В МИФИ разработали сенсоры для измерения магнитного поля в ускорителях заряженных частиц

Ученые Института функциональной ядерной электроники (ИФЯЭ) НИЯУ МИФИ совместно с украинскими коллегами из Лаборатории магнитных сенсоров Национального университета «Львовская политехника» разработали прецизионный сенсорный картограф магнитного поля для ускорителей заряженных частиц. По результатам работ опубликована статья «Experimental evaluation of stable long term operation of semiconductor magnetic sensors at ITER relevant environment» в журнале Nuclear Fusion (2015. - 55(8), V. 55, № 8).

Магнитное поле в современных исследовательских комплексах уровня megascience является одним из ключевых инструментов управления потоком заряженных частиц. Оно используется и в разнообразных ускорительных комплексах (CERN, NICA и др.), и в лазерах на свободных электронах (FEL), и в комплексах исследования условий термоядерного синтеза (TOR, ITER, JET). В системах управления для задания магнитного поля с требуемой точностью применяется принцип обратной связи, при котором значения индукции магнитного поля отслеживаются автоматикой в динамическом режиме с большой точностью. Для этого необходимы прецизионные сенсоры магнитного поля, которые должны обладать хорошей линейностью в широком диапазоне магнитного поля, температурной стабильностью коэффициента чувствительности и сопротивления в широком диапазоне температур, от криогенных до высоких. Кроме того, сенсоры должны быть компактными по размерам. Для целого ряда экспериментальных комплексов дополнительным требованием является стабильная долговременная работа сенсоров в условиях воздействия заряженных частиц, нейтронов и гамма-квантов. Традиционный кремний не выдерживает таких условий эксплуатации.

Чувствительный элемент сенсора работает на основе эффекта Холла, т.е. регистрации поперечного напряжения в полупроводнике, пропорционального индукции магнитного поля. В ИФЯЭ НИЯУ МИФИ разработана технология изготовления чипов сенсоров Холла, начиная от выращивания чувствительного материала – гетероструктуры легированного InAs на подложке GaAs до изготовления чипов при помощи технологий микроэлектроники на исследовательской линии в Наноцентре НИЯУ МИФИ. Гетероструктуры выращивались методом молекулярно-лучевой эпитаксии на установке Riber Compact 21.

Фото 1. Разработанные в ИФЯЭ НИЯУ МИФИ сенсоры магнитного поля

Уникальность разработанной технологии заключается в том, что исследователям А.Н. Виниченко и И.С. Васильевскому удалось вырастить высококачественные слои легированного InAs толщиной порядка 100 нм на подложках GaAs без использования толстых переходных слоев InAlAs переменного состава, которые обычно используют при росте на подложках GaAs. При этом удалось сохранить низкую шероховатость поверхности, обеспечить хорошее кристаллическое качество активного слоя и избежать искажений, которые может вносить толстый переходный слой InAlAs в работу сенсоров в жестких условиях эксперимента. Чувствительность набора изготовленных сенсоров с сильным легированием составила от 18 до 40 Ом/Тл. Относительный температурный коэффициент чувствительности для лучших вариантов гетероструктур составил менее 1,5х10^-5 К^-1.

Для получения единовременной информации о распределении магнитного поля в пространстве необходима система, состоящая из большого числа сенсоров. В ходе работы создан такой прибор – картограф магнитного поля, состоящий из 48-ми сенсоров и позволяющий единовременно измерять распределение магнитного поля вдоль линии длиной 80 см. Линейка зондов и магнитоизмерительная система для обработки информации с линейки разработаны коллективом Лаборатории магнитных сенсоров под руководством проф. И.А. Большаковой.

Фото 2. Внешний вид картографа

Разрешающая способность прибора составляет 0,1 мTл, относительная погрешность прибора - от 0,01% до 0,1% в зависимости от величины максимального измеряемого поля.

Параметры разработанных чувствительных элементов превосходят аналоги крупных производителей, таких как Lake Shore (USA), MetroLab (Швейцария).

В приборе используется оригинальный принцип периодической in-situ калибровки чувствительных сенсоров картографа встроенными калиброванными катушками, что позволяет проводить высокоточные измерения магнитного поля и нивелировать дрейф характеристик сенсоров под действием радиационных полей.

Картограф рассчитан на напряжение питания 9В или 5В и потребляет ток не более 0,5А, работает с интерфейсами UART и USB.

Прибор обеспечивает относительную погрешность измерения магнитного поля не более 0,01%.

Картограф магнитного поля был успешно протестирован в Национальном институте радиологических исследований Японии (National Institute of Radiological Science Japan, M. Kumada) для картографирования магнита медицинского циклотронного ускорителя.