Гибридный пиксельный детектор ионизирующих излучений
Владельцы патента RU 2730045:
Объединенный институт ядерных исследований (ОИЯИ) (RU)
Изобретение относится к полупроводниковым детекторам ионизирующего излучения. Гибридный пиксельный детектор ионизирующих излучений содержит полупроводниковый структурированный сенсор для регистрации ионизирующих излучений, состоящий из матрицы столбчатых элементов, электрически изолированных друг от друга тонким слоем диэлектрика, и регистрирующую матричную микросхему, соединенные методом перевернутого кристалла, при этом толщина сенсора составляет 4 мм, а размер пикселя сенсора - 55 мкм или 110 мкм. Технический результат – повышение эффективности регистрации излучения, повышение пространственного и энергетического разрешения детектора. 4 ил.
Изобретение относится к полупроводниковым детекторам ионизирующего излучения, применяемым в ядерной физике, медицине, таможенном контроле и т.д.
Уровень техники.
Отклик на факт регистрации частицы в современных полупроводниковых детекторах рентгеновского излучения [1] происходит в виде электрического сигнала, в отличие от детекторов, формирующих визуальное изображение трека частицы (фотоэмульсии, камеры Вильсона и пузырьковые камеры). На противоположные поверхности сенсора наносят металлические электроды, что позволяет создать в объеме сенсора электрическое поле путем подключения к ним напряжения смещения, под действием которого свободные носители дрейфуют к считывающим электродам. Величина напряжения должна быть достаточной для высокой эффективности сбора свободных носителей зарядов на считывающих электродах, возникших в объеме сенсора при прохождении через него гамма-кванта. В результате направленного дрейфа носителей заряда на считывающих электродах возникает импульс тока во внешней цепи детектора, который затем усиливается и обрабатывается электроникой считывания.
Материал сенсора (Si, GaAs, Ge, CdTe, CZT и др.) детектора должен удовлетворять следующим требованиям: иметь достаточно большое удельное электрическое сопротивление (R>10 кОм/см) и достаточно большое время жизни носителей заряда, возникших в результате ионизации частицей вещества сенсора. Таким образом, создается низкая концентрация равновесных носителей заряда, позволяющая регистрировать сигналы от ионизирующих частиц, и высокая эффективность сбора неравновесных носителей.
Существуют координатные детекторы ионизирующих излучений, изготовленные из кремния. В таких детекторах рабочий объем сенсора состоит из кремния n-on-р или р-on-n типа с высоким удельным сопротивлением порядка 15 кОм/см [1]. На одну поверхность рабочего объема сенсора нанесена сплошная металлизация на другую металлизация в виде параллельных полосок (стрипов) с заданным шагом или двумерной матрицы пикселей с заданным шагом, каждый из которых соединен со входом микросхемы считывающей электроники. На описанные обкладки сенсора подается напряжение смещения.
Существуют координатные детекторы ионизирующих излучений, выполненные на высокоомном арсениде галлия (GaAs:Cr). Детекторы на GaAs:Cr содержат рабочий объем сенсора из монолитного слоя высокоомного GaAs:Cr [2] с удельным сопротивлением до 109 Ом/см. На одну поверхность рабочего объема сенсора нанесена сплошная металлизация на другую металлизация в виде параллельных полосок (стрипов) с заданным шагом или двумерной матрицы пикселей, каждый из которых соединен со входом микросхемы считывающей электроники. На описанные обкладки сенсора также подается напряжение смещения.
Недостатком таких детекторов является то, что в результате эффекта разделения заряда [3], сигнал делится на несколько пикселей, в результате чего ухудшается пространственное и энергетическое разрешение детектора. Влияние эффекта разделения заряда может быть частично уменьшено повышением прикладываемого к сенсору напряжения смещения до нескольких киловольт при толщине сенсора порядка 500 мкм и десятков киловольт при толщине сенсора порядка нескольких миллиметров, для пикселей размером порядка 55 мкм * 55 мкм, что на практике является трудно достижимым вследствие роста темновых токов.
Наиболее близкий аналог - патент пиксельного полупроводникового детектора элементарных частиц "Однослойный полупроводниковый детектор трехмерных изображений (3D)" [Патент США US9297912 "Однослойный полупроводниковый детектор трехмерных изображений (3D)" от 29.03.2016 года].
Детектор состоит из монолитного слоя высокоомного полупроводникового материала - рабочего объема (сенсора), в котором могут возникать заряды в результате взаимодействия частицы, которая будет зарегистрирована. Сенсор имеет сплошной внешний и пиксельный внутренний металлические электроды. Методом перевернутого кристалла к сенсору последовательно подсоединена регистрирующая матричная микросхема с коэффициентом усиления не менее 80 мВ/фК. Микросхема пиксельной электроники считывания типа Timepix, регистрирует величину зарядов, образовавшихся и дрейфующих под действием приложенного электрического напряжения. Каждый пиксель микросхемы Timepix соединяется с соответствующим пикселем на внутренней поверхности сенсора с помощью метода перевернутого кристалла. На внешние и внутренние металлические электроды сенсора подается напряжение смещения.
Недостатком всех этих, а также и других известных твердотельных полупроводниковых детекторов всех ионизирующих частиц и гамма квантов является наличие эффекта разделения заряда, который приводит к ухудшению пространственного и энергетического разрешения.
Технической задачей изобретения является устранение этого недостатка.
Сущность изобретения.
Техническая задача решается созданием структурированного сенсора, т.е. сенсор должен состоять из отдельных столбиков, отделенных друг от друга тонким слоем диэлектрика, препятствующим перераспределению заряда между пикселями за счет диффузии.
Структурирование рабочего объема детектора в виде матрицы столбчатых элементов, электрически изолированных друг от друга тонким слоем диэлектрика позволит устранить эффект разделения заряда, вызванного диффузией носителей заряда. Как следствие, станет возможным снизить минимально необходимое напряжение, прикладываемое к сенсору, что позволит использовать источники напряжения меньшей мощности. Структурирование также позволит использовать сенсоры большей толщины, поскольку минимальное прикладываемое напряжение будет обусловлено только необходимой эффективностью сбора заряда.
Существенный признак изобретения, заключающийся в структурировании рабочего объема детектора и отделением элементов рабочего объема тонким слоем диэлектрика, решает все поставленные технические задачи и открывает новые возможности использования подобных детекторов для регистрации рентгеновского излучения с высокой эффективностью в широком диапазоне, за счет увеличения толщины до 4 мм с сохранением пространственного и энергетического разрешения, обусловленного материалом сенсора и шагом пикселей детектора 55 мкм или 110 мкм.
Перечень фигур:
Фиг. 1 Принципиальная схема полупроводникового матричного детектора элементарных частиц (прототип).
Фиг. 2 Принципиальная схема полупроводникового матричного детектора элементарных частиц со структурированным сенсором
Фиг. 3 Принципиальная схема полупроводникового матричного детектора со структурированным сенсором (3D)
Фиг. 4 Результаты сравнительного моделирования энергетического отклика полупроводникового матричного детектора с монолитным и структурированным сенсором.
Описание фигур:
На Фиг. 1 представлена принципиальная схема полупроводникового матричного детектора элементарных частиц (прототип), где:
1. Источник питания;
2. Сплошной внешний металлический электрод;
3. Трек гамма кванта;
4. Облако ионов;
5. Облако электронов;
6. Границы облака электронов, диффундирующих во время движения к матричному электроду;
7. Рабочий объем детектора из монолитного слоя полупроводникового материала;
8. Матричный внутренний металлический электрод;
9. Блок аналоговой обработки сигнала;
10. Блок цифровой обработки сигнала;
11. Регистрирующая матричная микросхема;
12. Заземляющий электрод;
На Фиг. 2 представлена принципиальная схема полупроводникового матричного детектора элементарных частиц со структурированным сенсором (сечение), где:
1. Источник питания;
2. Сплошной внешний металлический электрод;
3. Трек гамма кванта;
4. Облако ионов;
5. Облако электронов;
6. Границы облака электронов, диффундирующих во время движения к матричному электроду;
8. Матричный внутренний металлический электрод;
9. Блок аналоговой обработки сигнала;
10. Блок цифровой обработки сигнала;
11. Регистрирующая матричная микросхема;
12. Заземляющий электрод;
13. Тонкий слой диэлектрика, разделяющий отдельные структурные элементы рабочего объема;
14. Рабочий объем детектора из структурированного слоя полупроводникового материала;
На Фиг. 3 представлена принципиальная схема полупроводникового матричного детектора элементарных частиц со структурированным сенсором (3D), где:
1. Источник питания;
2. Сплошной внешний металлический электрод;
11. Регистрирующая матричная микросхема;
12. Заземляющий электрод;
14. Рабочий объем детектора из структурированного слоя полупроводникового материала;
На Фиг. 4, представлены результаты сравнительного моделирования энергетического отклика детектора с монолитным и структурированным сенсором.
По оси X - Энергия, кэВ
По оси Y - Доля событий
15. Монолитный сенсор, размер пикселя 110 мкм
16. Монолитный сенсор, размер пикселя 55 мкм
17. Столбчатый сенсор, размер пикселя 55 мкм
18. Столбчатый сенсор, размер пикселя 110 мкм
Осуществление изобретения.
Осуществление изобретения представлено на Фиг. 4, как результаты сравнительного моделирования энергетического отклика детектора с монолитным и структурированным сенсором с размером пикселя 55 мкм и 110 мкм, облучаемого моноэнергетическим рентгеновским излучением с энергией фотонов 100 кэВ. Толщина сенсора - 4 мм, приложенное к противоположным сторонам сенсора напряжение - 8 кВ.
Энергетический отклик монолитного сенсора представляет собой плавно убывающую функцию, в то время как для структурированного сенсора функция энергетического отклика имеет узкий пик, соответствующий энергии регистрируемого моноэнергетического излучения.
Изобретение может быть использовано в ядерной технике, медицине, таможне и промышленности для увеличения эффективности регистрации излучения, повышения пространственного и энергетического разрешения, в особенности при работе с рентгеновским и гамма-излучениями.
Источники информации
1. Knoll, G. F. Radiation detection and measurement / G.F. Knoll. - John Wiley& Sons, 2010.
2. Lukas Tlustos, Georgy Shelkov, Oleg P. Tolbanov. Characterisation of a GaAs(Cr) Medipix2 hybrid pixel detector. NIM A 633 (2011) S103-S107.
3. B. Norlin et al., Characterisation of the charge sharing in pixellated Si detectors with single-photon processing readout, Nucl. Instrum. Meth. A 563 (2006) 133.
4. Патент США US9297912 "Однослойный полупроводниковый детектор трехмерных изображений (3D)" от 29.03.2016 года.
Гибридный пиксельный детектор ионизирующих излучений, включающий полупроводниковый структурированый сенсор для регистрации ионизирующих излучений, состоящий из матрицы столбчатых элементов, электрически изолированных друг от друга тонким слоем диэлектрика, и регистрирующую матричную микросхему, соединенные методом перевернутого кристалла, отличающийся тем, что толщина сенсора составляет 4 мм, а размер пикселя сенсора - 55 мкм или 110 мкм.
