Устройство для регистрации ионизирующих излучений

 

СОКЗЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (5!)5 G 01 Т 1/20

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР)

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ .,„H АВТОРСКОМ У СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3442866/25 (22) 26.05,82 (46),07е02.93. Бюл. Н 5 (72) В.H,Êîìàùåíêo, Е.БеКруликовская, И.АеМазин, В.Д.Фурсенко, В.Г,Чалая, В.P,„Ðûæèêoâ, ОзП.Вербицкий и В.И.гилин (56) Патент США t-" 2821633, кл. 250"715, опублик, 1958.

Blamires N.G., "Combination of

seintillator and à semiconductor

photodiode for nuebar particle detection "Яис1хат Instruments and

Methods, 1963, ч. 24; 1 2, р, 441447.

Авторское свидетельство СССР

К 766294, кл. Г 01 Т 1/20, 1979.

Изобретение касается регистрации и измерения интенсивности как непрерывных, так и импульсных потоков М, Р и f -излучений, рентгеновских лучей, а также нейтронов и может найти применение в системах, предназначенных для индикации и исследования этих излучений, а также в счетчиках частиц.

Известны и широко используются устройства для регистрации ионизирующих излучений, включающие сцинтиллятор, преобразующий энергию ионизирующего излучения в световую, и Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ), преоб-. разующий .вспышки света в импульсы тока или напряжения. Система сцин-. тиллятор " ФЭУ широко используется для радиационного анализа в области. Ж«» 1060035 A1 (54) (57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ

ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ, содержащее выполненные из полупроводниковых соединений сцинтиллятор и нанесенный на него Фотоприемник, о т л и ч à ющ е е с я тем, что, с целью повышения его быстродействия и чувствительности, Фотоприемник выполнен 8 виде слоя твердого раствора соелинений А" В" и А В" образующего гетерогенный р-и-переход с материалом сцинтиллятора. охраны окружающей среды, ядерной Физике, медицинской радиологии, космических исследованиях, геологических изысканиях и ряде других. В то же время, многие применения детектирующих систем требуют их эксплуатации С» в условиях экстремальных температур С и механических возрействий, например (h) скважинные измерения в геологической Ql и иевииирй разведке, кесиииеские . ) » эксперименты.

Присущая Фотоумножителям хрупкость предъявляет повышенные требования к упаковке таких систем и по-. нижает надежность их работы. Другими недостатками, присущими ФЭУ, являются нестабильность их характеристик во времени и значительный разброс

1060035 параметров ФЭУ, что ограничивает их использование Во многих областях, .например при проведении длительных экспериментов, а также в качестве элементов рентгеновского вычислительного томографа, мозаичный экран которого состоит из нескольких сотен систем сцинтиплятор-фотоприемник.

Также недостатки систем сцинтилля тор-ФЗУ является необхоримость механического соединения двух элементов системы (сцинтиллятора с ФЭУ), что усложняет конструкцию, понижает ее надежность, уменьшает чувствительность устройства, так как неизбежны потери на отражение и поглощение в соединяющем сцинтилпятор и ФЭУ оп тическом тракте.

Известно техническое решение, в щ котором использована система .сцинтилпятор-Фотодиод (ФД). ФД лишены недостатков,. присущих. ФЗУ, и не тре.буют для своей работы. источников вы сокого напряжения. Все это эначитель- 25 но упрощает конструкцию системы и повышает надежность ее работы. Недостатком системы с использованием ФД является плохое согласование спектральных характеристик сцинтилляторов 30 и Фотодиодов, так как широко Nchohb.зуемые в настоящее время сцинтилляторы NaI(T1), CsX (Tl), CsI (Na) и другие имеют максимум спектра излучения в диапазоне 430-550 нм, в Это время как максимум Фоточувствитепьности выпускаемых промышленностью 4Л. находится в ближней инфракрасной области спектра. Вистема сцинтиллятор"ФД так же, как и сцин- 40 тиллятор-ФЗУ, состоит из двух механически соединяемых элементов, поэтому по-прежнему йеизбежны дополнительные потери в соединительном оптическом Тракте. По этйм причинам 45 чувствительность систем сцинтиллятор. ФД до настоящего времени ниже максимально возможной.

Наиболее близким к изобретению . является устройство для регистрации ионизирующих излучений, содержащее выполненные из полупроводниковых соединений сцинтилпятор и нанесенный на йего Мтоприемник.

Это Устройство лишено укаэа ных выше недостатков,. Фотоприемник интегрально выполнен на материале сцинтиллятора в виде слоя твердого раствора материала сцинтиллятора и

Фотоприемника, В этом устройстве достигнуто согласование .оптических характеристик сцинтиллятора и фотоприемника, отсутствуют потери в переходном оптическом тракте, нет необходимости в механическом соединении сцинтиллятора и фотоприемника, что повышает его чувствительность и надежность, Основным недостатком известного устройства является er o сравнительно высокая инерционность, которая вытекает из. самого принципа работы устройства. В нем в качестве .Фотоприемника используется фотопроводящий слой твердого раствора соединений А" F толщиной 200-300 длин волн излучения сцинтиллятора, т,е. при использовании видимого диапазона длин волн толщина слоя фотосопротивления составляет 100-300 мкм.

Характерная для высокочувствительных фотосопротивлений инерционность изменения сопротивления составляет не менее 102-1С мкс при умеренных уровнях. засветки и связана с тем, что после попадания носителей в зону проводимости под воздействием ионизирующего излучения происходит их промежуточный (до возвращения в валентную зону) захват на ловушки, которыми являются неконтролируемые примеси и дефекты структуры материа" ла фотосопротивления и концентрация которых достигает 10" см . Помимо этого, поскольку рабочая область составляет величину не. менее 100 мкм, что много больше длины свободного пробега носителя в полупроводнико" вом материале соединений Аи В" носитель заряда до попадания на электроды испытывает несколько раз проме- жуточный захват на ловушки. Время вы« свобождения его из ловушки зависит от поперечного сечения захвата и обычно составляет единицы и десятки миллисекунд. Таким образом, в принципе при использовании высокочувствительных Фотосопротивлений недостижимо время нарастания и спада импульса

Фототока быстрее десятков миллисекунд при умеренных уровнях засветки.

Между тем в большинстве случаев скорость протекания ядерных и других, сопровождающихся ионизирующим излу.чением, процессов характеризуется очень малым временем, что, соответственно, налагает требования на быстб 1 родействие регистрирующего прибора, Время срабатывания его должно быть

1 соизмеримо со скоростью протекания процессов и временем высвечивания сцинтиллятора которое составляет обычно 10 -10 мкс, т.е. в 10З

10 раз меньше, чем. достигнуто в прототипе.

Недостатком прототипа является также то, что фотосопротивления в пороговых режимах эксплуатации менее эффективны по сравнению с фотодиодами в вентильном режиме включения, изза существенно больших уровней шума.

Целью изобретения является повышение быстродействия и чувствительности устройства.

Цель достигается теи., что в устройстве для регистрации ионизирующих излучений, содержащем выполненмые из . полупроводниковых соединений сцинтиЛлятор и нанвсенный на него фото- . приемник, фотопрмемнмк выполнен в ви де слоя тверлого раствора соединений

А" В и А В, образующего гетеро. генный р-п-переход с матЕриалом сцинтиллятора.

На чертеже дана гтруктурная схема предложенного устройства.

Сцинтмллятор 1 через низкоомный алой 2 соединен е фотоприемником 3> .частью. которого являетсю слой 4 твердого раствора сцинтиллятора и фотоприемника. < Фотоприемнику. 3 подключен металлический контакт 5, à ic низкоомноиу слою . - иеталлический кон такт 6. Через контакте 5., 6 к фотоприемнику. подключены источник питания 7 и сопротивление нагрузки 8, .

К:сопротивлению:нагрузки 8 подключен . измерительный прибор 9. Частью сцинтиллятора 1 является входное окно 10, В качестве сцинтиллятора 1 установлен кристалл соединений А" В с мзовалентным активатором, напрймер

CdS(Te) CdS(Hg), ZnSe(Te), 2aSe(Hg), ЗпЗ(Те).

Ъ .

Низкоомный слой 2 выполнен из материала сцинтиллятора, содержащего избыток металла,.например кадмия или цинка. В случае, если сцинтиллятор 1 изготовлен на основе низкоомного материала (например CdS(Te) с удельным сопротивлением 10 «ю - 10 Ом см), необходимость s использовании слоя 2 пониженного сопротивления отпадает

060035 и контакт 6 наносят непосредственно на сцинтиллятор 1.

Низкоомный слой 2 наносят на сцинтиллятор 1 напылением или диффузией,.

его толщина составляет 1-10 мкм. Низкоомный слой 2 служит для подключения контакта 6 к слою твердого раствора 4 между сцинтиллятором и фото- .

1О приемником„

Слой твердого раствора 4 между сцинтиллятором 1 и фотоприемником 3 является рабочии элементом фотоприемника и включает в себя р-а-переход .

Я между материалои и-типа проводимости (сцинтиллятор 1) и р-типом проводимости (фотоприемник 3). Контакт 6 подключают через низкооимый слой 2 к и-saeapy р»п-пвреe а елув l.. Толщина слоя 4 составляет 10 - 1 мкм.

Слой имеет кристаллическую структуру, соответству«ввуе - структуре монокриеталла сцюнтиллюторв t, в ««это»

- рой двухвлвныв атов мвтвллв вто-. рой группы периодической сметете (например, мэдмий ияе цинк) чветмчмо заметны одмовалвмтююФ of 09 þ .мв» таллов первой группы (манрюер, ивась или серебро) ° Слой 4 прф1етввлювт е6 бой твердый рает ор AII u Ar В, т.е. типа A «„кЩк Э, мапрммвр

Cd „(Ce)„8, гв,„(Свв) йе, zn„®(ap )„s са„„(Ав)„8, м åó вт гетерогеваЮ йвреход е ивтериа35 лрм ецмнтюлюторв. 4 фотоармвэеек 3 представляет собой обладаний вмеоким ков99мцмвмтом щр оптического оглои1вммю в дмапввомв длин волн излучению ецимтмллятора. В качестве фотоприемника могут быть использованы соединения A 8", например Сиз8 Cu

В качестве контактов 5, 6 используют пленки из алюминия или индия +

Е) + алюминий,: наносящиеся на фотоприемник 3 и низкоомный слой 2. Кон.такт 5 наносят на р-материал фотоприемника, и он является р-выводом рабочего элемента 4 фотоприемника, 55 контакт 6 является соответственно

ri-выводом фотоприемника. Толщина контакта 5 и контакта 6 составляет 110 мкм. Контакты наносят напылением или электролизом.

106" 035

Источник питания 7 служит для по" дачи постоянного напряжения смещения к слою 4 с целью Выбора рабочей точки на вольт-амперной характеристике р-п-перехода, Формируемого в области . слоя твердого раствора 4 между материалами сцинтиллятора и фотоприем" ника. Напряжение источника 7 составляет 0,5-50 В„ Если устройство 10 используется в режиме Фото-ЭпС, источник 7 может отсутствовать.

Сопротивление нагрузки 8, значение которого составляет {0-{0 Ом,: подключается последовательно с ис- Я точником питания 7 к контактам 5 и 6.

В случае отсутствия источника сопротивления нагрузки подключается к выводам 5, 6, C сопротивления нагрузки

8 электрический сигнал подается на 2Î измерительный прибор 9 .к рабочему элементу Фотогцзиемника.

Измерительный прибор 9 представ" ляет собой аперационнмй .уСилитеяь, совмещенный а прибором, регистрирующим изменение значения падения на пряжения на сопротивлении нагруз- . ки, к которому подключен вход операционного усилителя. еходнОе Окно {О явйяетсй частью сцинтиллятора {, через которую ионизирующее излучение попадает 9 обьвм сцинтиллятора. В используааах со" гласно изобретению полупроаодникоаьа сцинтилляторах,, которые не нуящает- 38 ся в защите от атмосФерного воздай" ствия, Входное окно представляет из себя мехаиичеСки обработаннучз е требуемой точйостью плоскость (как правило, торец цилиндра) ионокрис" талла сцинтиллятора.

ПРедложенное. устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии между полу» ф проводником и-типа которым являются сцинтиллятор { и низкООмный слОй 2 сцинтиллятора, и полупроводником Р" типа, которым является фотоприемник

3 например CnaS СцаяеФ в слое их 50 твердого раствора 4 Формируется р.-пперехол. При наличии контакта между полупроводниками с Разным типом проводимости в переходном слое, е дан-. ном случае их твердого РаствоРа 4, 55 устанавливается заряло-Равновесное состояние между основными носителями заряда п- и Р-слоев, то есть электронами и дырками, Это состояние сопровождается возникновением потенциального барьера на р-п-переходе, который в нашем случае локализован в слое 4. R случае приложенного от источника 7 через сопротивление нагрузки 8 и контакты. 5, 6 напряжения смещения обратной по отношению к ри и-выводам полярности еще более повышается величина потенциального барьера и, тем самым, запирающее действие гетероперехода. Поэтому в исходном состоянии ток через сопротивление нагрузки 8 отсутствует, падеНие напряжения на нем равно нулю.

Ионизирующее излучение А, попадая через входное окно {О на кристалл сцинтиллятора 1, возбуждает в кристалле вспышки светового излучения В, распространяющегося в объеме кристалла. Это излучение попадает на фотоприемник 3, где в слое 4 твердого раствора сцинтиллятора происходит поглощение света, оопровекдаемое .генерацией электронно-дырочных пар. Изменение концентрации носителей приводит и наруаение равновесного состояния тока носителей заряда в р-иЕлое 4 weepy полупроводниками, низ« коомнмм слоем 2 и фотоприемником 3, что сопровождается возникновением то- . ка через сопротивление нагрузки 8, Падение напряяения на сопротивлении

8 регистрируется измерительным прибором 9. После пРекращения воздействия потока фотонов иа слой твердого раствора 4 и Фотояриеиник 3 соответственно.прекращается генерация носителей, в обгести р-п-перехода восста. навливается динамическое равновесие между дрейфовым током неосновных носителей и диФФузионным током основных носителей, l.е„. восстанавливается равновесное состояние, имевшее место до ВОздействия, потОка ФотОнову тОк во внешней цепи через сопротивление нагрузки отсутствует. Быстродействие. описанного процесса, протекающего В р- n-слое 4., составляет {О з -10 с, что более, .чем в {0 раз, превышает быстродействие процессов, llpoxopRùèõ в высокочувствительном Фоторезисторе.

Необходимым условием высокой эфФективности работы.-описанного устРойства является хорошее согласование спектра излучения сцинтиллятора со спектром Фоточувствительности Фотоприемника. Отличительная особенность

9 10600 слоя твердого раствора 4 соединений

A 2 x A x В состоит B том, что Ко и vi эффициент поглощения К света в области длин волн, излучаемых полупроводниковыми сцинтилляторами, очень высок, его значение не менее К =

= 5 10+ +- 5.10 см, В соответствии с этим интенсивность прошедшего через фотоприемник gp

3 света Х рр по сравнению с интенсивностью падающего Iя д составляет

I+ = Iù е 103 I

-3сЬ8 т.е. при средних значениях К =

= 10 cM и толщины слоя 4 твердого раствора 61 = 0,3 мкм не менее 903 падающего света поглощается в слое 4, Так как контакт 5, нанесенный из индия или алюминия к фотоприемнику 3, о дополнительно играет роль. отражателя, практически полностью падающее на фотоприемник излучение поглощается в слое 4, вызывая генерацию электронно-дырочных пар. 25

Быстродействие устройства, т.е. длительность регистрируемого измерительным прибором 9 электрического импульса, определяется суммой вре« мени разделения электронно-дыроч- 3p ных пар с,, в слое твердого расти вора 4. и временем релаксации се л электрических процессов в .регистри.рующей цепи, состоящей из элементов .5-9, что, в -свою очередь, зависит от .значения КС этой цепи,. где к— значение .нагрузочного сопротивле-, ния, С .- .распределенная в элементах

5-9 емкость-. Для твердого раствора

4 Ф,.= 10 - 10 с, <а в реальном 4g случае составляет 10 - 10 с.

Таким образом, предложенное устройство по принципу работы существенно отличается от.ранее известных.

В отличие от прототипа благодаря выбору в качестве фотоприемника неизовалентного со сцинтиллятором материала слой твердого раствора на . границе сцинтиллятор-фотоприемник представляет .собой гетерогенный р-п-переход, а не фоторезистор, как было s прототипе. Принципиально отличаются как материал и параметры самого слоя - его толщина уменьшилась со 100.-200 до 0,05-1 мкм, -т.е. более, чем на 2 порядка, а коэффициент поглощения в слое увеличился более, чем на 4 порядка, - так и характер протекающих в слое процессов.

10

Вместо изменения проводимости фотопроводящего слоя происходит гене« рация пар носителей противоположных знаков в сверхтонком слое р-и-перехода. Время протекания этого процесса более, чем в 10 раз, ниже времеб ни изменения проводимости фотопроводящего слоя, что позволяет производить измерения параметров коротковременных процессов, характерных для воздействия многих видов ионизирующих излучений.

Фактически время срабатывания устройства ограничивается монтажной емкостью и составляет 1-10 мкс. Время протекания процессов в р-и-слое твер" дого раствора в 10з раз меньше указанной величины, поэтому после преодоления технических трудностей, связанных с уменьшением перехорнои емкости от фотоприемника к входу операционного усилителя, время срабатывания устройства может быть значительно понижено..Дополнительным пре-, имуществом предлагаемого устройства является повышение .его чувствительности примерно в 10 .раз по сравнению с прототипом„

В таблице представлены сравни- . тельные данные по базовому объекту, устройству-прототипу и предложенному устройству.I

Предложенное устройство, которое обладает всеми достоинствами прототипа (малые габариты, вес, высокая надежность работы), имеет повышенную чувствительность, которая не ниже, чем у базового устройства.

Время срабатывания предложенного устройства уменьшилось на три порядка по сравнению с прототипом и ста« ло соизмеримо с временем срабатывания базового устройства. Оно может быть еще уменьшено, так как определяется лишь постоянной времени монтажной емкости.

Таким образом, предложенное устройство, сохраняя все преимущества прототипа, обладает более высокой чувствительностью и в 10з раз лучшим быстролействием, поэтому оно может быть использовано для регистра- . ции и исслелования импульсных и кратковременных процессов, что особенно важно для ядерной промышленности, в космических исследованиях, медицине, а также для работы в счетном режиме.

1060035

Устройство чувствительность, отн. ед.

Время срабатывания, мкс

На основе NaI (Tl) с фотоумножителем (базовое устройство}

О, 5-1

На основе полупроводникового сцинтиллятора с фотореэисто-. ром из твердых растворов соединений А В" (прототип) 10 -10

0,2-0,4

На основе полупроводникового сцинтиллятора с гетерогенным р-и-переходом из тверрых растворов соединений А В и А В" . (предлагаемое устройство) 1-10

1-1,5

Редактор Р.Филиппова Техред М,Моргентал Корректор В.Петраш

Заказ 1093 Тираж Подписное

ВНИИПИ.Государственного комитета по иэобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д, 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101