Հայաստանի ատենախոսությունների բաց մատչելիության պահոց = Open Access Repository of the Armenian Electronic Theses and Dissertations (Armenian ETD-OA) = Репозиторий диссертаций Армении открытого доступа

Ջերմաէլեկտրական միաֆոտոն դետեկտորի զգայուն տարրի մոդելի մշակումը

Կուզանյան, Աստղիկ Արմենի (2019) Ջերմաէլեկտրական միաֆոտոն դետեկտորի զգայուն տարրի մոդելի մշակումը. PhD thesis, ԵՊՀ.

[img]
Preview
PDF (Thesis)
Available under License Creative Commons Attribution.

Download (4Mb) | Preview
    [img]
    Preview
    PDF (Abstract)
    Available under License Creative Commons Attribution.

    Download (3800Kb) | Preview

      Abstract

      Գիտության և նորագույն տեխնոլոգիաների զարգացման համար անհրաժեշտ են նոր սերնդի ճշգրիտ չափիչ սարքեր: Տվիչները, որոնք կարող են գրանցել մեկ ֆոտոն և որոշել դրա էներգիան, ունեն բազմաթիվ կիրառություններ գիտության և տեխնիկայի տարբեր ոլորտներում, մասնավորապես քվանտային համակարգիչների և գաղտնագրության, աստղագիտության, բարձր էներգիաների ֆիզիկայի, հաղորդակցման տեխնոլոգիաների, քվանտային մետրոլոգիայի, լազերային սպեկտրոսկոպիայի, լազերային տեսածրման, լիդարների, անվտանգության ապահովման, միկրոչիպերի թեստավորման, տարրային վերլուծության, բժշկական սարքաշինության և այլն: Միաֆոտոն դետեկտորները (ՄՖԴ), որպես կանոն, գրանցում են ֆոտոնի կլանման արդյունքում առաջացող էլեկտրական ազդանշանը: Դասական ՄՖԴ-ներն են ֆոտոբազմապատկիչները և տարափային ֆոտոդիոդները, որոնք ունեն ֆոտոնների դետեկտման ցածր արդյունավետություն, հաշվարկի ցածր և մթնային հաշվարկի բարձր արագություն, ինչն անհեռանկարային է դարձնում այս սարքերի կիրառումը որոշ ժամանակակից խնդիրների լուծման համար: Ֆոտոնների գրանցման բնագավառում հեղափոխությունը պայմանավորված էր գերհաղորդականության երևույթի վրա հիմնված դետեկտորներով: Գերհաղորդիչ միաֆոտոն դետեկտորները (ԳՄՖԴ) իրենց տեխնիկական բնութագրերով գերազանցում են այլ դետեկտորներին: ԳՄՖԴ-ներն աշխատում են շատ ցածր ջերմաստիճաններում և աշխատանքային ջերմաստիճանի չափազանց փոքր տիրույթում: Երկրորդ խնդիրը լուծվել է գերհաղորդիչ տվիչի վրա հաստատուն հոսանքի կիրառմամբ, բայց տվյալ եղանակը բարդացնում է զգայուն տարրի կառուցվածքը: ԳՄՖԴ-ների զարգացման հաջորդ քայլը գերհաղորդիչ նանոլարային միաֆոտոն դետեկտորների (ԳՆՄՖԴ) մշակումն էր: ԳՆՄՖԴ-ները ցուցաբերում են մեկ ֆոտոնի զգայունություն, մթնային հաշվարկի ցածր արագություն, վերականգնման կարճ ժամանակ և դետեկտման բարձր արդյունավետություն: ԳՆՄՖԴ-ներին այլընտրանք կարող են հանդիսանալ ջերմաէլեկտրական միաֆոտոն դետեկտորները (ԶԱՖԴ), քանի որ դրանք չեն պահանջում աշխատանքային խիստ պայմաններ, ունեն պարզ կառուցվածք և, ըստ տեսական հաշվարկների ու համակարգչային մոդելավորման արդյունքների, բարձր բնութագրեր: Համեմատելով գոյություն ունեցող ՄՖԴ-ների բնութագրերը գիտության և տեխնիկայի հեռանկարային խնդիրներում առկա պահաջների հետ կարող ենք պնդել, որ պարզ կառուցվածքով, բարձր դետեկտման արդյունավետությամբ, արագագործությամբ և էներգետիկ լուծաչափով դետեկտորի մշակումը արդիական խնդիր է: Ատենախոսության նպատակն է մշակել բարձր բնութագրերով ԶՄՖԴ-ի զգայուն տարրի մոդել ինֆրակարմիրից մինչև ռենտգենյան ալիքի երկարության ֆոտոնների գրանցման և դրանց էներգիան որոշելու համար, ստեղծել ԶՄՖԴ-ի զգայուն տարրի նախատիպեր և ուսումնասիրել դրանք կազմող թաղանթների հատկությունները: Աշխատանքի գիտական նորույթն են համակարգչային մոդելավորման եղանակով ստացված և փորձարարական հետազոտությունների հետևյալ հիմնական արդյունքները ուսումնասիրվել է \^, N6, Րէ>, ¥13Յ2ՇԱՅ07 5 կլանիչներով և 06136, (Լ8,Շ6)136, FeSbշ տվիչներով ԶՄՖԴ-ի միաշերտ և եռաշերտ զգայուն տարրի աշխատանքը, հաշվարկվել են դետեկտորի հիմնական բնութագրերը և որոշվել են զգայուն տարրի օպտիմալ կառուցվածքը տարբեր էներգիաներով ֆոտոնների' հաշվարկի մեծ արագությամբ ու էներգետիկ բարձր լուծաչափով գրանցման համար, առաջարկվել են լազերային վտշենստեցման եղանակով մեծաչափ բարակ թաղանթների սինթեզման լուծումներ, որոնք ներառում են մեկից ավելի թիրախների և սեկտորի տեսքով կիզակետի կիրառում,ստեղծվել են ԶՄՖԴ-ի կլանիչով և Շ6136 տվիչով միաշերտ, երկշերտ և եռաշերտ զգայուն տարրի նախատիպեր, ուսումնասիրվել են այդ հետերոկառուցվածքները կազմող թաղանթների հատկությունները: Ատենախոսական աշխատանքի շրջանակներում մշակվել է լազերային փոշենստեցման եղանակով մեծաչափ բարակ թաղանթների սինթեզման նոր սարք: Սարքի առանձնահատկություններն են' մեկից ավել թիրախների և որոշակի երկրաչափության ճեղքերով դիմակների կիրառումը, որոնց միջոցով կատարվում է փոշենստեցում պտտվող տակդիրի կամ զուգընթաց շարժվող ժապավենի վրա: Առաջարկվել է փոշենստեցման ընթացքում թիրախի արդյունավետ օգտագործման եղանակ, որի առանձնահատկությունն է լազերային փնջի սեկտորի տեսք ունեցող կիզակետը: Այս երկու եղանակները կարող են կիրառվել լազերային փոշենստեցմամբ տարբեր միացությունների մեծաչափ բարակ թաղանթների սինթեզման տեխնոլոգիաներում և օգտագործվել օպտիկական արդյունաբերությունում, միկրոէլեկտրոնիկայում, քվանտային էլեկտրոնիկայի սարքաշինությունում, մասնավորապես ՄՖԴ-ների բազմատարր տվիչների փոշենստեցման համար: Առաջարկվել է եռաշերտ կառուցվածքով ԶՄՖԴ-ի զգայուն տարր և մշակվել դրա ստեղծման եղանակը: ԶՄՖԴ-ի զգայուն տարի կլանիչը և ջերմատարը կարող են լինել ծանր մետաղից կամ գերհաղորդչից: Վերոնշյալ արդյունքները զգալիորեն բարելավում են ԶՄՖԴ-ի բնութագրերը և ճանապարհ հարթում դեպի բազմաթիվ կիրառություններ: Ստացված արդյունքները պաշտպանված են չորս ՀՀ արտոնագրերով: ԶՄՖԴ-ի հաշվարկի արագությունը, տվիչի վրա առաջացող ջերմաստիճանների տարբերության և էլեկտրական լարման առավելագույն արժեքները, այդ արժեքներին հասնելու ժամանակը, հաշվարկի արագությանը և էներգետիկ լուծաչափը կախված են զգայուն տարրի երկրաչափությունից և կլանիչի, տվիչի ու ջերմատարի նյութից: ԶՄՖԴ-ի զգայուն տարրի եռաշերտ կառուցվածքի համար տվիչի վրա առաջացող ազդանշանը կախված չէ կլանիչում ֆոտոնի կլանման տիրույթից, իսկ ազդանշանի առավելագույն արժեքի կախվածությունը ֆոտոնի էներգիայից գծային է: Լազերային փոշենստեցման եղանակում սեկտորաձև կիզակետի կիրառումը առավելագույնի է հասցնում թիրախի նյութի օգտագործման գործակիցը, իսկ մեկից ավելի թիրախներից փոշենստեցումը մեծացնում է սինթեզվող' համասեռ հաստությամբ և բաղադրությամբ թաղանթների չափերը և փոշենստեցման արագությունը:В представленной диссертационной работе изучена возможность создания чувствительного элемента термоэлектрического однофотонного детектора (ТОФД) с высокими характеристиками для регистрации фотонов и определения их энергии в области длин волн от инфракрасного до рентгеновского диапазона. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения. Объем диссертации -123 страниц, включая 78 рисунков и 25 таблиц. Список литературы содержит 77 ссылок. Результаты диссертации опубликованы в главе книги, 10 статьях в реферируемых журналах, 8 статьях в трудах международных конференций и 4 патентах. Получены следующие основные результаты диссертации. Рассчитаны характеристики ТОФД на основе исследования процессов теплопереноса, возникающих в результате поглощения фотонов с энергией 1 эВ - 1 кэВ в однослойном чувствительном элементе. Показано, что в зависимости от области поглощения фотона в поглотителе меняются форма временной зависимости разности температур на краях сенсора, возникающая на краях сенсора максимальная разность температур (ДТт) и время достижения этого значения. Установлено каким образом основные характеристики однослойного чувствительного элемента ТОФД - скорость счета (/?) и максимальное значение напряжения на сенсоре (Кп), зависят от геометрии чувствительного элемента и использованных материалов.Показано, что однослойный чувствительный элемент с УУ поглотителем, (1_а, Се)Вб или СеВб сенсором, при температуре 0,5 К и 9 К, соответственно, способен регистрировать фотоны от ИК до рентгеновского диапазона, обеспечивая гигагерцовую скорость счета, сигнал, достигающий десятков микровольт, и энергетическое разрешение не менее 1%. Обнаружено, что параметры (?и К» однослойного чувствительного элемента с РеБЬа сенсором выше по сравнению с параметрами чувствительного элемента с СеВб сенсором при той же рабочей температуре 9 К . Характеристики трехслойного чувствительного элемента ТОФД рассчитаны на основе исследования процессов теплопереноса, возникающих в результате поглощения фотонов с энергией 1 эВ - 1 кэВ. Показано, что изменение параметров АТ,„ и V,,, для одной и той же геометрии чувствительного элемента наблюдаются только в случае поглощения фотона на краях поглотителя. Обнаружена линейная зависимость параметров ДТ™ и V,п трехслойного чувствительного элемента от энергии фотонов, что позволяет однозначно определить энергию фотона путем измерения создаваемого на сенсоре максимального напряжения. Установлено, что увеличение поглощающей поверхности трехслойного чувствительного элемента в некотором интервале приводит к увеличению скорости счета детектора, однако генерируемое на датчике напряжение не изменяется. Показано, что в трехслойном чувствительном элементе уменьшение толщины La0.99Ce0.01B6, СеВб и РеБЬг сенсоров от 1 до 0.01 мкм приводит к резкому увеличению скорости счета. Толщину сенсора чувствительного элемента с 1МЬ, РЬ и УВСО сверхпроводящими поглотителями можно уменьшить без возникновения каких-либо трудностей для регистрации сигнала. Показано, что трехслойный чувствительный элемент ТОФД может обеспечить достигающий микровольтов сигнал и терагерцовую скорость счета при регистрации фотонов в области от И К до рентгена. Исследована взаимосвязь между физическими свойствами и условиями напыления тонких пленок, которые использовались в конструкции чувствительного элемента ТОФД, что позволило получить пленки СеВб с коэффициентом Зеебека не уступающим объемным образцам при низких температурах. Установлено, что для напыления электронно-лучевым методом пленок УУ целесообразно использовать мишень из тонких пластин вольфрама. Показано, что оптимальные условия напыления пленок УУ и СеВб могут быть использованы для получения гетероструктур УУ/СеВб/УУ различной конфигурации. Обнаружено, что если фокальное пятно лазерного пучка имеет форму сектора и совпадает с сектором поверхности мишени, то во время процесса лазерного напыления материал мишени равномерно испаряется со всей поверхности мишени, что позволяет использовать весь объем мишени для напыления. Предложен метод лазерного напыления однородных по толщине и составу большеразмерных пленок с использованием более чем одной мишени и маски со щелями определенной конфигурации, который позволяет увеличить ширину пленкнапыляемой на двигающуюся поступательно ленту, и диаметр пленки при напылении на вращающуюся подложку. The possibilities of creating a detection pixel of thermoelectric single-photon detector (TSPD) that provides high characteristics for photons’ registration and photons’ energy determination from IR to X-ray range is studied in this thesis. The thesis consists of an introduction, 5 chapters and conclusion. The volume of the thesis is 123 pages including 78 figures and 25 tables. The list of references contains 77 references. The results of the thesis are published in a book chapter, 10 articles in refereed journals, 8 articles in the proceedings of international conferences and 4 patents. The main results of the dissertation are presented below. The characteristics of TSPD have been calculated on the basis of the study of heat distribution processes after 1 eV-1 keV energy photons’ absorption in the single-layer detection pixel. It has been shown that the form of time dependence of temperature difference on the edges of the sensor, the appearing maximum temperature difference (A7m) and the time to reach this value are changing depending on the photon’s absorption area in the absorber. It has been revealed that the main characteristics of the single-layer TSPD detection pixel, the count rate (R) and the maximum value of voltage (Vm) appearing on the sensor are depending on the geometry of detection pixel and the material used. It has been shown that the single-layer detection pixel with W absorber, La0.99Ce0.01B6 and CeB6 sensor at 0.5 K and 9 K temperatures respectively is able to detect photons from IR to X-ray range, providing gigahertz count rate, signal reaching tens microvolts and energy resolution not less than 1%. It has been found that the parameters R and Vm of single-layer detection pixel with FeSb2 sensor are higher compared to CeB6 sensor at the same 9 K operating temperature. The characteristics of the three-layer detection pixel of TSPD are calculated on the basis of the study of heat distribution processes after 1 eV -1 keV energy photons’ absorption. It is shown that for the same geometries of detection pixel the parameters ATm and Vm are changing only in the case of photon absorption at the edges of the absorber. It has been revealed that ATm and Vm parameters of the three-layer detection pixel have linear dependence from the photon energy that allows to determine uniquely the photon energy by measuring the maximum voltage generated on the sensor.

      Item Type: Thesis (PhD)
      Additional Information: Разработка модели чувствительного элемента термоэлектрического однофотонного детектора. Development of the thermoelectric single-photon detector's detection pixel model.
      Uncontrolled Keywords: Кузанян Астхик Арменовна, Kuzanyan Astghik Armen
      Subjects: Physics
      Divisions: UNSPECIFIED
      Depositing User: NLA Circ. Dpt.
      Date Deposited: 20 Nov 2019 12:04
      Last Modified: 13 Feb 2020 13:30
      URI: http://etd.asj-oa.am/id/eprint/10761

      Actions (login required)

      View Item