Kontakt
Intranet
EN
Detekcia ionizujúceho žiarenia
Ionizujúce žiarenie sa prechodom látkovým prostredím prejavuje rôznymi fyzikálnymi javmi, kde sa niektoré využívajú na detekciu alebo meranie na jeho charakteristík. Základnou súčasťou prístroja na meranie ionizujúceho žiarenia je detektor resp. senzor. Citlivou časťou senzora je polovodičový materiál ako kremík, gálium arzenid, kadmium telurid, indium fosfid, karbid kremíka a pod. Podľa typu ionizujúceho žiarenia (alfa, beta, rtg, gama a iné) a jeho charakteristík, ktoré chceme detegovať je nutné prispôsobiť aj parametre polovodičového senzora (celková citlivá plocha, hrúbka a pod.). Na oddelení pripravujeme a testujeme tvz. „single“ detektory a potom aj pixelové 2D štruktúry pre digitálnu radiačnú kameru (Obr. 1.). Ako základný detekčný materiál využívame 4H-SiC a tiež semiizolačný GaAs polovodič.
a) 
b) 
Obr. 1. a) Fotografia zapuzdreného tvz. „single“ detektora na báze 4H-SiC; b) Polovodičový substrát na báze GaAs s pripravenými pixelovými štruktúrami s veľkosťou jedného pixela 55 mm.
Pripravené polovodičové detektory sú pripojené k riadiacej elektronike spracovávajúcej signály z detektora. Detektory sú schopné merať energiu ionizujúceho žiarenia s vysokou presnosťou. Obr. 2a ukazuje zmerané píky alfa častíc s detektorom na báze 4H-SiC generované rádioizotopmi 239Pu, 241Am a 244Cm. SiC senzor dokáže pracovať aj pri vysokých teplotách. Obr. 2b ukazuje porovnanie jeho detekčných schopnosti pre alfa častice pri izbovej teplote a 500 °C. Je vidieť, že optimalizovaný SiC detektor má takmer identické charakteristiky aj pri extrémne vysokej teplote.
Obr. 2. a) Spektrum alfa častíc získané s pripraveným detektorom na báze 4H-SiC; b) porovnanie spektrometrických vlastností 4H-SiC detektora pri teplote 25 °C a 500 °C.
Pixelové 2D detektorové polia sú vhodné pre zobrazovanie ionizujúceho žiarenia. Na základe detekčnej stopy je možné určiť typ častice a tiež jej energiu. Obr. 3. stopy jednotlivých typov žiarenia (rtg, elektróny, alfa častice) detegovaného radiačnou kamerou na báze GaAs. Typický počet pixelov radiačnej kamery je 256 × 256 pixelov, resp. násobky.
Obr. 3. a) Stopy rtg. žiarenia s energiou 60 keV; b) stopy elektrónov s energiou 546 keV; c) stopy alfa častíc s energiou 5480 keV.
Rtg kryštálová optika
Röntgenová (Rtg) kryštálová optika sa vyrába z monokryštalických materiálov, ktoré majú presne definovanú kryštalografickú orientáciu atomárnych rovín. Pre tvrdé rtg žiarenie sa najčastejšie používa kremík (Si) a germánium (Ge). Vývojom nových intenzívnejších rtg zdrojov ako sú napríklad rtg lasery sa začínajú uplatňovať aj iné tepelne odolnejšie materiály ako je napríklad diamant (C) alebo karbid kremíka (SiC).
Pomocou rtg kryštálovej optiky sa upravuje tvar rtg lúča a jeho spektrálne vlastnosti. Napríklad môžeme rtg lúč rozširovať alebo fokusovať v jednom alebo v dvoch smeroch a súčasne prichádza k monochromatizácii rtg zväzku. Monochromatické rtg žiarenie nám umožňuje lepšie kvantitatívne vyhodnocovanie rôznych meraní či už ide o rtg metrológiu alebo rtg zobrazovanie.
Na oddelení sa zaoberáme výskumom a vývojom nových typov rtg optiky s vysoko presnými rovinnými a zakrivenými aktívnymi povrchmi. Povrchy vieme v spolupráci s priemyselným partnerom pripraviť pomocou inovatívnej vysoko-presnej technológie nanoobrábania. Metóda nanoobrábania využíva mechanický úber materiálu s hĺbkou rezu od 0.125 do 10 mikrometrov pomocou jedného diamantového hrotu a umožňuje vyrábať povrchy s vysokou presnosťou tvaru, nanometrovou drsnosťou povrchu a minimálnym poškodením kryštálovej mriežky v podpovrchovej oblasti. Vyvíjame aj postupy chemomechanického a chemického leštenia zakrivených povrchov (valcové, parabolické, logaritmické,…) s cieľom odstrániť periodické stopy po nástroji a oblasti s podpovrchovou deformáciou kryštálovej mriežky, ktoré sa vytvárajú kvôli deterministickému charakteru nanoobrábania.
Nové prvky rtg optiky a ich zostavy testujeme v reálnych laboratórnych experimentoch rtg metrológie (SAXS/GISAXS, HRXRD) a rtg zobrazovania s mikrofokusnými rtg zdrojmi. V rámci spolupráce s Fyzikálnym ústavom SAV máme k dispozícii vysoko intenzívny mikrofokusný rtg zdroj s kvapalnou Ga anódou a ďalší s pevnou Cu anódou. Detektory ionizujúceho žiarenia, ktoré vyvíjame na pracovisku ElÚ SAV na báze Medipix technológie sú priamo využívané v kombinácii s novými prvkami rtg optiky v experimentálnych zostavách. Pre vysoko presné nastavovanie optiky v rámci rtg systému využívame existujúcu laboratórnu infraštruktúru ako sú napr. vysoko presný goniometer alebo hexapody s presnosťou polohovania 0.0001 mm. V závislosti od pridelenia strojového času optiku testujeme aj na zdrojoch synchrotrónového žiarenia. Tu využívame hlavne našu medzinárodnú spoluprácu.
Obr. 4. Fotografia prvku rtg kryštálovej optiky pripravenej z germániového monokryštálu (vľavo) a princíp kompresie rtg lúča (vpravo).
Vybrané publikácie:
Osvald, J., Hrubčín, L., and Zaťko, B.: Temperature dependence of electrical behaviour of inhomogeneous Ni/Au/4H–SiC Schottky diodes, Mater. Sci Semicond. Process. 140 (2022) 106413.
Zaťko, B., Hrubčín, L., Šagátová, A., Osvald, J., Boháček, P., Kováčová, E., Halahovets, Y., Rozov, S.V., and Sandukovskij, V.G.: The study of Schottky barrier detectors based on high quality 4H-SiC epitaxial layer with different thickness, Applied Surface Sci 536 (2021) 147801.
Osvald, J., Hrubčín, L., and Zaťko, B.: Schottky barrier height inhomogeneity in 4H-SiC surface barrier detectors, Applied Surface Sci 533 (2020) 147389.
Dubecký, F., Zaťko, B., Kolesár, V., Kindl, D., Hubík, P., Gombia, E., and Dubecký, M.: Charge collection efficiency of Pt vs. Mg contacts on semi-insulating GaAs, Applied Surface Sci 467-468 (2019) 1219-1225.
Kubanda, D., Zaťko, B., Šagátová, A., Žemlička, J., Zápražný, Z., Boháček, P., Dudák, J., Kováčová, E., and Nečas, V.: Performance of bulk semi-insulating GaAs-based sensor and its comparison to Si-based sensor for Timepix radiation camera, J. Instrument. 14 (2019) C01023.
Šagátová, A., Zaťko, B., Dubecký, F., Ly Anh, T., Nečas, V., Sedlačková, K., Pavlovič, M., Fülöp, M., :Radiation hardness of GaAs sensors against gamma-rays, neutrons and electrons. Applied Surface Sci 395 (2017) 66-71.
Zaťko, B., Šagátová, A., Sedlačková, K., Boháček, P., Sekáčová, M., Kohout, Z., Granja, C., Nečas, V., :Radiation detector based on 4H-SiC used for thermal neutron detection. J. Instrument. 11 (2016) C11022.
Zápražný, Z., Korytár, D., Jergel, M., Šiffalovič, P., Halahovets, Y., Keckes, J., Maťko, I., Ferrari, C., Vagovič, P., Mikloška, M., : Nano-machining for advanced x-ray crystal optics. AIP Conf. Proc. 1764 (2016) 020005.
Korytár, D., Zápražný, Z., Ferrari, C., Frigeri, C., Jergel, M., Maťko, I., and Kečkeš, M.: Cross-sectional TEM study of subsurface damage in SPDT machining of germanium optics, Applied Optics 57 (2018) 1940-1943.
Zápražný, Z., Korytár, D., Jergel, M., Halahovets, Y., Kotlár, M., Maťko, I., Hagara, J., Šiffalovič, P., Keckes, J., and Majková, E.: Characterization of the chips generated by the nanomachining of germanium for X-ray crystal optics, Inter. J. Adv. Manufactur. Technol. 102 (2019) 2757-2767.
Zápražný, Z., Zaťko, B., Korytár, D., Gál,, Jergel, M., Halahovets, Y., and Ferrari, C.: Testing of thickness homogeneity of Si crystal membranes using GaAs Timepix detector, J. Instrument. 16 (2021) P06015.
Nádaždy, P., Hagara, J., Mikulík, P., Zápražný, Z., Korytár, D., Majková, E., Jergel, M., and Šiffalovič, P.: A high-throughput assembly of beam-shaping channel-cut monochromators for laboratory high-resolution X-ray diffraction and small-angle X-ray scattering experiments, J. Applied Crystall. 54 (2021) 730-738.