Способ восстановления разрешающей способности детектора ионизирующего излучения, изготовленного из широкозонного полупроводника

 

Использование: регистрация ионизирующих излучений, а более конкретно - спектрометрия этих излучений с помощью полупроводниковых детекторов. Сущность изобретения: для устранения деградации детекторов ионизирующего излучения, изготовленных из полупроводника с широкой запрещенной зоной, воздействуют на чувствительный элемент детектора постоянным электрическим полем, обеспечивающим в материале чувствительного элемента уменьшение количества захваченных ловушками носителей тока и одновременно с электрическим полем осуществляют воздействие на чувствительный элемент акустическими колебаниями звукового или ультразвукового частотного диапазона с амплитудой, величина которой лежит в области амплитудно-зависимого поглощения этих колебаний для материала чувствительного элемента, предварительно определенной для условий эксплуатации детектора по температуре и освещенности. Воздействие осуществляют как перед измерениями спектра, так и в ходе измерений. 2 ил.

Изобретение относится к регистрации ионизирующих излучений, а более конкретно к спектрометрии этих излучений с помощью полупроводниковых детекторов, и может применяться при эксплуатации детекторов ионизирующих излучений.

В настоящее время одна из основных проблем, связанных с детекторами на полупроводниках с широкой запрещенной зоной, это их деградация в процессе эксплуатации, что связано с остаточным встроенным объемным зарядом, образующимся при захвате носителей на ловушках, что ухудшает сбор носителей тока, возникающих под действием измеряемого излучения.

Известен способ регистрации и спектрометрии ионизирующего излучения [1] в котором в качестве чувствительного элемента используются широкозонные полупроводники типа A₂B₆, A₃B₅ и другие.

Сущность способа состоит в следующем. Под действием ионизирующего излучения в полупроводниковом кристалле образуются свободные носители тока. При попадании в кристалл одного кванта излучения количество носителей будет примерно пропорционально энергии этого кванта. Если полупроводниковый чувствительный элемент поместить в постоянное электрическое поле, то под действием одного кванта излучения можно зарегистрировать один импульс тока, амплитуда которого пропорциональна энергии падающего кванта. Число импульсов тока с данной амплитудой пропорционально (в идеальном случае равно) числу квантов с определенной энергией.

При эксплуатации чувствительного элемента имеет место деградация его свойств, что является причиной нестабильности характеристик детекторов.

Известен способ эксплуатации детекторов ионизирующего излучения [2] принятый за прототип, в котором на чувствительный элемент, изготавливаемый из широкозонного полупроводника HgI₂, воздействуют постоянным электрическим полем, что улучшает качество детектора. Этот факт объясняется тем, что внешнее электрическое поле способно изменять встроенный электрический заряд путем удаления из детекторного кристалла носителей тока, попадающих в зону проводимости из сравнительно неглубоких уровней (ловушек) за счет термических флуктуаций.

Однако этот способ обладает недостатками. В частности, стабилизация и восстановленные разрешающей способности детектора являются неполными и чрезвычайно медленными (часы, сутки). Кроме того, в ряде случаев электрическое поле может не только уменьшать, но и создавать объемные заряды в материале чувствительного элемента детектора, что приводит к невоспроизводимости результатов и является нежелательным.

Предлагаемое изобретение лишено указанных недостатков. Оно решает задачу получения стабильных спектрометрических характеристик чувствительных элементов детекторов ионизирующего излучения, используя дополнительно к постоянному электрическому полю внешнее поле иной физической природы.

Эта задача решается тем, что, в известном способе эксплуатации детектора ионизирующего излучения, изготавливаемого из пластичного полупроводника с широкой запрещенной зоной, путем воздействия на чувствительный элемент детектора постоянным электрическим полем, обеспечивающим в материале чувствительного элемента уменьшение количества захваченных ловушками носителей тока, согласно формуле изобретения, одновременно с электрическим полем воздействие на чувствительный элемент осуществляют акустическими колебаниями звукового или ультразвукового частотного диапазона с амплитудой, величина которой лежит в области амплитудно-зависимого поглощения этих колебаний для материала чувствительного элемента, предварительно определенной для условий эксплуатации детектора по температуре и освещенности.

Сущность изобретения заключается в том, что при воздействии акустических колебаний происходит периодическое смещение дислокаций из своего положения равновесия с частотой этих колебаний. Дислокация в кристалле, в особенности краевые, могут нести на себе электрический заряд и в связи с этим являются ловушками для свободных носителей тока. В то же время образующая система "заряд на дислокации захваченный носитель" является эффективным препятствием (стопором) для движения этих дислокаций. Отрыв от стопоров под действием напряжений акустической волны, приводящий к возникновению амплитудно-зависимого поглощения этой волны, освобождает носители из ловушек, формирующих достаточно глубокие уровни. Освобожденные носители удаляются из кристалла электрическим полем. Это приводит к уменьшению вредной поляризации чувствительного элемента и к более полному сбору носителей тока, возникающих под действием измеряемого ионизирующего излучения. Воздействие акустических колебаний с амплитудой в области амплитудно-зависимого поглощения на чувствительный элемент, находящийся в постоянном электрическом поле, является необходимым и достаточным для улучшения спектрометрической стабильности детектора.

Преимущество изобретения состоит в том, что акустические колебания с достаточно большой амплитудой (в области амплитудно-зависимого поглощения) способствуют удалению из кристалла носителей, захваченных на глубоких уровнях дислокационного происхождения. Это приводит к значительному уменьшению встроенного объемного электрического заряда, препятствующего полному сбору носителей тока, которые возникают под действием детектируемого ионизирующего излучения, что в конечном итоге позволяет многократно и достаточно быстро восстанавливать разрешающую способность полупроводникового детектора. Без акустических колебаний в амплитудно-зависимой области степень восстановления может быть частичной.

Способ осуществляется следующим образом. К полупроводниковому чувствительному элементу прикладывают постоянное электрическое поле (аналогично прототипу). Затем одновременно с воздействием электрического поля в чувствительном элементе детектора возбуждают акустическую волну звукового или ультразвукового диапазона. Измеряют амплитудную зависимость поглощения акустических колебаний при условиях эксплуатации детектора по температуре и освещенности. Выбирают область амплитуд, где проявляется амплитудно-зависимое поглощение.

Возможны режимы эксплуатации: а) кратковременное (2-10 мин) воздействие на чувствительный элемент акустическими колебаниями перед измерениями спектра; б) непрерывное воздействие на чувствительный элемент акустическими колебаниями в ходе измерений.

Пример. К чувствительному элементу детектора, изготовленному из кристалла HgI₂, (качество детекторного кристалла было весьма низкое) приклеивался пьезокварц, с помощью которого в акустической системе "пьезокварц-детекторный кристалл" возбуждалась продольная стоячая ультразвуковая волна. Была измерена амплитудная зависимость декремента колебаний акустической системы, пример которой показан на фиг. 1. Перед измерениями в системе "пьезокварц-детекторный кристалл" устанавливалась амплитуда в области от 3·10^-5 до 3·10^-4, соответствующей амплитудно-зависимому поглощению ультразвуковых колебаний частотой около 100 кГц. Время воздействия было около 10 мин. Затем ультразвук выключался. Измерения спектра излучения от источника Am²⁴¹ производилось до и после ультразвукового воздействия. Результаты показаны на фиг. 2. На фиг. 2а представлен спектр, полученный сразу после подключения к чувствительному элементу постоянного электрического поля напряженностью около 30 кВ/см. Фиг. 2б демонстрирует спектр, полученный через 1,5 ч после приложения электрического поля (как в прототипе). Как показывает опыт, дальнейшие изменения спектра практически останавливаются или идут чрезвычайно медленно. На фиг. 2в показан спектр, полученный после двухчасового воздействия на чувствительный элемент электрического поля и десятиминутного совместного воздействия ультразвуковыми колебаниями и электрическим полем. Видно, что с помощью акустических колебаний можно за очень короткое время восстановить спектральную чувствительность детекторного кристалла (390 канал спектрометра соответствует энергии падающего излучения 60 кэВ). Повторное благотворное воздействие ультразвука воспроизводилось многократно при измерениях спектров от различных источников (Am²⁴¹, Co⁵⁷, Sn^119m).

Для увеличения подвижности дефектов-ловушек (дислокаций) носителей тока чувствительный элемент детектора во время электроакустического воздействия перед измерениями можно дополнительно нагревать до температур, не превышающих либо температуру плавления материала детектора, либо температуру, при которой детектор становится непригодным к эксплуатации.

Изобретение предлагает способ борьбы с деградацией и решает задачу получения стабильных спектрометрических характеристик чувствительных элементов детекторов.

Формула изобретения

Способ восстановления разрешающей способности детектора ионизирующего излучения, изготовленного из широкозонного полупроводника, включающий воздействие на чувствительный элемент детектора постоянным электрическим полем, обеспечивающим в материале чувствительного элемента уменьшение количества захваченных ловушками носителей тока, отличающийся тем, что одновременно с электрическим полем осуществляют воздействие на чувствительный элемент акустическими колебаниями звукового или ультразвукового частотного диапазона с амплитудой, величина которой лежит в области амплитудно-зависимого поглощения этих колебаний для материала чувствительного элемента, предварительно определенной для условий эксплуатации детектора по температуре и освещенности.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2