Эффект Лазаря
Эффект Лазаря относится к полупроводниковым детекторам ; когда они используются в суровых радиационных полупроводника начинают появляться дефекты условиях, в кристаллической решетке , поскольку атомы смещаются из-за взаимодействия с пересекающими частицами высокой энергии . Эти дефекты в виде как вакансий в решетке, так и атомов в межузельных узлах временно захватывают электроны и дырки , которые образуются при прохождении ионизирующих частиц через детектор. Поскольку именно эти электроны и дырки, дрейфующие в электрическом поле , производят сигнал, объявляющий о прохождении частицы , при образовании большого количества дефектов сигнал детектора может сильно уменьшиться, что приведет к непригодности (мертвому) детектору.
Однако в 1997 году Витторио Джулио Пальмиери , Курт Борер , Стефан Янош , Чинция Да Виа и Лука Касагранде из Бернского университета (Швейцария) обнаружили, что при температуре ниже 130 кельвинов (около −143 градусов по Цельсию ) нерабочие детекторы, по-видимому, возвращаются в исходное состояние. жизнь. [ 1 ] Объяснение этого явления, известного как эффект Лазаруса, связано с динамикой наведенных дефектов в объеме полупроводника .
При комнатной температуре дефекты, вызванные радиационным повреждением, временно захватывают электроны и дырки , возникающие в результате ионизации , которые затем испускаются обратно в зону проводимости или валентную зону за время, которое обычно превышает время считывания подключенной электроники. Следовательно, измеренный сигнал меньше, чем должен быть. Это приводит к низкому соотношению сигнал/шум , что, в свою очередь, может помешать обнаружению пересекающей частицы . при криогенных температурах , если электрон или дырка , возникающие в результате ионизации детектора утечки или тока , захватываются локальным дефектом, они остаются захваченными в течение длительного времени из-за очень низкой тепловой энергии решетки Однако . Это приводит к тому, что значительная часть «ловушек» заполняется и, следовательно, становится неактивной. Тогда захват электронов и дырок, генерируемых частицами , пересекающими детектор, предотвращается, и сигнал теряется незначительно или вообще не теряется. Такое поведение наблюдалось в ряде научных работ. [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]
Доказано, что благодаря эффекту Лазаря кремниевые детекторы способны выдерживать дозы радиации, превышающие 90 ГРад. [ 5 ] [ 6 ] и они были предложены для будущих экспериментов с высокой светимостью. [ 7 ] Научное сотрудничество РД39 [ 8 ] была создана в ЦЕРН для полного понимания деталей физики, связанной с этим явлением. [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]
Недавно эффект Лазаря был предложен в качестве механизма, обеспечивающего повышенную радиационную стойкость высокоэнергетических кремниевых альфа- и бета-вольтаических устройств, работающих при криогенных температурах. [ 12 ] Это может привести к созданию устройств на основе радиоизотопа стронция-90 , который намного дешевле никеля-63, который сейчас используется в алмазных ядерных батареях. [ 13 ] Такие устройства могут быть полезны для исследования дальнего космоса .
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Витторио Джулио Пальмьери; Курт Борер; Стефан Янош; Чинция да Виа; Лука Касагранде (1998), «Доказательства восстановления эффективности сбора заряда в сильно облученных кремниевых детекторах, работающих при криогенных температурах» , Ядерные инструменты и методы в физических исследованиях, раздел A: Ускорители, спектрометры, детекторы и сопутствующее оборудование , том. 413, нет. 2–3, стр. 475–478, Bibcode : 1998NIMPA.413..475P , doi : 10.1016/S0168-9002(98)00673-1.
- ^ К. Борер и др.: Эффективность сбора заряда облученного кремниевого детектора, работающего при криогенных температурах. В: Ядерные приборы и методы в физических исследованиях, А. 440, 2000, С. 5–16, два : 10.1016/S0168-9002(99)00799-8
- ^ В. Граната и др.: Криогенная технология для следящих детекторов. В: Ядерные приборы и методы в физических исследованиях, А. 461, 2001, с. 197–199, два : 10.1016/S0168-9002(00)01205-5
- ^ К. Борер и др.: Эффективность сбора заряда облученным криогенным кремниевым детектором с двойным p. В: Ядерные приборы и методы в физических исследованиях, А. 462, 2001, С. 474–483, дои : 10.1016/S0168-9002(01)00198-X
- ^ Касагранде и др.: Новый ультрарадиационно-стойкий криогенный кремниевый трекер для пучков тяжелых ионов. В: Ядерные инструменты и методы в физических исследованиях, A. 478, 2002, S. 325-329, два : 10.1016/S0168-9002(01)01819-8
- ^ Росинский, П.; Борер, К.; Касагранде, Л.; Дево, А.; Граната, В.; Гетте, Н.; Хесс, М.; Хойзер, Дж.; Джаррон, П.; Ли, З.; Лоренсо, К.; Мансо, Ф.; Нииникоски, ТО; Пальмиери, В.Г.; Радермахер, Э. (21 сентября 2003 г.). «Криогенный кремниевый Beam Tracker NA60 для пучков тяжелых ионов и протонов» . Ядерные приборы и методы в физических исследованиях. Раздел А: Ускорители, спектрометры, детекторы и сопутствующее оборудование . Материалы 11-го международного семинара по вершинным детекторам. 511 (1): 200–204. Бибкод : 2003NIMPA.511..200R . дои : 10.1016/S0168-9002(03)01793-5 . ISSN 0168-9002 .
- ^ Чжан Ли и др.: Криогенные Si-детекторы для определения ультрарадиационной стойкости в среде SLHC. В: Ядерные приборы и методы в физических исследованиях, т. 579, 2007, с. 775–781, два : 10.1016/j.nima.2007.05.296
- ^ «Сотрудничество CERN RD39: криогенные детекторы слежения» . rd39.web.cern.ch. Проверено 30 января 2024 г.
- ^ Вербицкая Е.; Абреу, М.; Анбиндерис, П.; Анбиндерис, Т.; Д'Амброзио, Н.; де Бур, В.; Борчи, Э.; Борер, К.; Бруззи, М.; Буонтемпо, С.; Касагранде, Л.; Чен, В.; Циндро, В.; Дезилли, Б.; Дирламм, А. (21 ноября 2003 г.). «Эффект восстановления сбора заряда в кремниевых детекторах p – n-перехода, облученных различными частицами» . Ядерные приборы и методы в физических исследованиях. Раздел А: Ускорители, спектрометры, детекторы и сопутствующее оборудование . Материалы 4-й Международной конференции по радиационному воздействию на полупроводниковые материалы, детекторы и приборы. 514 (1): 47–61. Бибкод : 2003NIMPA.514...47В . дои : 10.1016/j.nima.2003.08.083 . ISSN 0168-9002 .
- ^ Мендес, PR; Абреу, MC; Еремин В.; Чжэн Ли; Нииникоски, ТО; Родригес, С.; Соуза, П.; Вербицкая, Е. (2003). «Новая методика исследования глубоких уровней облученного кремния на основе эффекта Лазаря» . Симпозиум IEEE по ядерной науке 2003 г. Протокол конференции (номер по каталогу IEEE 03CH37515) . С. 417–423 Том 1. дои : 10.1109/nssmic.2003.1352075 . ISBN 0-7803-8257-9 . S2CID 21935672 . Проверено 30 января 2024 г.
- ^ Ли, Чжэн; Еремин Владимир; Вербицкая, Елена; Денинг, Бернд; Сапинский, Мариуш; Бартосик, Марцин Р.; Алексопулос, Андреас; Курфюрст, Кристоф; Харконен, Яакко (11 июля 2016 г.). «Деятельность сотрудничества CERN-RD39, направленная на применение криогенного кремниевого детектора в Большом адронном коллайдере высокой светимости» . Ядерные приборы и методы в физических исследованиях. Раздел А: Ускорители, спектрометры, детекторы и сопутствующее оборудование . Пограничные детекторы для пограничной физики: материалы 13-го Пизанского совещания по передовым детекторам. 824 : 476–479. Бибкод : 2016NIMPA.824..476L . дои : 10.1016/j.nima.2015.09.070 . ISSN 0168-9002 .
- ^ Пальмьери, Витторио Джулио; Казалино, Маурицио; Ди Дженнаро, Эмилиано; Ромео, Эмануэле; Руссо, Роберто (01 апреля 2024 г.). «Альфа- и бета-кремниевые устройства, работающие при криогенных температурах: источник энергии для исследования дальнего космоса» . Следующая Энергия . 3 : 100101. Бибкод : 2024NextE...300101P . дои : 10.1016/j.nxener.2024.100101 . ISSN 2949-821X .
- ^ Bormashov, V. S.; Troschiev, S. Yu.; Tarelkin, S. A.; Volkov, A. P.; Teteruk, D. V.; Golovanov, A. V.; Kuznetsov, M. S.; Kornilov, N. V.; Terentiev, S. A.; Blank, V. D. (2018-04-01). "High power density nuclear battery prototype based on diamond Schottky diodes" . Diamond and Related Materials . 84 : 41–47. Bibcode : 2018DRM....84...41B . doi : 10.1016/j.diamond.2018.03.006 . ISSN 0925-9635 .