Устройство для регистрации рентгеновского и низкоэнергетического гамма-излучения
Использование: в атомной энергетике, геологии, металлургии, в системах экологического контроля, при переработке вторичного сырья, таможенном контроле и криминалистике. Сущность: устройство содержит полупроводниковый детектор, выполненный из монокристаллического кремния и содержащий плоский сигнальный p+-n переход, вокруг которого расположены охранные кольцевые р+-n переходы с электродами, предварительный усилитель, причем электрод плоского сигнального p+-n перехода соединен с входом предварительного усилителя, а электрод внутреннего охранного кольцевого p+-n перехода соединен с шиной нулевого потенциала предварительного усилителя. Технический результат - повышение эффективности работы устройства. 1 ил.
Изобретение относится к технике измерения рентгеновского и низкоэнергетического гамма-излучения с помощью полупроводниковых детекторов, и может быть использовано в атомной энергетике, геологии, металлургии, в системах экологического контроля, при переработке вторичного сырья, таможенном контроле и криминалистике.
В данной области известно применение устройств, основанных на использовании и регистрации перемещения свободных носителей в однородных полупроводниках, не обладающих внутренним усилением, таких как алмаз, германий, кремний. Регистрация излучения происходит благодаря перемещению образовавшихся свободных носителей заряда. Эти заряды разделяются и собираются на электродах, образуя электрический сигнал, несущий в себе информацию об излучении [1].
Известно применение полупроводниковых детекторов с охранным кольцом [2], содержащий активный элемент поверхностно-барьерной структуры, где на свободной поверхности входного окна активного элемента расположено охранное кольцо с МДП-структурой. Управление охранным кольцом производится путем подачи на металлический электрод положительного смещения относительно подложки р-типа с напряжением, создающим проводимость поверхности, близкую к собственной [2].
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению, и взятому за прототип, является устройство для регистрации ионизирующего излучения, состоящее из полупроводникового детектора, чувствительный элемент которого выполнен из кремниевого кристалла, содержащий плоский сигнальный p+-n переход, вокруг которого расположены охранные кольца p+-n перехода с электродами, включающее предварительный усилитель и блок обработки сигнала [3].
Недостатком такого устройства является, то, что на входе предварительного усилителя возникают фоновые сигналы из периферийной области детектора, которые приводят к относительно низкому отношению пик/фон в спектре измеряемого излучения, и понижают энергетическое разрешение устройства.
Изобретение решает задачу повышения эффективности работы устройства, путем улучшения энергетического разрешения и контрастности спектра измеряемой энергии.
Сущность изобретения заключается в том, что устройство для регистрации рентгеновского и низкоэнергетического гамма-излучения, состоит из полупроводникового детектора, выполненного из монокристаллического кремния, и содержащего плоский сигнальный р+-n переход, вокруг которого расположены охранные кольцевые р+-n переходы с электродами, и предварительный усилитель, при этом электрод внутреннего охранного кольцевого р+-n перехода соединен с шиной нулевого потенциала предварительного усилителя.
Новым и существенным признаком, по сравнению с прототипом, является соединение электрода внутреннего охранного кольцевого р+-n перехода с шиной нулевого потенциала предварительного усилителя. Именно данное соединение обеспечивает минимальную площадь периферии относительно плоского сигнального электрода.
Введение нового признака позволяет увеличить отношение пик/фон и улучшить энергетическое разрешение.
На чертеже представлена принципиальная схема устройства, где 1 - полупроводниковый детектор, 2 - плоский сигнальный р+-n переход, 3 - охранные кольцевые р+-n переходы с электродами, 4 - предварительный усилитель, 5 - шина нулевого потенциала предварительного усилителя.
Устройство для регистрации рентгеновского и низкоэнергетического гамма-излучения состоит из полупроводникового детектора, выполненного из монокристаллического кремния, и содержащего плоский сигнальный р+-n переход 2, вокруг которого расположены охранные кольцевые р+-n переходы с электродами 3 и предварительный усилитель 4, при этом электрод плоского сигнального р+-n перехода 2 соединен с входом предварительного усилителя 4, а электрод внутреннего охранного кольцевого р+-n перехода 3 с шиной нулевого потенциала 5 предварительного усилителя 4.
Устройство для регистрации рентгеновского и низкоэнергетического гамма-излучения работает следующим образом: кванты рентгеновского и низкоэнергетического гамма-излучения проникают в чувствительную область детектора 1 и генерируют в нем электронно-дырочные пары. Носители заряда (электроны и дырки) под действием приложенного к полупроводниковому детектору 1 электрического поля "рассасываются", перемещаются к электродам. В результате во внешней цепи полупроводникового детектора 1 возникает электрический импульс, который интегрируется зарядочувствительным предварительным усилителем 4 и преобразуется в перепад напряжения на его выходе, а затем передается в блок обработки сигнала. Следует отметить, что величина собранного на электроде плоского сигнального р+-n перехода 2 заряда зависит от места конверсии кванта излучения. Наибольшие потери собранного заряда имеют место при попадании рентгеновского кванта в периферийную область полупроводникового детектора 1. Сигналы от квантов, попавших в периферийную область полупроводникового детектора 1, имеют различную амплитуду и, тем самым создают фон в амплитудном спектре измеряемой энергии. Соединение внутреннего электрода охранного кольцевого р+-n перехода 3 с шиной нулевого потенциала 5 предварительного усилителя 4 образует дополнительную электрическую цепь для отвода периферийных (фоновых) сигналов от входа предварительного усилителя 4.
Для проверки работоспособности устройства был создан опытный образец, в котором полупроводниковый детектор выполнен из кремниевого кристалла площадью 7 мм2 и толщиной 300 мкм. Плоский сигнальный р+-n переход представляет собой ионно-имплантированную p+область с повышенной концентрацией атомов бора. Вокруг плоского сигнального р+-n перехода расположены охранные кольцевые р+-n переходы, выполненные аналогичным способом, что и плоский сигнальный р+-n переход. Металлические электроды выполнены из алюминия. Использовался предварительный усилитель зарядочувствительного типа.
Испытания опытного образца устройства показали, что энергетическое разрешение по энергии 5,9 кэВ при постоянной времени формирования 10 мкс не более 230 эВ, при этом отношение высоты пика полного поглощения к уровню непрерывного амплитудного распределения для энергии 2,5 кэВ пик/фон составляет 800, что 3-4 раза выше по сравнению с прототипом.
Кроме высокого энергетического разрешения и отличных фоновых характеристик устройство имеет малые габариты и вес и не требует для охлаждения жидкого азота.
Литература
1. Полупроводниковые детекторы в дозиметрии ионизирующих излучений. Под ред. В.К.Ляпидевского, М., 1973, с.3.
2. Авторское свидетельство №1545788.
3. L.Evensen, A.Hanneborg, B.Avset and M.Nese, "Guard ring design for high voltage operation of silicon detectors", NIM, vol. A337, p.44-52, 1993.
Устройство для регистрации рентгеновского и низкоэнергетического гамма-излучения, состоящее из полупроводникового детектора, выполненного из монокристаллического кремния и содержащего плоский сигнальный p+-n переход, вокруг которого расположены охранные кольцевые p+-n переходы с электродами, отличающееся тем, что устройство содержит предварительный усилитель, причем электрод плоского сигнального p+-n перехода соединен с входом предварительного усилителя, а электрод внутреннего охранного кольцевого р+-n перехода соединен с шиной нулевого потенциала предварительного усилителя.
