Detektory paskowe z ITE tropią najcięższy pierwiastek

Krzemowe przyrządy detekcyjne z ITE zdobyły już wiele nagród, m.in. wyróżniono je w niedawnym konkursie „Polski Produkt Przyszłości”, a na właśnie trwających Międzynarodowych Targach Poznańskich przyznano im Złoty Medal w kategorii „Nauka dla gospodarki”.

Warszawskie przyrządy półprzewodnikowe do detekcji cząstek alfa (a także beta i protonów) są całkowicie autorskim rozwiązaniem zespołu inżynierów z ITE, chronionym patentami. Przyrządy zyskały już uznanie na całym świecie. Działają w najważniejszych ośrodkach badań jądrowych, m.in. w ośrodku GSI w Darmstadt oraz w Zjednoczonym Instytucie Badań Jądrowych w Dubnej.

Pomogły m.in. w odkryciu ciężkich jąder atomowych, w tym izotopu 283 pierwiastka 112 (copernicium, Cn) w Dubnej oraz izotopów 270, 271 i 277 pierwiastka 108 (has, Hs) w Darmstadt. W 2009 roku w Darmstadt zarejestrowano dzięki nim rekordową w jednym eksperymencie liczbę trzynastu jąder izotopów 288 i 289 pierwiastka 114 (flerovium).

Przyrządy odegrały istotną rolę przy doświadczalnym potwierdzaniu teorii wyspy stabilności.

Wyniki eksperymentów otrzymanych przy użyciu detektorów ITE są przedmiotem kilkunastu licznie cytowanych publikacji w renomowanych czasopismach naukowych, między innymi w „Nature”. Badania opisane w tych publikacjach miały wpływ na podjęcie przez Międzynarodową Unię Chemii Czystej i Stosowanej oraz Międzynarodową Unię Fizyki Czystej i Stosowanej decyzji o uznaniu za istniejące i wpisaniu do układu okresowego pierwiastków 112 i 114 .

„W przeciwieństwie od większości przyrządów półprzewodnikowych, nasze detektory charakteryzują się bardzo dużym polem powierzchni złącza p-n, dużą grubością obszaru elektrycznie czynnego i wysoką odpornością na promieniowanie. Skonstruowanie takich urządzeń przy zapewnieniu odpowiednio wysokich parametrów pracy wymagało rozwiązania wielu niebanalnych problemów technicznych”, mówi mgr inż. Maciej Węgrzecki, kierownik zespołu opracowującego detektory krzemowe w ITE.

Obecnie detektory z ITE są wykorzystywane w eksperymencie realizowanym za pomocą separatora jonów TASCA (TransActinide Separator and Chemistry Apparatus) w Instytucie Badań Ciężkich Jonów w Darmstadt. Celem doświadczenia jest poznanie właściwości fizycznych i chemicznych pierwiastków o liczbie atomowej powyżej 104, a także wyprodukowanie, po raz pierwszy, jąder pierwiastka o liczbie atomowej 120.

Detektory cząstek alfa są wytwarzane w ITE na płytkach krzemu z odpowiednio wykonanymi obszarami dyfuzyjnymi.

Gdy cząstka jądrowa przechodzi przez detektor, wytwarza w materiale półprzewodnikowym pary elektron-dziura, co prowadzi do przepływu prądu. Najnowsze detektory z ITE są dwustronne: mają dwie równoległe powierzchnie detekcyjne, każda pokryta 16 paskami półprzewodnikowymi. Powierzchnie są skręcone względem siebie o kąt prosty, co oznacza, że paski detekcyjne na obu powierzchniach są do siebie prostopadłe.

Mierząc sygnały z pasków na obu powierzchniach można dokładnie określić, na przecięciu których pasków przeleciała cząstka. 16-paskowe detektory krzemowe zostały przekazane przez Instytut Technologii Elektronowej do ośrodka GSI w Darmstadt w styczniu. Na miejscu zainstalowano je w przyrządzie do detekcji płaszczyzny ogniskowej (Focal Plane Detector Box, FPDB), działającym w separatorze jonów TASCA. Do wyłożenia ścianek urządzenia FPDB użyto ośmiu dwustronnych detektorów paskowych i dwóch jednostronnych detektorów ośmiopaskowych.

Instytut Technologii Elektronowych specjalizuje się w konstruowaniu zaawansowanych przyrządów półprzewodnikowych. Pierwsze tego typu konstrukcje, fotodiody lawinowe, powstały w ITE już w latach 90. W późniejszych latach, we współpracy z Institut für Strahlenschutz, Helmholtz Zentrum München, opracowano i skonstruowano detektory przeznaczone do przenośnych dozymetrów neutronów, rejestrujące neutrony w szerokim zakresie energii. Na zamówienie i we współpracy z IR TUM powstały w ITE także 64-elementowe matryce chromatograficzne, używane do badań podstawowych nad pierwiastkami transaktynowymi.

W Darmstadt matryce te pozwoliły zarejestrować pełne łańcuchy rozpadu ciężkich pierwiastków, m.in. hasu. Instytut Technologii Elektronowej (ITE) w Warszawie prowadzi badania w dziedzinie elektroniki i fizyki ciała stałego oraz opracowuje, wdraża i upowszechnia nowoczesne mikro- i nanotechnologie w fotonice oraz mikro- i nanoelektronice.

Instytut zajmuje się optoelektronicznymi detektorami i źródłami promieniowania, nowoczesnymi laserami półprzewodnikowymi, mikro- i nanosondami pomiarowymi, detektorami promieniowania jądrowego, mikrosystemami oraz czujnikami do zastosowań interdyscyplinarnych, a także specjalizowanymi układami i systemami scalonymi typu ASIC.

W celu ułatwienia przemysłowi i jednostkom naukowo-badawczym dostępu do potencjału technologicznego, konstrukcyjnego i pomiarowego, w Instytucie utworzono Centrum Nanofotoniki, Centrum Nanosystemów i Technologii Mikroelektroniczych oraz Laboratorium Technologii Wielowarstwowych i Ceramicznych.