CC BY
6
05.14.00
ЭНЕРГЕТИКА
05.14.01
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И КОМПЛЕКСЫ
разработка радонометра на основе кремниевых детекторов
W ____w __л
с большой чувствительном площадью1
Раджапов Сали Аширович, д-р физ.-мат. наук; ведущий научный сотрудник Физико-технического института НПО «Физика-Солнце» АН РУз. Ташкент, Узбекистан. E-mail: rsafti@mail.ru
Рахимов Рустам Хакимович, д-р техн. наук, профессор; зав. лабораторией Института материаловедения НПО «Физика-Солнце» АН РУз. Ташкент, Узбекистан. E-mail: rustam-shsul@yandex.com
Раджапов Бегжан Салиевич, аспирант; младший научный сотрудник Физико-технического института НПО «Физика-Солнце» АН РУз. Ташкент, Узбекистан. E-mail: rsafti@mail.ru
Зуфаров Марс Ахмедович, старший научный сотрудник Физико-технического института НПО «Физика-Солнце» АН РУз. Ташкент, Узбекистан. E-mail: marsuz@rambler.ru
Шарифов Шерзод, аспирант; младший научный сотрудник Навоийского отделения АН РУз. Навои, Узбекистан
Аннотация. В работе приводятся результаты разработки технологии изготовления, а также некоторые данные исследований электрофизических и радиометрических характеристик полупроводниковых поверхностно-барьерных и гетеропереход-ных Al-aGe-pSi-Au детекторов больших размеров (диаметром 10 см). Также приводятся характеристики прибора радиометр радона изготовленного на основе этих детекторов. Кроме этого приведены данные мониторинга концентрации радона в подпочвенном слое и на воздухе. Результаты мониторинга показали, что значения концентрации варьируются в зависимости от температуры, влажности и времени суток.
Ключевые слова: монокристаллический кремний, полупроводниковые детекторы, радиометр, радон, альфа-частицы, мониторинг, подпочвенный слой.
development of radometer based on silicon detectors with a big sensitive area
Radzhapov Sаli A., Doctor of Sciences; leading researcher at the Physical-technical Institute SPA «Physics-Sun» of the Academy of Sciences of the Republic of Uzbekistan. Tashkent, Uzbekistan
Rakhimov Rustam Kh., Doctor of Technical Sciences; head of Laboratory at the Physical-technical Institute SPA «Phys-ics-Sun» of the Academy of Sciences. Tashkent, Uzbekistan. Tashkent, Uzbekistan
Radzhapov Begjan S., PhD student; researcher at the Physical-technical Institute SPA «Physics-Sun» of the Academy of Sciences of the Republic of Uzbekistan. Tashkent, Uzbekistan
Zufarov Mars A., senior researcher at the Physical-technical Institute SPA «Physics-Sun» of the Academy of Sciences of the Republic of Uzbekistan. Tashkent, Uzbekistan
Sharifov Sherzod, PhD student; researcher at the Navoi Department of the Academy of Sciences of the Republic of Uzbekistan. Navoi, Uzbekistan
Abstract. The paper presents the results of the development of manufacturing technology, as well as some data from studies of the electro physical and radiometric characteristics of semiconductor surface-barrier and hetero-transition Al-aGe-pSi-Au detectors of large sizes (10 cm in diameter). In addition, the monitoring data of the radon concentration in the subsoil and in the air are presented. The monitoring results showed that the concentration values vary depending on temperature, humidity and time of day.
Keywords: monocrystalline silicon, semiconductor detectors, radiometer, radon, alpha particles, monitoring, subsurface layer.
1 Работа выполнена в рамках гранта А.3-18 и ФА-Атех-2018-233 прикладных исследований.
РАЗРАБОТКА РАДОНОМЕТРА НА ОСНОВЕ КРЕМНИЕВЫХ ДЕТЕКТОРОВ С БОЛЬШОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОЙ ПЛОЩАДЬЮ
Раджапов С.А., Рахимов Р.Х., Раджапов Б.С., Зуфаров М.А., Шарифов Ш.
В последнее время все более пристальное внимание со стороны общественности уделяется вопросам радиоэкологии среды обитания человека. В атмосферном воздухе всегда присутствует концентрация радона [1; 2]. Радон образуется в недрах Земли в результате распада урана, который хоть и в незначительных количествах, но входит в состав практических всех видов грунтов и горных пород. В процессе радиоактивного распада уран превращается радий 226, из которого в свою очередь и образуется радон 222. Радон может просачиваться из земной коры или высвобождаться из строительных и отделочных материалов. Основную часть дозы облучения от радона человек получает в закрытом, непроветриваемом помещении. По данным исследований, проведенных Всемирной Организацией Здоровья, оказалось, что радон-222 дает примерно 50-55% всей дозы облучения от естественных радионуклидов, которую ежегодно получает каждый житель Земли. Поэтому определение объемной активности (ОА) радона является актуальной задачей. Заметим, что изучение вариаций концентрации радона в подземном помещении и в глубинных скважных водах может привести к выявлению радоновых предвестников землетрясений. К настоящему времени, накопленный исследовательский материал по изучению концентрации радона сводится к определению его содержания в воздухе, а также в подземных водах, в то же время мало работ посвященных изучению механизма распространения изотопов радона в почве при движении пластов земной коры.
Радоновые поля в Узбекистане ведут себя своеобразно, не так, как в Европе или, скажем, в Центральной России. Причин аномального поведения много. Это и повышенное содержание урана, радия и тория в породах Узбекистана,
откуда уран вымывается дождями, ручьями и попадает в реки, это меняющие уровень грунтовые воды, поднимающие его на поверхность. Также влияние оказывает своеобразная сейсмотектоника в Узбекистане: наличие разломов, трещин и сдвигов земной коры на территориях эпицентров землетрясений. К примеру, общая длина разломов и трещин под ташкентским мегаполисом достигает пятисот километров. Разломы и трещины земной коры как коллекторы — по ним радон перемещается с аномально высокой скоростью и вырывается на поверхность. В этой связи требуется сбор информации и составление карт радоноопасности территории Узбекистана, что в свою очередь, требует наличия достаточных приборов для измерения радона.
В данной работе приводятся результаты разработки технологии изготовления, а также данные исследования электрофизических и радиометрических характеристик полупроводниковых поверхностно-барьерных и гетеропере-ходных Al-aGe-pSi-Au детекторов больших размеров. Также приводятся характеристики прибора радиометр радона изготовленного на основе этих детекторов. Детекторы изготавливались из кремния п- и р-типа (0 = 40-100 мм). Удельное сопротивление исходных пластин варьировалось в диапазоне 3-8 кОм • см, а времени жизни неосновных носителей составляло т = 300-1000 мкс. Изготовленные детекторы имели следующие характеристики: Диаметр - 40-100 мм, толщина чувствительной области W = 0,3-0,5 мм при рабочем напряжении ираб = (10-80) В, «темновой» ток /обр = 0,5-2 мкА, емкость С = 1000-1750 пФ, энергетический эквивалент шума Еш = 40-52 кэВ, энергетическое разрешение составляло Яа = 86 кэВ, при температуре Т = +27 °С. Внешний вид полученных детекторов приведен на рис. 1 [3; 4].
Рис. 1. Полупроводниковые детекторы большого размера:
а - поверхностно-барьерные; б - гетеропереходные Al-aGe-pS¡-Au детекторы
На основе поверхностно-барьерных и гетеропереход-ных Al-aGe-pSi-Au детекторов больших размеров разработан прибор радонометр. Разработанный в лаборатории ФТИ АН РУз радонометр обеспечивает измерение содержания радона в воздухе, почве, воде и материале, а также позволяет проводить мониторинг в течение продолжительного времени. Принцип работы прибора основан на закачке исследуемого воздуха в измерительную камеру и последующее измерение его радиоактивности в течение регламентного времени, причем устройство настроено на селективное измерение продуктов распада радона в исследуемом воздухе (без использования осаждения на поглотители). На рис. 2 показан универсальный прибор радиометр радона.
Рис. 2. Общий вид радиометра
222Яп Н = 1м
Computational nanotechnology
1-2019
ISSN 2313-223X
Радиометр радона предназначен для измерения объемной активности (ОА) радона и его дочерних продуктов распада (ДПР) в жилых и производственных помещениях, в карьерах и подземных выработках, пробах воды естественных и искусственных водоемах, экологии. Данный радиометр может применяться для автоматизированных, непрерывных и экспресс измерений объемной активности (ОА) радона-222 и торона-220 в воздухе, воде, почве и в различных материалах. Радиометр выполнен в виде переносного прибора с автономным питанием. Электронная схема настроена на конкретную идентификацию продуктов распада 22^п, 22<^п, 218Ро. Используемый датчик - кремниевый детектор большого размера (диаметр чувствительной области 40-100 мм, толщиной - 0,5 мм, энергетическое разрешение по альфа-частицам при энергии 5,5 МэВ составляет 60-80 кэВ). Используемые электронные компоненты позволяют эксплуатировать прибор при температуре от -20 до +35 °С. Прибор работает в комплекте с ПК с операционной системой Windows-ХР, 7, 8, а также автономно [3-5].
Нами проведены данным радиометром тестовые измерения, а также проведен мониторинг концентрации радона в г. Ташкенте (на территории Физико-технического института АН РУз) в течение двух месяцев. Измерения проводилось в почве на глубине 1 м. На рис 3 приведен график изменения объемной активности радона за период сентябрь-ноябрь 2018 г.
Как видно из рис. 3 наблюдается вариация концентрации радона, которую пока однозначно связать изменением температуры и влажности не удается. Известно, что наряду с температурой и влажностью факторами, влияющими на выход радона из-под подпочвенного слоя, могут быть характеристики почвы (песчаные, глинистые), химический состав почвы (содержание окиси кремния SiO2). На наш взгляд, также влияние оказывает солнечная активность, поскольку с активностью Солнца связаны потоки нейтронов направленных на Землю. Эти потоки могут являться дополнительным источником, влияющим на выход радона из почвы.
Для определения концентрации радона в воздухе (на уровне 1 м над поверхностью почвы) нами начаты измерения наряду с измерениями концентрации радона в почве. Первые результаты этих измерений приведены на рис. 4.
Как видно из рис. 4, концентрация радона на воздухе значительно ниже концентрации радона в почве. Она также варьируется в зависимости от температуры, влажности и времени суток.
Для выявления механизма изменения концентрации радона, как в почве, так и на воздухе необходимо иметь достаточный статистический набор данных. Нами предполагается провести набор, как суточных, так и сезонных данных в процессе дальнейшего выполнения работы.
В почве
250
200
Л- 150
100
50
10
27.09.18 02.10.18 07.10.18 12.10.18 17.10.18 22.10.18 27.10.18 01.11.18 06.11.18 11.11.18 16.11.18 21.11.18 26.11.18 7:12 7:12 7:12 7:12 7:12 7:12 7:12 7:12 7:12 7:12 7:12 7:12 7:12
Рис. 3. График изменения ОА радона в почве за период 27.09.2018-23.11.2019
В воздухе
16
14
12
d
S
s 10
.D
и о 8
I
m
S 6
и
01
i S 4
2
0
ilhli .1 il .ill mul
Влажность Температура Радон
■ 1 1 I ilflli
• I til I .III
llPIHflPPffPP
45 40 35 30 25
20 <u I
с га
S ^
15 <u oo
10 5 0
4P \p \p \p \p \p \p \p \p \p \p \p \p \p \p \p \p
^ ^ ^ Ü « ^ <?> <§> ^ ^ <3. <S> ^ Ü & « $> <?> °Ф ^ ^ <?> <3> ^ ^ -3. ^ ^ й ъ ^ <?> •<§> 'Ъ '<?> '<h Ъ ъ ^ ъ ^ ^ % ^ % Ъ Ъ % Ъ Ъ % ^ Ъ ^ ^
Рис. 4. График изменения ОА радона на воздухе за период 01.11.2018-25.02.2019
0
РАЗРАБОТКА РАДОНОМЕТРА НА ОСНОВЕ КРЕМНИЕВЫХ ДЕТЕКТОРОВ С БОЛЬШОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОЙ ПЛОЩАДЬЮ
Раджапов С.А., Рахимов Р.Х., Раджапов Б.С., Зуфаров М.А., Шарифов Ш.
Литература
1. SpurnyZ. Charged particle ratio in 222Rn indoor atmosphere // J. Radioanal and Nucl Chem. Lett. 1992. Vol. 164. № 4. Р. 147-253.
2. Матвеев В.В. и др. Радиоэкологический контроль в быту. Наука и жизнь. 1990. № 5. С. 22-25.
3. Раджапов С.А., Раджапов Б.С., Джанклич М. и др.. Полупроводниковые детекторы ядерного излучения на основе гетеропе-реходных структур Al-aGe-pSi-Au для измерения мало интенсивных ионизирующих излучений // Computational Nanotechnology. 2018. № 3. С. 65-67.
4. Раджапов С.А., Раджапов Б.С., Рахимов Р.Х. Особенности технология изготовление кремниевых поверхностно-барьерных детекторов большой чувствительной рабочей площадью для измерения активности естественных изотопов // СотрЛа^опа! Nanotechnology 2018. № 1. С. 151-154.
5. Патент РУз 1АР № 04882, 2011 / Муминов Р.А., Раджапов С.А., Лутпуллаев С.Л., и др. «Устройства для измерения объемной активности радона на воздухе».
