Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Методика исследования радиационной стойкости ДХ 13
а) Этапы работ по исследованию радиационной стойкости ДХ 15
Глава 2. Магнитокалибровочный стенд (2 Тл) 18
1. Блок - схема магнитокалибровочного стенда 18
2. Распределение магнитного поля 19
3. Координатный механизм 21
Глава 3. Сверхпроводящий магнитокалибровочный стенд (5 Тл) 24
1. Блок - схема магнитокалибровочного стенда (5Тл) 24
2. Распределение магнитного поля 27
3. Координатный механизм. 28
Глава 4. Измерительная аппаратура 31
1. Требования к измерительной аппаратуре при испытаниях радиационной стойкости образцов датчиков магнитного поля .
2. Блок-схема измерительной аппаратуры 33
Глава 5. Исследование параметров микродатчиков Холла на магнитокалибровочных стендах до и после облучения
Глава 6. Исследование влияния нейтронного облучения на параметры 46
полевых ДХ
Глава 7. Мониторинг магнитного поля в радиационных условиях на ускорителе
1. Блок - схема эксперимента 52
2. Измерительная аппаратура 53
3. Мониторинг радиационного поля 55
4. Мониторинг магнитного поля 56
Заключение 63
Литература 68
- Распределение магнитного поля
- Распределение магнитного поля
- Блок-схема измерительной аппаратуры
- Мониторинг радиационного поля
Распределение магнитного поля
Основным методом изучения характеристик датчиков магнитного поля в радиационных условиях был выбран метод сравнительного анализа характеристик образцов до и после облучения [61]. Наиболее важной характеристикой датчика Холла (Рис.1) является его чувствительность к магнитному полю [7,9]: ихол = Кхол В, при данном значении 1Х0Л) где: ихол - напряжение на холловских выводах ДХ, Кхол - чувствительность ДХ, Іхол - ток питания ДХ
Коэффициент Кхол зависит только от природы вещества, из которого изготовлена пластина датчика. Как правило, ДХ изготавливаются из полупроводниковых материалов на основе InSb, InAs, GaAs. Радиационное облучение приводит к изменению структуры материала ДХ, в результате чего изменяется чувствительность ДХ. Основные эксперименты были проведены на магнитокалибровочных стендах ЛФЧ и импульсном реакторе быстрых нейтронов ИБР-2. С этой целью была проведена модернизация магнитокалибровочных стендов, в результате чего было изготовлено оборудование, позволяющее проводить подобные эксперименты с датчиками магнитного поля, включая калибровку ДХ до и после облучения и само облучение образцов ДХ на реакторе ИБР-2. Реактор ИБР-2 предоставляет широкие возможности для изучения радиационной стойкости различных физических установок (ATLAS, CMS, кремниевые детекторы для LHC и так далее), их элементов и в том числе, датчиков магнитного поля. Во-первых, энергетический спектр быстрых нейтронов реактора ИБР-2 соответствует спектру нейтронов, возникающему при взаимодействии протонов LHC с веществом [23,24]. Во-вторых,
Схема этапов работ по тестированию ДХ. высокая плотность потока быстрых нейтронов ( 10ю н см"2 с"1 с энергией выше 100 КэВ) и большое геометрическое сечение пучков ( 800 см2) позволяют в течение нескольких дней получить информацию об изменении характеристик образцов по мере накопления ими дозы, эквивалентной 10 годам работы датчиков магнитного поля на ускорителе [26]. а) Этапы работ по исследованию радиационной стойкости датчиков Холла
Основными этапами работ (Рис.2) при проведении исследований радиационной стойкости ДХ на стендах ОИЯИ являлись: 1. Облучение образцов на реакторе ИБР-2 ОИЯИ быстрыми нейтронами со средней энергией Е = 1.35 МэВ при различных значениях флюенсов от 1013 до 1016 н/см2. Эти значения флюенсов соответствуют расчетным данным по нейтронному фону большинства современных детекторов [26]. 2. Хранение облученных образцов осуществлялось при температуре -10 С с целью исключения возможного отжига радиационных дефектов в образцах до момента их исследования на стенде [27]. 3. Повышение абсолютной чувствительности ДХ на порядок за счет запитки их импульсным (т - 0.5 мс) током с амплитудой I = 10xIHOM [30]. 4. Исследование параметров ДХ при постоянной температуре t = +25 С (+ 0.1) до и после облучения [61]. 5. Абсолютная калибровка ДХ в единицах магнитного поля на магнитокалибровочном стенде с использованием эталонного прибора ЯМР-магнитометра, который позволял фиксировать значение магнитного поля в однородной области с абсолютной точностью не хуже 0.001% [31]. 6. Установка кассеты с ДХ и ЯМР пробником в одну и ту же точку однородной области магнитного поля до и после облучения с точностью не хуже 0.1 мм с помощью специального координатного механизма [61]. 7. Многократное повторение исследования ДХ после облучения для выявления скорости восстановления изначальных параметров ДХ [63]. После завершения данного цикла работ результаты экспериментов обсуждались на совместных совещаниях с разработчиками и изготовителями данных датчиков магнитного поля. По итогам обсуждений вырабатывались рекомендации для всех участников экспериментов [25,50,51,52,55,63]: a) по изменению структуры как чувствительной области пластины датчика, его подложки, так и подводящих проводов и способов их крепления к контактным точкам на пластине ДХ; b) по изменению режимов облучения образцов на облучательных установках в соответствии с конкретным типом испытуемых образцов; c) по изменению режимов калибровки экспериментальных ДХ на магнитокалибровочном стенде до и после облучения.
После изготовления новой партии датчиков цикл работ с первого по седьмой пункты повторялся с учетом новой конфигурации и структуры образцов ДХ, режимов облучения образцов и измерения параметров облученных ДХ.
Таким образом, была выработана следующая методика изучения радиационной стойкости датчиков магнитного поля: 1) За основу был принят метод сравнительного анализа характеристик образцов до и после облучения. 2) По результатам измерений вырабатывались рекомендации по изменению структуры и конструктива образцов. 3) Для каждого конкретного датчика подбирался свой режим облучения и измерения результатов облучения. 4) Была отработана четкая поэтапная последовательность действий при проведении всего комплекса работ по исследованию радиационной стойкости датчиков магнитного поля. 5) Наконец, очень важной составляющей выбранной методики было проведение полномасштабных испытаний прототипа магнитоизмерительной аппаратуры, изготовленной на базе радиационно -стойких датчиков Холла, в реальных условиях эксперимента на ускорителе. Для проведения рассмотренного комплекса работ по исследованию радиационной стойкости датчиков магнитного поля была создана необходимая экспериментальная база [61,62,63,65,67] на основе магнитокалибровочных стендов ЛФЧ, на базе облучательных каналов № 3 и «РЕГАТА» на реакторе на быстрых нейтронов ИБР-2 (ЛНФ, ОИЯИ), на базе экспериментальной установки КОМБАС на ускорителе У-400М (ЛЯР, ОИЯИ).
Распределение магнитного поля
Для исследования характеристик датчиков магнитного поля до и после облучения в магнитных полях до 5 Тл был модернизирован сверхпроводящий магнитокалибровочный стенд в ЛФЧ [69].
В настоящее время в экспериментальной физике и ускорительной технике широко применяются сверхпроводящие магнитные системы с целью достижения высоких электротехнических и физических параметров установок. В связи с этим создаваемая магнитоизмерительная аппаратура должна работать в расширенном диапазоне магнитных полей и в ряде случаев с предельно высокой (до 0.01 %) точностью измерений в тяжелых условиях реального эксперимента в радиационных полях. Реализация подобных магнитометров невозможна без соответствующего метрологического обеспечения - магнитной меры или магнитокалибровочного стенда. Для этой цели был создан в свое время сверхпроводящий магнитокалибровочный стенд [69] и модернизирован в настоящее время для проведения исследований с облученными датчиками магнитного поля [49,53]. Стенд значительно расширил возможности для исследования радиационной стойкости ДХ по сравнению с аналогичными стендами с электромагнитом на железном сердечнике: повышено верхнее значение индукции магнитного поля В с 2.0 до 5.0 Тл; снижено нижнее значение магнитного поля до В = 0 Тл; улучшена однородность магнитного поля в рабочей зоне с 0.01%/см до 0.001%/см; увеличен объем с высокой однородностью магнитного поля до 60 см при диаметре апертуры рабочего объема 84 мм. Кроме того, значительно снижена мощность системы питания до 1 кВт, а в режиме «замороженного» магнитного поля внешнего питания не требуется вообще. В этом режиме обеспечивается особо стабильное магнитное поле, а сама магнитная система экранирует рабочий объем от внешних паразитных магнитных полей.
Структурная схема сверхпроводящего магнитокалибровочного стенда (5 Тл) показана на рис. 6 [49,53]. Криогенное и вакуумное оборудование обеспечивало соответствующие условия для работы сверхпроводящего магнита в криостате. Система питания обеспечивала запитку магнита постоянным стабильным ( 0.01 %) током от 0 до 150 А с плавной его регулировкой для получения рабочего магнитного поля от 0 до 5 Тл [49].
Измерение и контроль значения магнитного поля в рабочем объёме обеспечивались ЯМР-магнитометром с высокой абсолютной точностью (0.001 % от Вобр) производства фирмы METROLAB [31]. Для измерения магнитного поля во всём объёме соленоида использовался модернизированный вариант магнитометра МЗХ с относительной точностью измерения 0.02 %.
Специальный координатный механизм осуществлял установку кассеты с датчиками Холла и ЯМР пробником в фиксированную точку однородной области магнитного поля с точностью не хуже 0,1 мм [53].
Основой стенда [49] является криостат со сверхпроводящим магнитом с «теплым» рабочим объёмом, который создаётся антикриостатом (4) (Рис. 7). Криостат стенда вертикального исполнения изготовлен из нержавеющей листовой стали и состоит из гелиевого сосуда (1), на дне которого находится сверхпроводящий магнит (5), азотного экрана с жидким азотом (2), вакуумного корпуса (3) и антикриостата (4). Криостат располагается на подставке (7) с регулировкой по высоте (840 -г 980 мм). К нижнему фланцу криостата крепится координатный механизм (8). На крышке криостата находятся предохранительный клапан (для сброса газа в случае аварийного режима), вентиль сброса и откачки газообразного гелия, токовводы и вводы системы контроля за уровнем жидкого гелия и температуры магнита. Внешний диаметр криостата 450 мм, высота 1340 мм. Диаметр «теплого» рабочего объема, создаваемого антикриостатом, равен 84 мм.
Распределение магнитного поля Рабочей областью магнита являлась однородная часть магнитного поля в центре соленоида (Рис. 8).
Распределение магнитного поля по оси соленоида Магнит в режиме «замороженного» магнитного поля обеспечивал стабильное рабочее поле В0бР = 0 - 5 Тл в «тёплом» объёме 60 см с однородностью 0.001 %/см. Высокая однородность магнитного поля в рабочем объеме определялась, во-первых, точным математическим расчетом распределения магнитного поля и соответствующей конструкции сверхпроводящего соленоида и корректирующих катушек, во-вторых, использования качественных сортов нержавеющей стали и специальной технологии изготовления сварных швов для достижения максимальной магнитной проницаемости корпуса криостата [69].
Распределение магнитного поля по оси соленоида показано на рис.8. Однородность магнитного поля в центральной части на длине 60 мм составила 0.001 %, а на длине 100 мм 0.002 %. Долговременная стабильность магнитного поля в «замороженном» режиме была не хуже 0.005 % в течении рабочего дня (8 часов),
Координатный механизм (рис. 9) был предназначен для перемещения датчиков (1) в однородной области магнитного поля соленоида с точностью ± 0.1 мм. Он крепился на нижнем фланце криостата и состоял из механизма перемещения, штанги (6) и площадки (5), которая могла поворачиваться на 360 вокруг своей оси. На площадке, поверхность которой перпендикулярна оси соленоида, крепилась термостатированная кассета (2) с четырьмя датчиками Холла. Кассета с ДХ могла перемещаться по радиусу с точностью ± 0.1 мм.
В связи с тем, что почти вся апертура «теплой» части сверхпроводящего магнита была занята механизмом перемещения, то были возможны нарушения температурного режима внутри антикриостата, что, в свою очередь, могло привести к выходу из режима стабилизации внутри кассеты с ДХ. Чтобы исключить это было предусмотрена продувка воздуха комнатной температуры через антикриостат с помощью вентилятора.
Блок-схема измерительной аппаратуры
Наиболее точной проверкой радиационной стойкости ДХ должны были быть испытания датчиков в условиях реального эксперимента на ускорителе в радиационных условиях. Такие испытания прототипа магнитометрической аппаратуры в комплекте с отобранными радиационно-стойкими ДХ проводились на экспериментальной установке КОМБАС на ускорителе У -400 М (ЛЯР, ОИЯИ) [5]. Блок - схема эксперимента представлена на рис. 22.
Широко - апертурный сепаратор КОМБАС организован на принципе жесткой фокусировки. Магнито-оптическая система сепаратора состоит из 8 магнитов со сложной конфигурацией рабочего магнитного поля и уровнем до В = 1.7 Тл. Пучок частиц доставлялся по транспортному каналу из ускорителя У-400М на мишень. Продукты реакции далее анализировались на сепараторе. Для эффективной проводки пучка и последующей стабилизации режимов эксперимента по изучению 180 использовались данные мониторинга магнитного поля. Исследуемые датчики магнитного поля располагались в зазоре магнитов в непосредственной близости от вакуумной камеры, где находился пучок частиц. Сигнал с датчиков поступал на измерительную аппаратуру, которая располагалась за радиационной защитой в 10 метрах от активной зоны ускорителя.
Мониторинг магнитного поля осуществлялся 8-канальным магнитометром в режиме реального времени (Рис. 23). Управление измерительной аппаратурой и предварительная обработка данных осуществлялись ЭВМ в экспериментальном зале. Одновременно данные передавались на центральную ЭВМ на пульт управления экспериментом по линии RS232 и далее с выходом на EtherNet. Здесь данные мониторинга магнитного поля ставились в соответствие с данными измерения радиационного поля и режимов работы сепаратора (измерение тока и поля магнитов). В качестве исследуемых датчиков магнитного поля использовались 6 изготовленных по специальной технологии радиационно-стойких датчиков Холла (ГУ «ЛП», г. Львов) [50,51,52,55] и 2 промышленных датчика Холла типа ПХЭ605 (г. С-Петербург, а/о «Магнетон») [28,37,38,47]. Датчики из г. Львова были изготовлены по технологии, которая была отработана в результате экспериментов, описанных в главе 5 [63]. Промышленные датчики из г. С-Петербурга были базовыми для данной схемы магнитометра, а значит имели максимально возможную стабильность и относительную точность измерения магнитного поля [48]. Поэтому 2 последних ДХ (ПХЭ605) использовались в качестве контрольных датчиков. Во время эксперимента 6 основных ДХ и 1 контрольный ДХ располагались в зазорах магнитов сепаратора в радиационных условиях в точках максимально близких к вакуумной камере с пучком (Рис. 22). Второй контрольный ДХ не облучался и использовался на магнитокалибровочном стенде в качестве опорного. Его роль заключалась в контроле за постоянством усилительного тракта измерительной аппаратуры до и после проведения эксперимента на сепараторе. Другими словами, контролировалась неизменность внешних условий при калибровке ДХ на магнитокалибровочном стенде до и после облучения. Все ДХ были термостабилизированы при t = + 25 С ± 0.2. До и после эксперимента аппаратура калибровалась на магнитокалибровочном стенде в эталонном магнитном поле.
Мониторинг радиационного поля
Целью данной работы являлось разработка, изготовление и применение комплекса оборудования для испытания датчиков магнитного поля в радиационных условиях для мониторинга магнитного поля на ускорителях.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие основные задачи: Выработать методику проведения всего комплекса работ по изучению радиационной стойкости датчиков магнитного поля. Создать соответствующую экспериментальную базу на основе магнитокалибровочных стендов ЛФЧ для измерения характеристик датчиков магнитного поля до и после облучения. Разработать и изготовить необходимую измерительную аппаратуру для исследования характеристик образцов датчиков магнитного поля до и после облучения.
Разработать необходимую технологию облучения образцов в различных условиях эксперимента; оборудовать облучательные стенды необходимыми приспособлениями для загрузки в активную зону на строго определенное время, которое определяло уровень дозы облучения, и выгрузки образцов из активной зоны, обеспечив их безопасное хранение как на месте проведения облучения, так и при измерениях на магнитокалибровочных стендах. Исследовать радиационную стойкость различных типов датчиков магнитного поля. В тех случаях, когда это возможно, провести их модернизацию с целью улучшения их радиационной стойкости. Отобрать наиболее радиационностойкие датчики магнитного поля. Разработать и испытать прототип магнитометрической аппаратуры на основе создаваемых радиационностойких датчиков магнитного поля в условиях реального эксперимента на ускорителе. Основные результаты диссертационной работы следующие:
Создан комплекс оборудования для исследования радиационной стойкости датчиков магнитного поля, состоящий из измерительной аппаратуры, калибровочных и облучательных стендов, механизмов перемещения датчиков магнитного поля на стендах. При этом характеристики датчиков магнитного поля до и после облучения измерялись с относительной точностью 0.05 -г 0.02 %. Кроме того обеспечивалась высокая относительная точность ( 0.01 %), а для сверхпроводящего стенда и абсолютная точность ( 0.01 %), многократного повторения условий эксперимента на «теплом» и «холодном» магнитокалибровочных стендах в полях до 5 Тл при исследовании радиационной стойкости датчиков магнитного поля.
Впервые получены результаты исследований радиационной стойкости микродатчиков Холла на базе традиционных полупроводниковых материалов III—V, изготовленных в Государственном Университете «Львовская Политехника» (ГУ «ЛП», г. Львов, Украина), при облучении быстрыми нейтронами со средней энергией ЕП =1.3 МэВ и с флюенсом от 1014 до 1020 н/м2 на стендах ОИЯИ.
Впервые получены результаты исследований радиационной стойкости полевых датчиков Холла, изготовленных на основе современной полупроводниковой интегральной технологии «кремний на изоляторе» в Институте Проблем Технологии Микроэлектроники и Особо Чистых Материалов Российской Академии Наук (ИПТМ РАН, г. Черноголовка, Россия), при облучении быстрыми нейтронами с энергией от 0.1 до 25 МэВ и с флюенсом от 1016 до 1018 н/м2 на стендах ОИЯИ.
Впервые получены результаты исследований радиационной стойкости Вертикальных датчиков Холла, изготовленных по технологии биполярных интегральных схем в Швейцарском Федеральном Институте Технологии (ШФИТ, г. Лозанна, Швейцария) при облучении быстрыми нейтронами со средней энергией Е„ = 1.3 МэВ и с флюенсом от 1017 до 1019 н/м2 на стендах ОИЯИ и ШФИТ (г. Лозанна, Швейцария).
Впервые получены результаты исследований радиационной стойкости промышленных датчиков Холла типа ПХЭ605 (г. С-Петербург, а/о «Магнетон») для флюенса нейтронов F = 1.16x10і6 н/м2 с энергией Е = 0 -f 10 МэВ.
Впервые предложены и реализованы экспериментальные методы по исследованию: характеристик датчиков магнитного поля на магнитокалибровочных стендах ЛФЧ до и после облучения быстрыми нейтронами со средней энергией Е = 1.35 МэВ при различных значениях флюенсов от 10 до 10 н/м на реакторе ИБР-2 ОИЯИ. При этом было исследовано более 400 образцов датчиков магнитного поля и были сформулированы рекомендации по совершенствованию технологии изготовления радиационностойких датчиков магнитного поля; радиационной стойкости датчиков Холла в реальных условиях эксперимента в течении одного сеанса длительностью 104 часа на ускорителе У-400М (ЛЯР, ОИЯИ) при флюенсе гамма-излучения в диапазоне 107 ч- 109 г/м2 и флюенсе нейтронов - 1013 -г 1016 н/м2, при энергии Е = 0 -г 10 МэВ. При этом, суммарная относительная точность мониторинга магнитного поля при этих максимально достигнутых дозах облучения ДХ в процессе эксперимента составила:
