Датчик излучения

Датчик излучения содержит слой нанокластера в виде ленты 2 из графена, расположенной на буферном стабилизирующем слое 3 гексагонального нитрида бора h-BN. Указанные слои заключены в моноблок с наружным изолирующим покрытием 1 из нейтрального к излучениям материала. На концах ленты 2 графена выполнены электроды 6 из высоко проводящего материала. Датчик выполнен из, по меньшей мере, одного витка из непрерывной ленты 2 графена с буферным слоем 3, при этом со стороны последнего размещена подложка 4 из диэлектрика. Подложка 4 из диэлектрика Si/SiO₂ выполнена из кремния Si и покрыта со стороны буферного слоя пленкой 5 оксида кремния SiO₂. Витки из непрерывной ленты 2 графена с буферным слоем 3 из гексагонального нитрида бора сжаты в гармошку или, по меньшей мере, один виток из непрерывной ленты 2 графена на буферном слое 3 из гексагонального нитрида бора выполнен спиральным. Лента 2 графена нанесена на буферный слой 3 гексагонального нитрида бора равномерно. Лента 2 графена на буферном слое 3 гексагонального нитрида бора, а также подложка 4 диэлектрика Si и пленка 5 оксида кремния SiO₂ выполнены сплошными. Электроды 6 выполнены из высоко проводящих материалов из группы: медь, серебро, золото. Наружное покрытие 1 из нейтрального к излучениям наполнителя выполнено из упругого композитного затвердевающего материала, например эпоксидной смолы. При этом расширены функциональные возможности по измерению излучений различных видов за счет использования слоя вещества, чувствительного к различным видам излучений и обладающего высокой электро и теплопроводностью, с одновременным снижением конструктивной сложности и себестоимости, а также обеспечением высокой чувствительности датчика.

Полезная модель относится к области измерений физических величин, в частности, к измерениям излучений и может быть использовано в детекторах излучений, предназначенных, как для измерения интенсивности радиоактивного излучения, так и для контроля дозы облучения персонала специализированных учреждений. Позволяет использовать датчик излучения в повседневной жизни граждан для индивидуального контроля радиоактивного облучения, и для предупреждения о радиоактивной опасности.

Известны датчики излучения различных конструкций, в том числе, и многослойные, см., например SU 1229700, 1635706, RU 2231759, 2388112, 2351038, 2386983, 2413186, US 5216249.

Известно устройство для измерения временных и энергетических характеристик импульсного электромагнитного излучения, которое наиболее близко по технической сущности к заявляемому и выбрано нами в качестве прототипа, содержащее многослойный набор плосковидных материалов: 5 слоев - полупроводниковая пластина с двух сторон облегается диэлектрическими сплошными слоями, которые расположены между металлическими сплошными пленками, непрозрачными для излучения, и фиксирующий прибор - нагрузочный резистор и источник питания. Пластина из кремния, слои из двуокиси кремня и пленки выполнены сплошными. К фиксирующему прибору многослойный набор подсоединяется через сплошные металлические пленки. Полезный сигнал на резисторе выделяется, когда сквозной ток, протекающий через пластину, под действием внешней разности потенциалов, соизмерим с приращением тока, вызванного воздействием излучения. Тепловая генерация неравновесных носителей заряда обеспечивает работу устройства в широком спектральном диапазоне, включая диапазон СВЧ, ближнюю и дальнюю инфракрасную области спектра (SU 1229700).

Недостатками устройства являются ограниченность диапазона замеряемых характеристик физического/электромагнитного/поля, сложность изготовления как самих материалов, из которых затем получают различные слои, так и многослойного набора.

Известен детектор нейтронов, содержащий в себе слой, состоящий из вещества, представляющего собой поликристаллический алмаз, нанесенный посредством процесса химического осаждения из газовой фазы, причем вещество, представляющее собой поликристаллический алмаз, содержит в себе достаточное количество бора-10 (¹⁰ В) в качестве легирующей примеси, обеспечивающее достижение оптимальных параметров регистрации нейтронов посредством детектора (US 5216249).

Недостатками устройства являются ограниченность вида излучения, высокая стоимость изготовления как самих материалов, из которых затем получают различные слои, так и многослойного набора.

Известен детектор нейтронов, содержащий полупроводниковую подложку с омическим контактом к ее тыльной стороне и последовательно расположенные на лицевой стороне подложки друг на друге: изотипный подложке полупроводниковый слой, высокоомный полупроводниковый слой, полупроводниковый слой противоположного подложке типа проводимости и расположенный на этом слое контактный слой, причем последние два слоя выполнены в виде гальванически не связанных областей, он дополнен микроструктурированным слоем из алмаза, расположенным на упомянутом контактном слое и легированным бором до вырождения, на лицевой стороне которого расположен второй контактный слой (RU 2386983).

Недостатками этого устройства также являются ограниченность вида детектируемых излучения (только нейтронного излучения), высокая стоимость изготовления как самих материалов, из которых затем получают различные слои, так и многослойного набора.

Известен многослойный пироэлектрический чувствительный элемент (на температурной зависимости спонтанной поляризации пироэлектриков), содержащий тонкопленочную структуру, сформированную на подложке, по крайней мере, из трех слоев, расположенных один над другим поликристаллических сегнетоэлектрических релаксоров, верхний и нижний электроды, причем верхний электрод нанесен на внешнюю поверхность тонкопленочной структуры, перпендикулярную полярной оси чувствительного элемента, слои поликристаллических сегнетоэлектрических релаксоров сформированы на подложке из керамического электретного материала, содержащей сегнетоэлектрик на основе цирконата титаната свинца с добавкой стекла, причем материал первого слоя сегнетоэлектрического релаксора в направлении от подложки к верхнему электроду имеет состав - 0,75 PbMg_1/3 Nb_2/3O₃ - 0,25 РbTiO₃ (0,75 PMN - 0,25 PT), материал второго слоя имеет - 0,85 PbMg_1/3 Nb_2/3O₃ - 0,15 РbТiO₃ (0,85 PMN - 0,15 PT) и материал третьего слоя - 0,925 PbMg_1/3 Nb_2/3O₃ - 0,075 РbTiO₃ (0,925 PMN - 0,075 PT), при этом нижний электрод нанесен на внешнюю поверхность подложки, перпендикулярную полярной оси чувствительного элемента (RU 2413186).

Недостатками этого устройства также являются ограниченность видов детектируемых излучений (только электромагнитные), высокая стоимость изготовления как самих материалов, из которых затем получают различные слои, так и многослойного набора.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство (датчик) для измерения параметров внешнего воздействия на среду или объект, содержащее источник электромагнитного излучения, твердотельную структуру, состоящую из нанесенной на подложку металлической пленки для возбуждения в последней поверхностной электромагнитной волны, объем с эталонной чувствительной средой, расположенный со стороны металлической пленки упомянутой структуры, и блок обработки информации, подложка выполнена из полупроводникового материала, а входы блока обработки информации связаны с металлической пленкой и подложкой (RU 2021590, прототип).

Недостатками этого устройства также являются ограниченность видов детектируемых излучений (только электромагнитные), высокая стоимость изготовления как самих материалов, из которых затем получают различные слои, так и многослойного набора.

Технической задачей полезной модели является создание эффективного высокочувствительного универсального датчика излучения, а также расширение арсенала датчиков излучения.

Технический результат, обеспечивающий решение поставленной задачи состоит в расширении функциональных возможностей по измерению излучений различных видов за счет использования слоя вещества, чувствительного к различным видам излучений и обладающего высокой электро и теплопроводностью, с одновременным снижением конструктивной сложности и себестоимости.

Сущность полезной модели заключается в том, что датчик излучения содержит слой нанокластера в виде ленты из графена расположенной на буферном слое нитрида бора, указанные слои заключены в моноблок с наружным изолирующим покрытием из нейтрального к излучениям материала, причем на концах ленты графена выполнены электроды из проводящего материала.

Датчик выполнен из, по меньшей мере, одного витка из непрерывной ленты графена с буферным слоем из гексагонального нитрида бора h-BN, при этом со стороны последнего размещена подложка из диэлектрика.

Предпочтительно подложка из диэлектрика выполнена из кремния и покрыта со стороны буферного слоя пленкой оксида кремния Si/SiO₂, витки из непрерывной ленты графена с буферным слоем из гексагонального нитрида бора сжаты в гармошку или, по меньшей мере, один виток из непрерывной ленты графена на буферном слое из гексагонального нитрида бора выполнен спиральным.

При этом лента графена нанесена на буферный слой стабилизатора гексагонального нитрида бора равномерно, лента графена на буферном слое гексагонального нитрида бора, а также подложка диэлектрика из Si и пленка оксида кремния SiO ₂ выполнены сплошными, электроды выполнены из высоко проводящих материалов из группы: медь, серебро, золото, наружное покрытие из нейтрального к излучениям наполнителя выполнено из упругого композитного затвердевающего материала, например эпоксидной смолы.

На чертеже изображена конструктивная схема датчика излучения, в котором виток из ленты графена сжат в гармошку.

Датчик излучения содержит слой нанокластера (нанокластер - наноструктура, хотя бы один характерный размер которой находится в пределах 1-10 нм) в виде ленты 2 из графена, расположенной на буферном стабилизирующем слое 3 гексагонального нитрида бора h-BN. Указанные слои заключены в моноблок с наружным изолирующим покрытием 1 из нейтрального к излучениям материала (композитный затвердитель). На концах ленты 2 графена выполнены электроды 6 из высоко проводящего материала. Датчик выполнен из, по меньшей мере, одного витка из непрерывной ленты 2 графена с буферным слоем 3, при этом со стороны последнего размещена подложка 4 из диэлектрика.

Подложка 4 из диэлектрика Si/SiO ₂ выполнена из кремния Si и покрыта со стороны буферного слоя пленкой 5 оксида кремния SiO₂.

Витки из непрерывной ленты 2 графена с буферным слоем 3 из гексагонального нитрида бора сжаты в гармошку (на чертеже) или, по меньшей мере, один виток из непрерывной ленты 2 графена на буферном слое 3 из гексагонального нитрида бора выполнен спиральным (не изображено).

Лента 2 графена нанесена на буферный слой 3 гексагонального нитрида бора равномерно.

Лента 2 графена на буферном слое 3 гексагонального нитрида бора, а также подложка 4 диэлектрика Si и пленка 5 оксида кремния SiO₂ выполнены сплошными.

Электроды 6 выполнены из высоко проводящих материалов из группы: медь, серебро, золото.

Наружное покрытие 1 из нейтрального к излучениям наполнителя выполнено из упругого композитного затвердевающего материала, например эпоксидной смолы.

Подложка 4 из кремния - Si, покрытая пленкой 5 из оксида кремния - SiO₂ предназначена для придания жесткости конструкции датчика излучения. Это вызвано тем, что при промышленном производстве кремния технической чистоты 98-99.9%, последний получается восстановлением расплава SiO₂ при температуре около 1800 С и имеет поверхностное пленочное покрытие из оксида кремния SiO₂. Благодаря оксидной пленке SiO₂ кремний становится устойчивым даже на воздухе при повышенной температуре.

Ранее для получения графена и экспериментов над ним, Нобелевских лауреатов K.S.Novoselov et al., Science 306, 666 (2004), в частности, использовалась только подложка Si/SiO₂. Однако, позже в работе C.R.Dean et al., Nature Nanotech. 5, 722 (2010) было показано, что в качестве буферного слоя, отделяющего Si/SiO₂ от графена более выгодно применять пленку гексагонального нитрида бора (h-BN) толщиной ~10 нм как стабилизатор графена. Периоды решетки графена и гексаганального нитрида бора h-BN различаются всего лишь на 1.7%, так что структурное несоответствие очень незначительно, а поверхность h-BN является плоской с атомарной точностью и не содержит дефектов типа "болтающихся" (ненасыщенных) связей или заряженных примесей. Все это приводит к резкому улучшению электрических характеристик. Так, например, подвижность носителей в графене на h-BN/SiO₂ оказывается почти на порядок больше, чем в графене на SiO₂.

Датчик излучения работает следующим образом.

При отсутствии излучения на электродах 6 напряжение отсутствует, поскольку присутствует полная симметрия между электронами и дырками в кристаллической структуре графена ленты 2. При этом в режиме молчания датчик не потребляет энергии. При воздействии излучения на ленту 2 графен проявляет специфические, в отличие от других двумерных систем, электрофизические свойства. При этом происходит деформация кристаллической решетки графена и активация электронов, равномерно распределенных в кристаллической решетке ленты 2. Поскольку графен представляет собой двумерную аллотропную модификацию углерода, образованную слоем атомов углерода толщиной в один атом, находящихся в sp²-гибридизации и соединенных посредством - и -связей в гексагональную двумерную кристаллическую решетку и, в тоже время, графен является двумерным газом, даже незначительное движение электронов позволяет формироваться на электродах 6 току, достаточному для детектирования наличия и величины излучения практически любого вида - электромагнитных полей или жесткого Альфа, Бета, Гамма, рентгеновского и нейтронного излучения.

Выполнение ленты 2 с витками (в гармошку или спиральными) позволяет усиливать протекающий ток за счет индукции и, тем самым, увеличить чувствительность датчика при различных видах излучений благодаря фиксации большего количества излучения в единице объема катушки (гармошки или спирали).

При этом слой 4 диэлектрика Si/SiO₂ обеспечивает электрическое разобщение слоев (витка ленты 2) графена друг от друга, не допуская поверхностных межслойных эффектов, электрических пробоев и т.д. Слой 3 буфера и стабилизатора позволяет сохранять структуру ленты 2 на подложке диэлектрика Si/SiO₂ в устойчивом равновесном состоянии кристаллической решетки графена, при котором атомы углерода создают правильную двухмерную кристаллическую структуру, которую следует зафиксировать во время изготовления и стабилизировать на весь срок службы, не допуская тем самым, изменения характеристик датчика во времени.

Так как величина тока зависит от вида излучения, может быть произведено определение вида излучения, так как удается реализовать квантовый эффект Холла (эффект квантования холловского сопротивления или проводимости двумерного электронного газа в сильных магнитных полях) при комнатной температуре.

Поскольку графен обладает исключительно высокой теплопроводностью и может служить теплоотводом в современных интегральных схемах, в которых разогрев уже давно является серьезной проблемой, что позволяет использовать датчик без специального охлаждения.

Использование в качестве подложки диэлектрика Si/SiO ₂ и буферной пленки стабилизатора 3 гексагонального нитрида бора h-BN обеспечивает наиболее равномерное нанесение ленты 2. Это придает заявляемому датчику более устойчивые электрические характеристики измерения излучения, и устраняет излишние «шумовые» эффекты (помехи), которые могли бы возникнуть при наличии неоднородности ленты 2 графена при непосредственном размещении ее на подложку Si/SiO₂. Так же, использование в качестве буферной пленки стабилизатора подложки 3 гексагонального нитрида бора, обладающего высоким сопротивлением окислению и антиадгезионными свойствами по отношению ко многим жидким металлам и сплавам, позволяет полностью реализовать специфические электрофизические свойства графена ленты 2.

Графен обладает такими преимуществами, как более низкая стоимость (из-за меньшей энергоемкости и сложности производства), большая эффективная площадь поверхности и относительная безопасность (он является планарной, протяженной структурой, что затрудняет преодоление биологических барьеров), что позволяет использовать датчик излучения в качестве основы массового индивидуального дозиметра-радиометра.

Таким образом, создан эффективный высокочувствительный универсальный датчик излучения, а также расширен арсенал датчиков излучения.

При этом расширены функциональные возможности по измерению излучений различных видов за счет использования слоя вещества, чувствительного к различным видам излучений и обладающего высокой электро и теплопроводностью (графена с буферной пленкой стабилизатором из гексаганального нитрида бора на подложке Si/SiO ₂), с одновременным снижением конструктивной сложности и себестоимости, а также обеспечением высокой чувствительности датчика.

Датчик пригоден для встраивания в любой карманный или носимый прибор: сотовый телефон, смартфон, часы, шагомер и т.д.

1. Датчик излучения, содержащий слой нанокластера в виде ленты из графена, расположенной на буферном слое нитрида бора, указанные слои заключены в моноблок с наружным изолирующим покрытием из нейтрального к излучениям материала, причем на концах ленты графена выполнены электроды из проводящего материала.

2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что он выполнен из, по меньшей мере, одного витка из непрерывной ленты графена с буферным слоем из гексагонального нитрида бора h-BN, при этом со стороны последнего размещена подложка из диэлектрика.

3. Датчик по п.2, отличающийся тем, что подложка из диэлектрика выполнена из кремния и покрыта со стороны буферного слоя пленкой оксида кремния Si/SiO₂ .

4. Датчик по любому из пп.2 и 3, отличающийся тем, что витки из непрерывной ленты графена с буферным слоем из гексагонального нитрида бора сжаты в гармошку.

5. Датчик по любому из пп.2 и 3, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один виток из непрерывной ленты графена на буферном слое из гексагонального нитрида бора выполнен спиральным.

6. Датчик по любому из пп.2 и 3, отличающийся тем, что лента графена нанесена на буферный слой стабилизатора гексагонального нитрида бора равномерно.

7. Датчик по п.3, отличающийся тем, что лента графена на буферном слое гексагонального нитрида бора, а также подложка диэлектрика из Si и пленка оксида кремния SiO₂ выполнены сплошными.

8. Датчик по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что электроды выполнены из высокопроводящих материалов из группы: медь, серебро, золото.

9. Датчик по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что наружное покрытие из нейтрального к излучениям наполнителя выполнено из упругого композитного затвердевающего материала, например эпоксидной смолы.