СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА №9/2015

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 18 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 9 2015 Зона фотоприёма Ультра- фиолет Видимый спектр Инфра- красный спектр 0,39 9% 47% 44% 0,76 1,0 4,0 10,0 0 50% 100% Е С P h ν P h ν Датчики β -частиц Датчики β -частиц с энергиями ≤ 250 кэВ легко реализуются в виде LPE i-GaAs-датчиков-регистраторов в виде как обратносмещённых p–i–n структур, так и, при большой плотности электро- нов, на основе бета-вольтаики [4]. Ниче- го нового здесь, кроме LPE i-GaAs (Si) сверхэффективного бета-приёмника, нет (в сравнении со всеми существую- щими бета-вольтаическими моделями на полупроводниковых p–i–n структу- рах эффективность выше в 45 раз). Датчики спектра инфракрасного излучения Солнца в диапазоне длин волн до 4,0 мкм Энергетика солнечного излучения в оптическом и коротком инфракрас- ном диапазоне (0,2–4,0 мкм) выглядит так, как показано на рисунке 9. С учётом водородоподобного (встро- енно-экситонного) расщепления энер- гетики запрещённой зоны LPE i-GaAs (Si) [9], обратносмещённый LPE i-GaAs квантовый вентиль или «диэлектри- ческий триод» является одним из луч- ших приёмников/детекторов инфра- красного излучения в диапазоне 0,2– 5,0 мкм. В космосе он может служить анализатором реального поведения Солнца. В земной атмосфере это при- бор ночного наблюдения для одного из прозрачных инфракрасных атмо- сферных коридоров, как для ночно- го видения, так и для инфракрасного самонаведения. Из рисунка 9 следует, что косми- ческие солнечные батареи на МКС не исчерпали свои возможности, и их мощность, с помощью LPE i-GaAs- материала, можно увеличить как мини- мум на 30% и довести до разумных 50 кВт. Датчики нейтронов в космосе Нейтрон в глубоком космосе не существует (время жизни в вакууме ≤ 15 минут). Но, исходя из спектраль- ной характеристики атмосферы Солн- ца (H, He, Li, Be, B, C, N, O, F, Ne), веро- ятно, существует достаточно плотная нейтронная атмосфера вокруг Солнца толщиной h = 3 × 10 10 cм/с × 900 с = 100– 300 млн км. То есть, возможно, достига- ющая окрестностей Земли (следы ней- тронов). Если принять во внимание «сжатие времени» по теории относительно- сти Эйнштейна, то достаточно мощ- ное излучение нейтронов можно будет обнаружить вблизи Венеры и Мер- курия, а с учётом того, что нейтрон- ная масса – это ≈ ½ массы Солнца, то измерение потока нейтронов вблизи Солнца исключительно важно с точ- ки зрения прогнозирования условий жизни на Земле – как для биологиче- ского, так и для геополитического кли- мата. Нейтронные датчики для назем- ного использования ничем не отлича- ются от космических, и были описаны ранее. Т ЕПЛОВЫЕ И ТЕРАГЕРЦОВЫЕ РАДИАЦИОННО - СТОЙКИЕ ДАТЧИКИ ДЛЯ КОНТРОЛЯ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ АЭС ИЛИ КОСМИЧЕСКИХ БОРТОВЫХ РЕАКТОРОВ Температурные датчики Тепловые радиационно-стойкие твердотельные датчики на извест- ных полупроводниках непригодны к использованию в контактной зоне теплоносителя реактора, к которым предъявляются очень жёсткие нейтрон- но-физические требования. Важнейшими характеристиками твердотельных датчиков для контроля температуры теплоносителя являются: высокая чувствительность 1–3 мВ/град, высокая радиационная стойкость с пре- дельной температурой эксплуатации вплоть до 350–374,15 ° С (когда при дав- лении 255,65 атмосфер вода – и не пар, и не жидкость). Для реакторов с водяным теплоно- сителем (и, в частности, для тяжело- водных водо-водяных реакторов, как, например, на Балаковской АЭС), веро- ятно, очень полезны будут LPE p–i–n GaAs (Si) датчики с использованием специально выращенных кристал- лов диодных структур с прямой вет- вью вольт-амперной характеристики (ВАХ), имеющей как положительный, так и отрицательный температурный коэффициент ВАХ. Такие датчики были продемонстрированы в самых пер- вых публикациях по силовым p–i–n GaAs-диодам [10]. График зависимо- сти V F = f(T ° C) [10] приведён на рисун- ке 10 (см. также рис. 11). Для повышения чувствительности датчика можно использовать мосто- вую (однофазную) схему включе- ния температурного датчика, когда в одно плечо включён UFRED, в дру- гое – HyperFRED. В таком случае размах Δ V = f( Δ T ° C) будет удвоен, то есть чувствительность может быть увеличена до 5,0 мВ/град (или до 0,5 В при Δ Е = 100 ° С). Рабочий диапазон таких датчиков составит вплоть до сверхкритической температуры реакторного теплоноси- теля (+350 ° С) на воде. СВЧ-датчики для контроля реакторного теплоносителя Радары, работающие на частотах 18–19 ГГц, практически «слепы» из-за резонансного поглощении электро- магнитной волны молекулой воды. Максимум поглощения на частоте f = ω /2 π = 18,861 ГГц или λ = С/f = 1,59 см при температуре ≈ 25 ° С – радиопогло- щение парами H 2 O. Ещё более эффек- тивное поглощение будет наблюдать- ся в СВЧ/субтерагерцовом диапазоне на частотах порядка 180 ГГц и около 300 ГГц. При рабочем режиме реактора в теплоносителе обычно поддержи- вается pv = const., но в случае аварий- ной ситуации адиабата резко изме- няется. Газ (пар) будет иметь иную энергию поглощения, чем, предпо- ложим, при T = 25 ° C, T = 260 ° C или T = 300 ° С. Используя i-GaAs СВЧ-генератор (с T раб. = 250–300 ° C) на полевых тран- зисторах (p-HEMT, JFET, MOSFET, осо- бенно на «диэлектрических триодах») и высокочувствительный бесшумный СВЧ-приёмник на i-GaAs-кристаллах, можно зафиксировать девиацию резо- нансной частоты поглощения СВЧ- излучения парами воды теплоноси- теля (используя аварийный спускной кран-датчик по типу бытового крана Маевского). Специфика измеритель- ного процесса будет усложняться тем, Рис. 9. График зависимости плотности квантовой энергии излучения Солнца (Е С ) от энергии фотонов (длины волн) и предполагаемая плотность излучения P ħ ν фотонов