УСТРОЙСТВО ДЛЯ СОРТИРОВКИ АЛМАЗОВ ПО ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИМ СВОЙСТВАМ

Предполагаемая полезная модель относится к области измерительной техники, к измерению электрических свойств кристаллов алмаза, предназначенных для изготовления детекторов ионизирующих излучений.
Известны алмазные детекторы ионизирующих излучений, разработанные ФИА СССР им. П.Н.Лебедева /Конорова B.C., Козлов С.Ф. Алмазный детектор ядерных излучений. Физика и техника полупроводников, 1970 г., т.4., в.10, стр.1865-1871/. Алмазный детектор представляет собой плоскопараллельную пластину алмаза, на противоположные грани которой нанесены два контакта: запорный и инжектирующий. Алмазная пластина вырезается из природного алмаза с низким содержанием примеси азота. Алмазы с низким содержанием примеси азота по физической классификации относятся к алмазам типа IIa. Сортировка алмазов производится оптическими методами по оптическому поглощению в ультрафиолетовой области. Среди алмазов типа На дополнительно отбираются алмазы с большим временем жизни неравновесных носителей заряда. Этот этап сортировки проводится путем измерения фотопроводимости при облучении жестким ультрафиолетовым излучением, которое соответствует межзонному переходу носителей заряде. Устройства, применяемые для этих видов измерения в указанном источника литературы не описаны.
Недостатком известного аналога является то, что для оценки времени жизни неравновесных носителей заряда ультрафиолетовое излучение, которое проникает в алмаз на малую глубину вследствие сильного поглощения излучения в области края фундаментального поглощения. Измеренное значение времени жизни относится только к приповерхностной области и может значительно отличаться от объемной области кристалла.
Известны результаты исследования ионизационных токов в алмазе при облучении алмазного детектора импульсами электронов высоких энергий /Конорова Е.А., Козлов С.Ф., Вавилов B.C. Токи ионизации в алмазах при облучении электронами с энергией от 500 до 1000 кэВ. Физики твердого тела, 1966 г., т.8, в.1, стр.3-8./. В работе показано, то при регистрации импульсного электронного излучения алмазные детекторы обладают высокой чувствительностью, хорошим временным разрешением и высокой радиационной стойкостью. Высокоэнергетическое электронное излучение может быть использовано для оценки времени жизни неравновесных носителей заряда.
Недостатком известного способа является сложность используемой аппаратуры. Источником излучения является стационарный электронный ускоритель, подготовка образцов к измерениям и проведение измерений можно отнести к уникальным физическим экспериментом. Подобные измерения нецелесообразно рекомендовать для проведения операций по сортировке алмазного сырья.
Известно устройство для сортировки алмазов /Патент РФ №2372607, G01N 21/87 B07C 5/34, 2009 г./ в котором в качестве источника ультрафиолетового излучения используют светодиод с пиком излучения в диапазоне длин волн от 240 до 300 нм и использовании в качестве детектора прошедшего через тестируемый кристалл алмаза излучения фотодиода, усилении электрического сигнала от фотодиода преобразующим усилителем, индикации интенсивности прошедшего через тестируемый кристалл алмаза излучения измерителем и параллельно индикатором с порогом срабатывания. Причем светодиод помещен в держатель со столиком, в столике выполнено узкое центральное отверстие для пропускания направленного от светодиода излучения, а на столике размещают тестируемый кристалл алмаза, полностью перекрывая это отверстие, диаметр указанного отверстия выполнен меньшим характерных размеров тестируемого кристалла алмаза.
Недостатком известного устройства является сложность используемой аппаратуры.
Известно устройство для измерения рентгенопроводимости высокоомных полупроводников /Г.А. Бордовский. Рентгенопроводимость высокоомных полупроводников. Соросовский образовательный журнал. Физика. Том 7, №3, 2001 г., стр.84-89/. Известное устройство предназначено для измерения рентгенопроводимости висмутатов свинца. Известное устройство решает ту же задачу, что и заявляемое устройство, а именно, снижает паразитное влияние ионизационного тока воздуха на измеряемое значение рентгенопроводимости исследуемого материала. Задача решается тем, что из исследуемого материала вырезается три образца специальной формы, изготовленные в виде плоских пластин, на поверхности которых нанесены электроды. Один из электродов является высокопотенциаьным и подключен к источнику питания. Второй электрод является низкопотенциальным и подключен к измерительному устройству. Все три образца помещены в заземленный корпус. В корпусе вырезано окно, предназначенное для ввода рентгеновского излучения, поступающего от рентгеновского излучателя.. Форма и размеры образцов выполнены таким образом, что весь внутренний объем заземленного корпуса занят исследуемым материалом. Свободного пространства, заполненного воздухом, внутри заземленного корпуса нет.
Основным недостатком устройства является необходимость механической обработки образцов для получения заданных геометрических размеров - диаметра и толщины.
Ближайшим аналогом является устройство для сортировки алмазов /патент США №5536943, G01N 21/87, 16.07.96 г/ содержащее источник ультрафиолетового излучения, тестируемый алмаз, детектор излучения, усилитель и средство индикации.
Недостатком известного устройства является сложность используемой аппаратуры.
Задачей предполагаемой полезной модели является создание устройства, позволяющего получить возможность проводить корректные измерения рентгенопроводимости в атмосферных условиях на образцах необработанных природных алмазов без механической обработки.
Поставленная задача решается тем, что в устройстве для сортировки алмазов по электрофизическим свойствам, включающем источник излучения, тестируемый кристалл алмаза, в качестве источника излучения использован рентгеновский аппарат, оно дополнительно содержит высоковольтный и измерительный электроды, а также заземленный экран и устройство перемещения заземленного экрана, причем заземленный экран выполнен из алюминия толщиной 0,5-1,0 мм.
- рентгеновский аппарат выполнен на базе микрофокусной рентгеновской трубки с прострельным анодом и воздушным охлаждением.
Стекание ионизационного тока воздуха на заземленный экран исключает влияние атмосферного воздуха на точность измерения тока рентгенопроводимости кристалла алмаза. Вторая функция заземленного экрана заключается в фильтрации рентгеновского излучения. Защитный экран выполнен из алюминия толщиной 0,5-1,0 мм. Алюминий такой толщины пропускает излучение с энергией квантов более 15 кэВ, которое способно проникать на всю толщину кристалла алмаза. Защитный экран выполнен подвижным и содержит механизм перемещения. При установке образца алмаза в измерительную камеру заземленный экран сдвигается (вниз или вверх), что позволяет произвести установку кристалла между высоковольтным и измерительным электродами. После завершения установки заземленный экран перемещается в основное положение.
На фигуре 1 изображена структурная схемы устройства для сортировки алмазов по электрофизическим свойствам.
На фигуре 1 обозначены: 1 - корпус измерительной камеры, 2 - высокопотенциальный электрод, 3 - низкопотенциальный электрод, 4 - рентгеновский аппарат, 5 - источник питания рентгеновского аппарата, 6 - вольтметр-электрометр, 7 - заземленный экран, 8 - механизм перемещения заземленного экрана, 9 - кристалл алмаза, 10 - стабилизированный источник высокого напряжения для подачи напряжения на кристалл.
Внутри корпуса измерительной камеры 1 размещены высокопотенциальный электрод 2, низкопотенциальный электрод 3, рентгеновской аппарат 4. Рентгеновский аппарат 4 соединен кабелем с источником питания рентгеновского аппарата 5. Измерительный электрод 3 соединен со входом вольтметра электрометра с высоким входным сопротивлением 6. Механизм перемещения заземленного экрана 8 механически связан с заземленным экраном 7. Кристалл алмаза 9 установлен между высоковольтным электродом 2 и измерительным электродом 3. Стабилизированный источник высокого напряжения 10 соединен с высоковольтным электродом 2. Корпус измерительной камеры обеспечивает защиту от неиспользуемого рентгеновского излучения и электрическую экранировку от помех.
Устройство работает следующим образом:
Перед началом измерения механизм перемещения заземленного экрана 8 перемешает заземленный экран 7 вверх или вниз в такое положение, чтобы был открыт доступ в пространство между высокопотенциальным электродом 2 и низкопетенциальным электродом 3. Оператор устанавливает кристалл алмаза 9 между высокопотенциальным электродом 2 и низкопотенциальным электродом 3. После установки кристалла механизм перемещения заземленного экрана 8 возвращает заземленный экран 7 в основное положение. После возвращения заземленного экрана 7 в исходное положение включают стабилизированный источник напряжения и выжидают момента, когда завершаться переходные процессы измерения в вольтметре-электрометре, после чего регистрируют значение темнового тока через кристалл алмаза 9. Включают питание рентгеновского аппарата 4 с помощью источника питания рентгеновского аппарата 5. После затухания переходных процессов вольтметра-электрометра регистрируют значение тока через кристалл алмаза 9. Измерение тока рентгенопроводимости производится вольтметром-электрометром с высоким входным сопротивлением. Значение тока рентгенопроводимости вычисляют путем вычитания темнового тока из общего тока, протекающего через кристалл в процессе облучения.
Технический эффект заявляемого предложения заключается в получении возможности проведения измерений рентгенопроводимости необработанного природного алмаза на воздухе, сокращении затрат времени на проведение измерений и упрощения конструкции устройства.