Основные кинематические соотношения неголономных связей

ФИЗИКА. МЕТОДИКА ПРЕПОДАВАНИЯ ФИЗИКИ

3. Основные кинематические соотношения неголономных связей

Определение движения обобщенной механической модели системы виброизоляции на виброзащитных устройствах предполагает получение и изучение уравнений движения этой модели. С целью облегчения изложения последующего материала приведем ряд соотношений, относящихся к кинематике твердых тел. Введем обобщенные координаты, определяющие положение элементов механической модели системы.

Рассмотрим движение виброзащищаемых тел на опорах качения, ограниченных сверху и снизу параболоидами (рисунок 1) вида

1 1



1² 1²



², 2 2



2² 2²



²,

n m

z a x y z a x y (1) где x y z₁, ₁, ₁ и x₂,y₂,z₂ системы координат, связанные с опорами качения, начала которых находятся в точках O₁ и O₂, совпадающих соответственно с точками контакта опоры качения с верхним и нижним основаниями в положении равновесия.

Положение твердого тела в пространстве удобно определить с помощью двух систем координат – инерциальной (неподвижной) Oxyz и подвижной O₁ , неизменно связанной с движущимся телом. Положение подвижной системы O₁ по отношению

143

к системе координат Oxyz определяется координатами ее полиса и углами между осями этих координат [4], которые характеризуются таблицей направляющих косинусов.

Рисунок 1 – Система координат для описания движения тела вращения

В качестве основной системы координат выберем оси Oxyz неподвижной системы координат.

В соответствии с вышесказанным, положение iой опоры качения (тело - носителя) определим координатами его центра масс O^'i



xO^/i^,yO^/i^,zO^/i



и углами образованными осями подвижной, жестко связанной с опорами качения, системы координат O x y z'_i '_i '_i '_i, а также осями системы координат O'_i  _i _i _i  жестко связанной с опорами качения, с неизменным направлением осей. Взаимная ориентация осей подвижной системы координат O x y z'_i '_i '_i '_i определяется корабельными углами   _i, _i, _i



ⁱ^^{1, 2,...,}^k



^{, где}

k 

количество опор качения, через тригонометрические функции которых выражаются все направляющие косинусы.

Способ построения корабельных углов показан на рисунке 2. На рисунке 2 принято, что опорный элемент является осесимметричным телом вращения и ось O z'_i '_i

направлена вдоль оси вращения.

Выражения направляющих косинусов через углы   _i, _i, _i приведены в таблице 1.

Таблица 1

  _

x/ coscos sinsin sin  sin cos  cos sin sin cos sin y/ cossin sincos sin  cos cos  sin sin cos cos sin

z/ ^{cos sin}  _sin cos cos 

Таблица 2

  _

x/ 1 ^ ^^

y/  1 

z/ ^  1

ФИЗИКА. МЕТОДИКА ПРЕПОДАВАНИЯ ФИЗИКИ

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

144

Пусть n единичный вектор нормали к поверхностям основания, проходящей через точки контакта опор качения с верхним и нижним основаниями.  угол между вектором n и осью O z' '. Тогда имеют место соотношения

cos , ^' sin

g g

dr dz

dS   dS   , (2) где rрасстояние точки контакта A до оси O z' '; S_g,_g принятые за гауссовы координаты, отсчитываемые по дуге меридиана от точки пересечения с осью O z' ', и азимутальный угол _g.

Единичный вектор нормали n направлен по оси O' и остается постоянным по направлению при движении системы т.е. nconst.

Воспользуемся зависимостью между абсолютной и относительной производными от векторной функции

 

dn dn

dt  dt  n , (3) где угловая скорость подвижной системы координат. Умножая обе стороны на n векторном (3), получим

ⁿ ^dn ⁿ



ⁿ



⁰

dt 

 

    

   

  . (4)

Рисунок 2 – Система координат для описания двумерного движения тела качения

С помощью свойств векторного умножения векторов преобразуем уравнения (4) к виду

ⁿ ^dn



^{n n}

 

^{n n}



⁰

dt  

      

 

  . (5) Введем обозначения

   â â

 

n ^, (6) где  _â угловая скорость верчения опоры качения.

Учитывая обозначения (6) из уравнения (5) определим угловую скорость

o â

n n dn

 dt

 

    . (7)

145

Разложение вектора n по ортам осей подвижной системы координат, связанной с опорами качения, имеет вид

'sin cos _g 'sin sin _g 'cos

ni    j   k , (8) где i', ', 'j k орты подвижной системы координат.

Используя соотношение (8), перепишем выражение (7) в проекциях на оси подвижной системы координат, связанной с опорами качения

   

 

' '

2 ' '

cos sin cos sin ; cos sin sin cos ; cos sin .

O x â g g g

O y â g g g

O z â

      

   

   

   

  

(9) Уравнение параболоида (1) в переменных r₁ и r₂ записывается в виде

1 1 1 1

2 2 2 2

' ;

n m

z h a r

z z h a r

  

    (10) где h₁ и h₂расстояния от полюса O' до полюсов O₁ и O₂ соответственно. Из геометрических свойств определим угол  в виде

   

1 2 1 2

1 2

1 1 1 1 1 2 2 2 2 2

1 2

, 1 , , 1 .

n n m m

dz dz

a nr a n n r r a mr a m m r r

dr dr

  ^   ^    ^    ^ (11)

С помощью выражений (10) и (11) можно определить следующие соотношения

1 1

1 1 1 1

1 2 1 1 1 2 2 2

1 2 1 2

, , , .

n m

n m n m

r r z h a z h a

a n a m a n a m

 ^  ^  ^  ^

       

           

        (12)

1 1

1 2 1 2

1 2

n m

z z H a a

a n a m

 ^  ^

     

 

        

(13) где H h₁ h₂.

Положение виброзащищаемого тела определим координатами его центра тяжести



c^, c^, c



C x y z и тройкой корабельных углов   _c, _c, _c, образованных осями подвижной, жестко связанной с виброзащищаемым телом системы координат CX Y Z' ' ', с осями основной системы координат Oxyz. Способ построения корабельных углов показан на рисунке 1.3.2, а выражения направляющих косинусов через углы   _c, _c, _c приведены в таблице 2.

Проекции угловой скорости _c виброзащищаемого тела на оси Ox Oy Oz, , выражены следующим образом:

cos cos sin ;

sin ;

sin cos cos .

x c c c c c

y c c c

z c c c c c

    

  

    

  

  

   

(14) Проекции угловой скорости _c на оси Cx Cy Cz', ', ', т.е. относительно подвижных систем координат жестко связанных с виброзащищаемым телом имеют вид:

' ' '

cos cos sin ; sin cos cos ;

sin .

X c c c c c

Y c c c c c

Z c c c

    

  

  

   

  

(15)

ФИЗИКА. МЕТОДИКА ПРЕПОДАВАНИЯ ФИЗИКИ

146

Положение несущего тела определим координатами полюса O x y z



0, 0, 0



и тройкой корабельных углов   ₀, ₀, ₀, образованных подвижной, жестко связанной с несущим телом системой координат Ox y z₀^', ₀^', ₀^', а также осями основной системы координат Oxyz.

Проекции угловой скорости ₀ несущего тела на оси Ox Oy Oz, , выражены следующим образом

0 0 0 0 0 0

0 0 0 0

0 0 0 0 0 0

cos cos sin ;

sin ;

sin cos cos .

    

  

    

  

  

   

(16) Проекции угловой скорости ₀ на оси Ox Oy Oz₀^', ₀^', ₀^', т.е. относительно подвижных систем координат, жестко связанных с несущим телом, имеют вид

' 0

0 0 0 0 0

0 0 0

cos cos sin ; sin cos cos ;

sin .

    

  

  

   

  

(17) Выбор корабельных углов для описания угловых движений тел, являющихся элементами исследуемой системы, обусловлен тем их свойством, что при малом отклонении тела от начального положения все три угла остается малыми. Если же пользоваться, например, эйлеровыми углами, то малому отклонению от начального положения будет соответствовать лишь малость угла нутации, а также суммы углов процессии и чистого вращения.

4.Вывод

Разработана механическая модель твердого тела, поддерживаемой кинематическими опорами, ограниченными поверхностями вращения высокого порядка, перекатывающимися по подвижной несущей поверхности с целью исследования динамики сооружений с сейсмоизоляцией типа (опорный) кинематический амортизатор.

Получены кинематические величины, описывающие движения опоры качения со спрямленными поверхностями, которые являются основными элементами виброзащитных устройств

1. Бисембаев К. Колебания тела на опорах со спрямленными поверхностями. // Изв. АН КазССР. Сер. Физ.-мат.1988, №3, с. 65-69.

2.Бисембаев К. О колебаниях тела качения с учетом образования конечной площадки опирания вследствие необратимой деформации во времени // Механические колебания и устойчивость. – Киев, 1987. – C.33-40.

3.Бисембаев К. О виброзащите опорами качения с деформируемыми элементами.// Киев, 1987. – 14с.

4.Зеленский Г.А. Исследование механических систем с кинематическими амортизаторами: дис. ... канд. техн. наук: 01.02.01. – Киев, 1977. – 143 с.

5. Лурье А.И. Аналитическая механика. – М.: Физматгиз, 1961. – 824с.

Аңдатпа. Құрылыс ғимараттарын жер сілкінісінен қорғау проблемасына практикалық қолданыс тапқан жоғары дәрежелі айналу беттерімен шектелген теңселмелі тірекке орнатылған дірілден қорғау қондырғысының және ауыр денені дірілден оңашалаудың механикалық моделі тұрғызылды.Жоғарыда сипатталған ғимараттарды кинематикалық фундаменттің көмегімен жер сілкінісінен оңашалау оның салыстырмалы қозғалысы арқылы объектіге берілетін кернеуді айтарлықтай азайтадыдеп ұйғарады.Түзетілетін беттермен шектелген теңселмелі тірекке орнатылған дірілден қорғау қондырғысының қозғалысын сипаттайтын кинематикалық шамалар үшін өрнектер алынды.

147

Түйін сөздер: механикалық модельдер, дірілденқорғау қондырғысы, теңселмелі тірек, жерсілкінісінен оңашалау, кинематикалық фундамент.

Abstract. Built mechanical model of vibration isolation devices on the legs of a rolling surfaces of revolution bounded higher order received its practical implementation in the problem of seismic resistance of building structures and vibration of massive bodies. The method described above seismic isolation structures via kinematic bases implies a substantial reduction of loads transmitted to an insulated object by its relative movement. The expressions for describing the magnitude of the kinematic motion of vibration isolation devices on rolling bearings with straightened surfaces.

Keywords: Mechanical model, vibration isolation devices, support rolling, seismic isolation, kinematic foundations.

УДК. 539. 1. 074

С.И. Диденко¹, С.В. Черных¹, Ф.М. Барышников¹, К.М. Мукашев³, Н. Буртебаев², Т.К. Жолдыбаев², Е. Мухамеджанов^2,4, М. Насрулла^2,5 АНАЛИЗ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ДЕТЕКТОРА

НА ОСНОВЕ АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ

(¹Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС» (Москва, Россия),

2Институт ядерной физики (Алматы, Казахстан),

3Казахский национальный педагогический университет имени Абая (Алматы, Казахстан),

4Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН (Москва, Россия),

5)Казахский национальный университет имени аль-Фараби)

Аннотация. На сегодняшний день измерение нейтронных потоков с помощью полупроводниковых приборов является наиболее перспективным направлением в ядерной физике. Одним из таких материалов является арсенид галлия GaAs. Он имеет более высокие радиационо и термически стойкие характеристики перед другими. Поэтому применение его в качестве детектора нейтронов является оправданным. Для этой цели был использован арсенид галлия, выполненный по технологии газофазной эпитаксии (VPE GaAs). Эта технология значительно снижает фон, возникающий от фотонного излучения. Описывается структура и важнейшие электрические характеристики разработанного детектора из тонких пластин кристалла высокой очистки. Энергетическое разрешение составило 48,2 кэВ.

Ключевые слова: нейтрональфа-частиц, арсенид галлия, детектор, сенсор

На сегодняшний день детекторы нейтронов на основе полупроводниковых материалов широко используются в таких областях науки, как физика космоса и элементарных частиц, ядерная энергетика, материаловедение, радиационная безопасность, медицина и др. Принцип работы таких детекторов, основан на регистрации полупроводниковым сенсором вторичных частиц, образующихся в результате (n,α)-, (n,γ)- или (n,р)-реакций. В зависимости от энергии нейтронов используют различные эффекты взаимодействия. Для регистрации тепловых нейтронов (En<0.5 эВ) используют обычно (n,α)-реакции, такие как ¹⁰B(n,α)⁷Li и ⁶Li(n,α)³H, или (n,γ)-реакции типа ¹⁵⁷Gd(n,γ)¹⁵⁸Gd. При регистрации быстрых нейтронов это (n,р)- реакции упругого рассеяния быстрых нейтронов (En>500 кэВ) в водород-содержащем материале.

ФИЗИКА. МЕТОДИКА ПРЕПОДАВАНИЯ ФИЗИКИ

148

Нейтронные детекторы с конвертерными слоями на основе радиационно-стойких полупроводниковых материалов, таких как SiC в последнее десятилетие стали привлекательными устройствами для мониторинга потоков нейтронов ядерных реакторов, характеризации отработанного топлива и приложений безопасности благодаря своей механической прочности, температурной стабильности и радиационной стойкости [1–3]. В большинстве своем это детекторы с нейтронно-чувствительными конвертерами на основе диодов с барьером Шоттки на основе системы Ni/Au к эпитаксиальным слоям SiC, выращенным методом газофазной эпитаксии на сильнолегированных 4H-SiC n⁺⁺-подложках омический контакт к которым выполняется с помощью системы Ti/Pd/Au. Однако недостаточное развитие технологии создания приборных структур на карбиде кремния пока не позволяет говорить о возможности широкого использования таких приборов. Основными трудностями данной технологии являются: высокая дефектность материала (плотность дислокаций до 10⁸ см^-2, для сравнения в Si и GaAs эта величина на порядки ниже 10³–10⁴ см^-2); значительное количество объемных дефектов (кластеры, микропайпы и др.); несовершенство границ гомо- и гетеропереходов; недостаточно отработанная технология контактов Шоттки и омических контактов; невозможность использования жидкостного травления, сложности шлифовки, полировки и резки, что обусловлено физико-химическими характеристиками материала (высокая твердость, прочность, химическая стойкость и т.д.).

На сегодняшний день активные работы по созданию детекторов на GaAs возобновились, это стало возможным благодаря значительному улучшению качества объемного полуизолирующего материала. Значительные результаты в данной области исследований получены колаборацией с головным институтом – Institute of Nuclear and Physical Engineering (Slovakia). Разработанные ими детекторы на объемном VGF (Vertical Gradient Freeze) или LEC (Liquid Encapsulated Czochralski) GaAs производства CMK Ltd.

(Slovakia) оказались эффективными устройствами для обнаружения быстрых или тепловых нейтронов [4–6]. Высокая радиационная стойкость SI GaAs предопределяет этот материал в качестве перспективного кандидата для изготовления детекторов нейтронов. Недостатком таких детекторов является высокая чувствительность к γ- излучению, в связи с этим требуется использование защиты от γ-фона [5,6] или необходимо использование таких детекторов в режиме неполного обеднения [7]. В настоящей работе приведены результаты исследования детекторов на основе тонких высокочистых GaAs слоев, получаемых газофазной эпитаксией (VPE GaAs), что позволит увеличить соотношение сигнал/γ-фон, значительно снизить рабочее смещение детектора (или использовать вовсе без смещения) и иметь более высокую температурную стабильность в сравнении с объемным SI GaAs [8]. Это может быть определяющим фактором, например, при разработке детекторов для персональной дозиметрии нейтронного излучения или для высокотемпературных применений.

Для изготовления поверхностно-барьерного сенсора использовались эпитаксиальные слои арсенида галлия толщиной 42 мкм с концентрацией носителей заряда на уровне 3∙10¹¹ см^-3. Плёнки выращивались на двухдюймовых n⁺⁺-GaAs подложках с ориентацией <100>, легированных кремнием до концентрации 2∙10¹⁸ см^-3. Для этого использовалась известная хлоридная система Ga-AsCl3-H2, реализованная на установке с вертикальным реактором – ETR-100. Некоторые параметры ростового процесса и эпитаксиальных слоев представлены в таблице 1.

149

Таблица 1. Некоторые параметры ростового процесса и эпитаксиальных слоев

тип проводимости n

скорость роста, мкм/час 9–10

максимальная толщина i-слоя, мкм до 120 концентрация свободных

носителей, см^-3 ~ 10¹¹

μe∙τe, cm²/V, где μ – дрейфовая

подвижность носителей заряда, τ – время жизни неравновесных носителей

2∙10^-4 μh∙τh,cm²/V,гдеμ – дрейфовая подвижность

носителей заряда, τ – время жизни неравновесных носителей

2∙10^-5 концентрация EL2-центров, см^-3 ~ 10¹³

Принципиальная конструкция поверхностно-барьерного GaAs сенсора представлена на рисунке 1. Изготовление экспериментальных образцов GaAs сенсоров

Рисунок 1. Принципиальная конструкция поверхностно-барьерного GaAs детектора проводилось с помощью контактной фотолитографии с использованием трех фотошаблонов. Первый фотошаблон предназначен для открывания окон для осаждения гальванического золота с целью формирования контактных площадок; второй фотошаблон необходим для ограничения размеров активной области сенсора;

открывание «окон» в пассивирующем покрытии производилось с помощью третьего фотошаблона.

На следующем этапе пластина разделялась на отдельные чипы с помощью резки алмазным диском, чипы имели размер 6×6 мм². Чипы приклеивались обратной стороной на токопроводящий клей ТОК-2 в металлокерамические корпуса КТ-94-2 производства ОАО «Завод «МАРС» (г. Торжок, Россия). Контакт к активной области выполнялся алюминиевой проволокой посредством термокомпрессионной сварки. Двухдюймовая пластина с готовыми чипами поверхностно-барьерных GaAs сенсоров и внешний вид сенсора в корпусе представлена на рисунке 2.

Для проведения спектрометрических измерений были отобраны 4 опытных образца поверхностно-барьерных детекторов на основе арсенида галлия, которым были присвоены номера 6.5, 6.7, 6.9, 6.12. Их электрические характеристики приведены в таблице 2 и на рисунке 3. Измерения проводились при комнатной температуре.

Детекторы располагались в специальной вакуумной камере при остаточном давлении 10² мм. рт. столба. Облучение проводилось коллимированным пучком α-частиц от источника ²²⁶Ra. Для этой цели использовалась стандартная для альфа-спектрометрии схема. Детектор через малошумящий зарядовочувствительный предусилитель и

ФИЗИКА. МЕТОДИКА ПРЕПОДАВАНИЯ ФИЗИКИ

150

усилитель-формирователь подключался к 512-канальному анализатору на базе ∆Е-Е по методике, разработанной в Институте ядерной физики МЭ РК.

Таблица 2. Электрические параметры образцов

№ детектора

Толщина i- слоя, мкм

С, пкФ (постоянна при

обратном смещении)

Ток утечки (нА) при

-40 В -60В -80В

6.5 38.3 75.1 2.1 2.9 3.8

6.7 40.3 71.4 1.6 2.1 2.6

6.9 39.7 72.5 3.1 4.3 5.8

6.12 41.0 70.1 2.00 2.6 3.2

Рисунок 2. Фотография поверхностно-барьерного GaAs детектора: a) двухдюймовая GaAs подложка со сформированными структурами и b) детектор в корпусе

(размер чипа 6×6 мм², размер активной области 5×5 мм²).

Рисунок 3. Электрические характеристики детектора

В дальнейшем была исследована эффективность сбора заряда в зависимости от поданного на детекторы напряжения смещения для определения рабочей величины. Для всех исследуемых детекторов данная зависимость, была идентичной (рисунке 4).

Источник ²²⁶Ra испускает -частицы с энергиями 7.687, 6.002, 5.49 и 4.78 МэВ.

151

Рисунок 4 – Эффективность сбора заряда на α-частицах от источника ²²⁶Ra, оцененная по центрам тяжестей распределений при различных смещениях на детекторе

Эффективность сбора заряда от самых длиннопробежных частиц выходит на максимум при напряжении 60 В, что обуславливает выбор величины рабочего смещения не менее 65 В. Для оценки шумов спектрометрического тракта и их вклада в энергетическое разрешение детектора одновременно проводилось измерение сигнала, подаваемого от генератора импульсов точной амплитуды. Полученные данные об энергетическом разрешении сведены в таблицу 3.

Таблица 3 – Энергетическое разрешение детектора Энергия -частиц,

МэВ

FWHM, каналы

FWHM, КэВ

4.78 1.81 47.7

5.49 1.84 47.7

6.002 1.89 48.7

7.687 1.92 48.7

генератор 1.14 28.2

Выводы. Разработана технология и изготовлены образцы поверхностно- барьерных детекторов на основе высокочистых эпитаксиальных слоев VPE GaAs для использования в качестве сенсора протонов отдачи при регистрации быстрых нейтронов.

Для формирования выпрямляющего контакта была использована металлизация на основе системы Pt/TiN/Au (200Å/600Å/500Å). Качество эпитаксиальных слоев и используемая технология формирования выпрямляющего контакта позволила получить достаточно низкие для GaAs темновые токи: при обратных смещениях 50 и 100 В утечка составила 0,8 и 1,5 нА, соответственно.

Исследованы рабочие характеристики изготовленных детекторов на источнике альфа-частиц ²²⁶Ra. Проведенные измерения показали достаточно высокое для GaAs детекторов такой площади энергетическое разрешение и высокую эффективность сбора заряда, что говорит о высоком качестве изготовленных поверхностно-барьерных структур. Изготовленные детекторы имеют низкое рабочее смещение, и в режиме счета частиц могут быть использованы без такового при сохранении достаточно высокой эффективности сбора заряда (не менее 60 %).

1. R.W. Flammang et al., Fast neutron detection with silicon carbide semiconductor radiation detectors // Nucl. Instr. and Meth. A579 (2007) 177.

-10 0 10 20 30 40 50 60 70

55 60 65 70 75 80 85 90 95 100

_4,78 Ì ýÂ

_5,49 Ì ýÂ

_6,002 Ì ýÂ

_7,687 Ì ýÂ

Ýôôåêòèâíîñòü, %

Î áðàòí î å ñì åù åí è å, Â

ФИЗИКА. МЕТОДИКА ПРЕПОДАВАНИЯ ФИЗИКИ

152

2. Jang Ho Ha et al., A self-biased neutron detector based on an SiC semiconductor for a harsh environment // Applied Radiation and Isotopes. 67 (2009) 1204.

3. K. Sedlačková et al. MCNPX Monte Carlo simulations of particle transport in SiC semiconductor detectors of fast neutrons. 2014 JINST 9 C05016.

4. A. Sagatova-Perdochova et al. GaAs detectors with LiF layer for detection of thermal neutrons // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. – 2008. – Vol. A 591.

– P. 98.

5. A. Šagátová-Perd’ochová et al., Detectors of fast neutrons based on semi-insulating GaAs with neutron converter layers // Nucl. Instr. And Meth. A576 (2007) 56.

6. A. Šagátová et al., Semi-insulating GaAs detectors optimized for fast neutron detection, 2013 JINST 8 C03016.

7. D.S. McGregor et al., Thin-film-coated bulk GaAs detectors for thermal and fast neutron measurements // Nucl. Instr. and Meth. A466 (2001) 126.

8. V.A. Bespalov et al., Electrophysical properties of GaAs layers and the characteristics of fast particle GaAs detectors // Technical Physics. 49 (3) (2004) 310.

9. G.I. Koltsov, S.I. Didenko, A.V. Chernykh, S.V. Chernykh, A.P. Chubenko, and Yu.N.

Sveshnikov. Schottky Contacts to High-Resistivity Epitaxial GaAs Layers for Detectors of Particles and X- or γ-Ray Photons // Semiconductors.– 2012.– Vol. 46, №8. – P. 1066.

10. .S.I. Didenko, G.I. Koltsov, A.V. Chernykh, S.V. Chernykh, A.P. Chubenko, N.

Burtebayev, J.T. Burtebayeva, S.K. Sakhiev, A.K. Morzobayev, J.M. Mussaev. Schottky Barriers at Undoped Epitaxial GaAs Films Used For Nuclear Radiation Detectors //

International Conference Nuclear Science and its Application 2012. Book of Abstracts.–

2012.– P. 171.

Аңдатпа. Бүгінгі таңда жартылай өткізгіш детекторлармен нейтрондық ағындарды өлшеу әдістері ядролық физикадағы болашағы жоғары салаға жатады. Галлий арсенидтің кремниймен салыстырғанда радиациялық және температуралық беріктігі әлде-қайда жоғары.

Сондықтан оны детектор материалы ретінде қолданудың артықшылығы бар. Жұмыста - фотондарымен сәулелендіру әсерін бірталай төмендететін газофаздық эпитаксия (VPE GaAs) арқылы орындалған галий арениді қолданылды. Аса таза жұқа қабаттардан тұратын детекторларды жасау әдістері және оларды зерттеу нәтижелері қарастырылады.

Детекторлардың энергетикалық шешуші қабілеті 48,2 КэВ.

Түйін сөздер; нейтрон, альфа-бөлшек, галлий арсениді, детектор, сенсор.

Abstract. Nowadays the method of measuring neutron fluxes using semiconductor detectors is a promising direction of nuclear physics development. Using GaAs as the material has advantages in comparison with silicon due to its high radiation and temperature resistance. This paper presents the results of a study of detectors based on high-purity thin layers of gallium arsenide obtained by vapor- phase epitaxy (VPE GaAs), which can significantly reduce the background from -radiation.

Manufacturing technique is given as well. The main electrical and spectrometric characteristics were determined. The energy resolution obtained is 48.2 keV.

Keywords: neutron, alpha-particle, gallium arsenide, detector, registration, Sensor.

153

УДК 539.172.15.

1 А. Дуйсебаев, ¹ Б.А. Дуйсебаев, ¹ Т.К. Жолдыбаев, ²К.М. Мукашев ФОРМИРОВАНИЕ ИНКЛЮЗИВНЫХ СПЕКТРОВ ПРОТОНОВ ИЗ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ИОНОВ ³Не С ЭНЕРГИЕЙ 50,5 МэВ С ЯДРОМ ²⁷Al

(¹⁾Институт ядерной физики,

(²⁾Казахский национальный педагогический университет имени Абая, Алматы)

Аннотация Экспериментальные исследования были выполнены на изохронном циклотроне Института ядерной физики. В результате взаимодействия протонов с ядрами ²⁷Al возникают инклюзивный спектр протонов с энергией 50,5 МэВ. Измерение спектро проводилось в интервале углов 15-135^о с шагом 15^о. Экспериментальные спектры были получены на основе экситонной модели. Полученное условие равенства описывает эмиссию частиц с определенным массовым числом от 1 до 4-х.

Ключевые слова: протоны, компаундное ядро, экситонная модель, интегральный спектр, циклотрон, ускоритель.

Исследования по разработке принципиально нового поколения ядерно- энергетической системы с высоким уровнем безопасности (Accelerator Driven System (ADS)), состоящей из ускорителя протонов (дейтонов) с энергией 0,8–1,5 ГэВ и током 30–100 мА, нейтронопроизводящей мишени мощностью 30–100 МВт и подкритического реактора (бланкета) с потоком тепловых нейтронов (1–5)10¹⁵ см^-2 с^-1 [1, 2] развернуты в США – программа «АВС\ATW», Японии – «ОМЕГА», Франции – «SPIN», «SATURNE», в России «Energy and Transmutation», SNEPT – Европейская стратегическая технологическая платформа устойчивого развития атомной энергетики с программой

«MYRRHA» –Бельгия, являющейся составной частью Европейского комплекса перспективных исследовательских реакторов АDS [3, 4].

Согласно физическому сценарию работы АDS, высокоэнергичные протоны при прохождении мишенной сборки порождают не только нейтронный поток, но и спектр более сложных нуклидов ^2,3Н, ^3,4Не и т.д., которые выступают в качестве агентов инициирующих реакции с испусканием вторичных нейтронов. Диапазон нуклонного состава и энергий возбуждения в системе АDS существенно шире чем в традиционных реакторах, что требует качественно нового ядерного константного обеспечения, которые могут быть получены из экспериментальных данных реакций инициированных нуклидами и легчайшими ядрами с конструкционными элементами бридера. Физически и экономически невозможно измерить в столь широком диапазоне энергий и масс все необходимые сечения ядерных реакций с точностью не более 15% для элементов АDS.

В этой ситуации крайне важны получение экспериментальных «реперных» сечений реакций и разработка и развитие ядерных моделей механизма реакций, повышение их предсказательной силы. В этом аспекте, особое значение имеет развитие концепции предравновесного распада ядер, отражающей динамику образования и эволюции возбужденной системы к равновесному состоянию [5–8]. Интерес представляет исследование инклюзивных распределений легких заряженных частиц и ядер, инициированных ионами ³Не, ⁴Не, где к настоящему времени экспериментальная информация крайне ограничена [9–12].

Измерения сечений ядерных реакций (³Не,xp) в угловом диапазоне 15-135^о выполнены на изохронном циклотроне У–150М ИЯФ [13, 14]. Энергия налетающих ионов ³He составила 50,5 МэВ. В качестве исследуемого ядра выбран ²⁷Al

ФИЗИКА. МЕТОДИКА ПРЕПОДАВАНИЯ ФИЗИКИ

154

(моноизотопная мишень толщиной 3,65 мг/см²), как кандидат на конструкционный элемент ядерно-энергетических установок.

Идентификация продуктов исследуемых реакций по массам и энергии на основе (ΔЕ – Е) метода осуществлялась системой многомерного программируемого анализа с использованием спектрометрических линеек на основе электроники фирм ORTEC и POLON, блок–схема которой представлена на рисунке 1. При этом реализована новая интегрированная схема, включающая в себя амплитудно–цифровой преобразователь, счетчики импульсов и крейт–контроллер с последующим выходом на ПК. Сигналы от

∆Е– и Е–детекторов поступают по двум спектрометрическим трактам («Е», «dЕ») на двумерный анализатор, выполненный на микроконтроллерах и представляющий собой выносной блок, подключаемый к USB–порту персонального компьютера. Системная программа задает режимы работы анализатора и передачу данных в компьютер, в программу для графической визуализации данных и сохранения их в его файлах.

Полученные в результате обработки экспериментальных данных дважды–

дифференциальные сечения реакции (³Не,xp) на ядре ²⁷Al при энергии налетающих ионов ³He = 50,5 МэВ представлены на рисунке 1. В спектрах, измеренных под передними углами проявляется широкий бамп в сечениях, связанный с развалом ³He в поле ядра мишени. Из качественного рассмотрения полученных инклюзивных спектров следует, что сечения высокоэнергетических частиц с ростом угла падают при сохранении корреляции с направлением первичной частицы во входном канале.

Рисунок 1. Дважды дифференциальные сечения реакции ²⁷Al(³He,xp) при E(³He) = 50,5 МэВ и различных углах регистрации протонов

Экспериментальные данные по дважды–дифференциальным сечениям реакции (³He,xp) на ядре ²⁷Al при энергии налетающих ионов ³He 50,5 МэВ проинтегрированы в измеренном угловом диапазоне. Полученные интегральные сечения, усредненные в диапазоне энергий 0,5 МэВ, представлены на рисунке 2. Величина экспериментального парциального сечения составила 769,8 мб.

Теоретический анализ экспериментальных результатов был выполнен в рамках модифицированной версии экситонной модели предравновесного распада ядер [15 – 18].

В рамках этой модели принимается, что ядро имеет набор эквидистантных одночастичных состояний. Взаимодействие, в результате которого ядро переходит из одного состояния в другое, считается двухчастичным и достаточно слабым, что позволяет применить теорию возмущений при вычислении вероятностей переходов.

Энергия системы сохраняется. В двухкомпонентной модели протонные и нейтронные степени свободы учитываются раздельно.

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

10^-5 10^-3 10^-1 10¹

135^o 75^o

45^o

105^o 15^o

30^o

d2 /dEd, мбн/ср*МэВ

E, МэВ

Dalam dokumen Просмотр «Том 51 № 3 (2015): Вестник КазНПУ им.Абая. Серия: физико-математические науки» | «Физико-математические науки» (Halaman 143-200)