частоты С1, R1 на вход интегрирующего усилителя со следящей отрицательной обратной связью (рис. 3). Интегрирующая цепь на интегрирующих элементах С2, R5 с постоянной времени интегрирования - 2 мкс. Коэффициент передачи усилителя определяется по формуле:

к-

Z(R5C2) Z (RA )'

(5)

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

где 7^5С2) - полное сопротивление цепи R5C2; - пол-

ное сопротивление цепи R1C1.

Рис. 3. Узел усилителя и устройства селекции Fig. 3. Amplifier assembly and selection devices

Далее сигнал через дифференцирующую цепь R7C3, подается на вход следующего интегрирующего усилителя со следящей отрицательной обратной связью, выполненного на транзисторах VТ4-VТ6, с постоянной времени равной 2 мкс. Выход усилителя соединен с одноканальным анализатором, служащего для выделения импульсов, соответствующим регистрируемым а-частицам с энергией более 2 МэВ. В качестве анализатора используется дискриминатор нижнего уровня, представляющий собой ждущий одно-вибратор на транзисторах VT7, VT8 со следящей обратной связью на С8, R15. Порог срабатывания одновибратора регулируется переменным многооборотным резистором R21. Питание схемы обеспечивается стабилизатором на микросхеме LM7808.

При постановке задачи не ставилась задача сепарации и селективной регистрации поступающей информации по энергии. Тем более что броуновское взаимодействие альфа-частиц с чувствительной поверхностью детектора

не всегда происходит ортогонально, что приводит к неравномерной потере части энергии в «мертвом» слое и что наглядно демонстрируется на изображении спектра на экране многоканального анализатора в виде низкоэнергетического шлейфа. Поэтому было принято решение установить порог селекции на уровне - 2 МэВ.

Далее регистрируемый импульс с эмиттера VT12 передается на информационный порт микроконтроллера.

МИКРОКОНТРОЛЛЕРНЫЙ УЗЕЛ

Микроконтроллерный узел (рис. 4) обеспечивает полную автономную работу устройства регистрации. В качестве микроконтроллера выбрана микросхема АТт^а 32 с 32 кбайт программируемой памяти на кристалле.

В соответствии с поставленной задачей была разработана обвязка микроконтроллера и сформулировано техническое задание на разработку программного обеспечения «зашитого» в управляющий микроконтроллер.

i—O to pomp

V backight

Рис. 4. Микроконтроллерный узел Fig. 4. Microcontroller unit

Программное обеспечение обеспечивает варьируемое

управление технологическим процессом измерения:

• выбор варианта работы устройства - ручной или автоматический (периодический);

• варьируемое управление регламентом работы воздухозаборника;

• варьируемое управление регламентом измерения;

• измерение погодных режимов работы - температуры и влажности;

• управление встроенными электронными часами реального времени и даты;

• обеспечение логической связи с компьютером по интерфейсу USB;

• управление состоянием встроенного накопителя информации.

Обвязка микроконтроллера состоит из следующих элементов:

• прецизионные часы реального времени и даты, построенные на микросхеме DS3231. В соответствии с заложенными в нее возможностями, она в комплекте с элементом автономного питания CR3023 обеспечивает счет текущего времени в течение 10 лет. Эта информация о дате и времени вписывается в протокол локального измерения;

• датчик влажности и температуры DHT11. Информация с датчика также вставляется в протокол локального измерения;

• разъем для подключения платы внешнего накопителя информации, построенного для подключения микроSD-карты;

• разъем для подключения программатора;

• разъем для выхода сигнала управления воздухозаборником;

• разъем для подключения преобразователя интерфейсов UART ^ USB;

• клавиатура для настройки и локального управления работой устройства;

• переключатель режима работы - условно «радон-радий». Он необходим для трансформации функциональных возможностей устройства. В режиме «радий» отсутствует функция «продувка». В этом режиме измеряется а-актив-ность вымученного образца;

• диалог оператора с микроконтроллером обеспечивается с помощью кнопок на корпусе и информационного мозаичного дисплея WS1602.

УЗЕЛ ВТОРИЧНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

Питание всего устройства обеспечивается от встроенной батареи аккумуляторов 18650 с суммарным напряжением 12 В и емкостью 2600 мА/ч. Узел вторичного электропитания осуществляет преобразование этого напряжения в напряжения, необходимые для нормальной работы всех функциональных узлов: +30 В для питания детектора, +5 В, для питания цифровых узлов микроконтроллерного узла, +8 В, для питания аналоговой части устройства.

В состав узла входит схема контроля и индикации состояния аккумулятора, а также элементы зарядного устройства, для возможности зарядки от внешнего сетевого источника напряжения. Предусмотрена возможность электропитания от внешнего источника напряжения при работе в стационарных условиях (рис. 5).

УЗЕЛ ВОЗДУХОЗАБОРНИКА

Для осуществления операции нагнетания и последующего обновления анализируемого воздуха, в качестве воздухозаборника был выбран вариант с использованием поршневой аквариумной помпы. Первоначально в экспериментах для работы с помпой для ее питания от аккумулятора был изготовлен преобразователь 12 В / 220 В / 50 Гц.

1

2

3

4

Coll pomp

цз

Рис. 5. Зарядное выравнивающее устройство для аккумуляторной батареи 18650 Fig. 5. 18650 Battery Charging Equalizer

Далее было принято решение переделки соленоидного узла помпы для ее прямого питания от аккумулятора. Для этого была перемотана обмотка и питание осуществляется от электронного генератора с частотой 50 Гц. Управление процессом включения осуществляется от микроконтроллера. В качестве свича используется мощный полевой МДП транзистор с низковольтным управлением. Питание воздухозаборника осуществляется от автономного комплекта аккумуляторов 18650 емкостью 2600 мА/ч.

Генератор 50 Гц собран на микросхеме NE555 в стандартном включении в режиме мультивибратора. Для работы на нагрузку на выходе микросхемы стоит умощняющий каскад на комплементарных транзисторах с большим бета (см. рис. 5).

ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КОМПЬЮТЕРА

Для обработки, накопленной в устройстве информации, оно подключается к персональному компьютеру, на котором установлено разработанное в соответствии с техническим заданием прикладное программное обеспечение - программа ADL-V1.9-3.3 [15].

ВЫВОДЫ

• Оптимизирована технология изготовления детекторов ионизирующего излучения больших размеров, приведены численные расчеты и компьютерное математическое моделирование, получаемых истинных характеристик кремниевых детекторов и радиометра альфа-излучения в целом [5-6; 8-10].

PLASMA, HIGH-FREQUENCY, MICROWAVE AND LASER TECHNOLOGY

• Разработаны и изготовлены электронные узлы, а также оптимальная программа работы радиометра.

• Оптимизированы электронные узлы, программа обработки и визуализация концентрации радона в измеряемой среде.

• Разработан и изготовлен лабораторный радиометр альфа излучения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, в результате исследования и проведения технологических работ, нами разработана схема изготовления радиометра. Оптимизированы технологические режимы, исследованы электрофизические и радиометрические характеристики изготовленных кремниевых детекторов больших размеров, приведены численные расчеты и компьютерное математическое моделирование, получаемых истинных характеристик кремниевых детекторов, а также изготовлен радиометр альфа-излучения. Разработанная компьютерная математическая модель позволяет обобщить и обеспечить высокое качество получаемой информации в детекторах и в целом точности информации о радиоактивностях.

Литература / References

1. Akimov Yu.K. et al. Semiconductor detectors and experimental physics. Moscow: Energatomizdat, 1989. 271 р.

2. Grybos P. Synchrotron Radiation News. 2018. No. 31 (6). P. 21.

3. Muminov R.A., RadzhapovS.A., Saimbetov A.K. Developing Si (Li) nuclear radiation detectors by pulsed electric field treatment. Technical Physics Letters. 2009. Vol. 35. No. 8. Pp. 768-769.

4. Osmic F, Wobrauschek P, Streli C. et al. Spectrochim. Acta part B: Atomic spectroscopy. 2003. No. 58. P. 2123.

5. Rajapov S.A., Rajapov B.S., Rakhimov R.Kh. Features technology manufacturing silicon surface-barrier detectors with a large sensitive working area for measuring the activity of natural isotopes. Computational Nanotechnology. 2018. No. 1. Pp. 151-154.

6. Rajapov S.A., Rakhimov R.Kh., Rajapov B.S. et al. Development of a radiometer based on silicon detectors with a large sensitive area. Computational Nanotechnology. 2019. No. 1. Pp. 65-68.

7. Muminov R.A., Radzhapov S.A., Saimbetov A.K. Atomic Energy. 2009. No. 106. P. 2.

8. Rajapov S.A., Rakhimov R.Kh., Rajapov B.S., Zufarov M.A. Silicon-lithium Af-alpha radiation detectors for a radiometer. Computational Nanotechnology. 2019. No. 2. Pp. 157-159.

9. Johnson H., Zaniewski A., Holmes J. et al. Bulletin of the American Physical Society. 2018.

10. Muminov R.A., Saymbetov A.K., Japashov N.M et al. Physical features of double sided diffusion of lithium into silicon for large size detectors. Journal of Nano- and Electronic Physics. 2019. Vol. 11. No. 2. 2031 p. (4 p.).

11. Ruddy F.H., Seidel J.G., Chen Haoqian et al. IEEE Transact. Nucl. Sci. 2006. No. 53. P. 1713.

12. Beckhoff B., Klein R., Krumrey M. et al. Nucl. Instrum. Methods Phys. 2000. Res. A 444. P. 480.

13. Muminov R.A., Radzhapov S.A., Pindyurin Y.S., Saymbetov A.K. Method for manufacturing a Si (Li) p-/-n-structure. Patent RUz. 2012. No. IAP 04073.

14. Muminov R.A., Rajapov S.A., Lutpullaev S.L., Pindyurin Yu.S., Khus-amidinov S.S., Yutkin S.^. Devices for measuring the volumetric activity of radon in air.. RUz patent No. IAP 04882.

15. Rajapov B.S., Ergashev K. Program for the microcontroller of a radon and radium radiometer. Certificates for software products of the Republic of Uzbekistan No. DGU 20180983. December 6, 2018.

Статья поступила в редакцию 15.05.2020, принята к публикации 20.06.2020 The article was received on 15.05.2020, accepted for publication 20.06.2020

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ

Раджапов Сали Аширович, доктор физ.-мат. наук; ведущий научный сотрудник Физико-технического института НПО «Физика-Солнце» АН РУз. Ташкент, Республика Узбекистан. ORCID: https://orcid.org/0000-0002-4615-027X. E-mail: rsafti@mail.ru Рахимов Рустам Хакимович, доктор техн. наук; зав. лабораторией Института материаловедения НПО «Физика-Солнце» АН РУз. Ташкент, Республика Узбекистан. ORCID: https://orcid.org/0000-0001-6964-9260. E-mail: rustam-shsul@yandex.com

Раджапов Бегжан Салиевич, старший научный сотрудник Физико-технического института НПО «Физика-Солнце» АН РУз. Ташкент, Республика Узбекистан. ORCID: https://orcid.org/0000-0001-5446-4634. E-mail: rsafti@mail.ru

Зуфаров Марс Ахмедович, старший научный сотрудник Физико-технического института НПО «Физика-Солнце» АН РУз. Ташкент, Республика Узбекистан. ORCID: https://orcid.org/0000-0002-4518-5139. E-mail: marsuz@rambler.ru

ABOUT THE AUTHORS

Sаli A. Radzhapov, Dr. Sci. (Phys.-Math.); leading researcher at the Physical-Technical Institute, SPA "Physics-Sun", Academy of Sciences of the Republic of Uzbekistan. Tashkent, Republic Uzbekistan. ORCID: https://orcid. org/0000-0002-4615-027X. E-mail: rsafti@mail.ru Rustam Kh. Rakhimov, Dr. Sci. (Eng.); Head of Laboratory at the Institute of Materials Science "Physics-Sun", Uzbekistan Academy of Sciences. Tashkent, Republic Uzbekistan. ORCID: https://orcid.org/0000-0001-6964-9260. E-mail: rustam-shsul@yandex.com

Begjan S. Radzhapov, senior researcher at the Physical-Technical Institute SPA "Physics-Sun", Academy of Sciences of the Republic of Uzbekistan. Tashkent, Republic Uzbekistan. ORCID: https://orcid.org/0000-0001-5446-4634. E-mail: rsafti@mail.ru

Mars A .Zufarov, senior researcher at the Physical-Technical Institute SPA "Physics-Sun", Academy of Sciences of the Republic of Uzbekistan. Tashkent, Republic Uzbekistan. ORCID: https://orcid.org/0000-0002-4518-5139. E-mail: marsuz@rambler.ru

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.