CN1040363C - 辐射探测器及探测方法 - Google Patents

Abstract

一种通过让离子辐射穿过气隙或气体空间作用于MOSFET晶体管的浮栅(13)表面来探测离子辐射的方法。为了这一目的，在形成探测器的MOSFET晶体管的浮栅表面上形成了一个未覆盖区域。MOSFET晶体管是这样来使用的：在它的浮栅上形成一层电荷，由于有晶体管暴露在其中的离子辐射的作用，所述电荷发生变化，从而通过栅电荷的变化测得辐射剂量。

Description

辐射探测器及探测方法

本发明的目的在于提供一种探测离子辐射的方法，该方法采用一种带浮动栅MOSFET晶体管的剂量计。本发明的另外目的在于提供一种用来实现上述方法的剂量计，以及探测离子辐射的MOSFET晶体管的使用方法。

作为探测离子辐射的装置应当具有如下特点：

1.结构简单。

2.积分辐射剂量测量时，作为“无源”探测器，即不用电源工作的能力。

3.足够的灵敏度(＜1mrem或1μSv)，使能用于人体及环境辐射监测。

4.始于10Kev或更小值的足够宽的低能区，用以测量低能χ辐射和γ辐射。

5.当探测器的外围结构合适时，该探测器有测量如β粒子，质子和α粒子等带电粒子以及中子的能力。

6.能够无损和直接读出剂量/剂量率的电子读数使能构成直读仪器。

7.读出方法简易且成本低，可构成袖珍式直读的剂量计。

然而，具有上述特点的装置尚未被人知。例如，根据现有技术，可用下述装置探测离子辐射。

1.光致发光玻璃剂量计

光致璃发光玻璃剂量计满足上面提及的大部分要求，除了最后的关于读出方法简易且成本低之外。这是因为目前所用的读出方法是以高精度紫外光源为基础的，这种紫外光源是和光学滤波器及当材料受到紫外辐射时测量荧光的荧光探测器组合在一起的。另外，这种方法中使用的材料，即磷酸盐玻璃，对环境的影响很敏感，这就要求在操作和测量过程中要非常小心。

2.电容式剂量计

最有名的电容式剂量计是所谓的QFD(石英纤维剂量计)，它也叫作PIC或袖珍电离室(Ion Chamser)。它将一个电容式剂量计和一个积分式静电计组合在一起，用户可以通过观察纤维的位置，即纤维的偏转来读数。原理上，电容式剂量计满足上述除简易和无损电子读数方法外的所有要求。

用光学方法来确定静电计纤维位置的电子化读数法很早就发展起来了，但是这些方法在袖珍式装置的读数中都不能充分发挥作用，其它的电容式剂量计，包括所谓的驻极体剂量计，也同样缺乏无损读出方法所需的东西。

3.MOS剂量计

MOS剂量计是基于测量永久电荷的俘获，它引起由辐射激发的MOSFET晶体管中绝缘二氧化硅层能谱慢化。这类装置满足除足够灵敏度外的所有要求。因此，它们适合于测量大约从1rem或10mSV开始的高剂量辐射。

美国专利公布号4788581中披露了一种大家熟知的MOS剂量计。这种剂量计的硅衬底上有一层带浮动栅的氧化硅层，用于收集从固体中来的离子对。因为固体中的离子对的迁移率很小，所以在浮动栅上加了一个有源栅(active gate)以便有效地收集浮动栅上的电荷，这意味着在这种装置的各栅级之间形成了一个辐射敏感区。

由于美国专利出版号4788581的剂量计的结构的限制，其灵敏度是很低的。它适合于测量1rem或10mSv或更高强度的辐射。因此，它不适合于个人辐射监测，这种监测需要范围为1μSv或0.1mrem的测量灵敏度。

辐射测量装置中存在的最普遍缺点是辐射影响的剩余，至少是“准剩余”的。这意味着为使装置得以重复使用，必须采用特殊的处理以逆转辐射的影响。然而，一般的要求是辐射测量装置应是电学方式可逆的。

本发明的目的在于消除上述问题，从而获得一种没有上述缺点的新方法和新装置。

本发明的方法的特点是使离子辐射穿过一个开放的气隙或气体空间或者一个封闭的气隙或气体空间来对MOSFET晶体管的浮动栅极表面起作用，从而在所述栅极表面需要有一个裸露的区域，或者一个被导体，半导体或薄的绝缘层覆盖的区域。

绝缘层的厚度不能超过，例如5mm，从而仍能让电荷通过而到达真正的栅极。然而，最好有一部分栅极表面是完全裸露的。

本发明剂量计的特点是MOSFET晶体管的浮动栅表面至少有部分裸露的，或者是被导体，半导体或一绝缘体薄层覆盖，所述浮动栅位于一个开放的气隙或气体空间或封闭的空气或气体空间中。

本发明的用来检测离子辐射的MOSFET晶体管的使用特点是在MOSFET晶体管的浮动栅上形成一层电荷，该层电荷由于有晶体管暴露在其中的离子辐射的影响而发生变化，从而根据所述栅极上电荷的变化确定辐射剂量。

本发明是基于测量离子辐射对存储在MOSFET晶体管，或金属氧化物硅晶体管的浮动栅电容上的电荷的影响。大家知道带浮动栅的MOSFET晶体管的电荷保存特性是极其优秀的。因此，他们特别适合用来做固定存储器，包括数字和模拟的EPROM和EEPROM存储器。

在一个典型的MOSFET记忆单元中，在“无源”，也就是说，无偏置的条件下，有效辐射灵敏体积主要由绝缘氧化层组成。这意味着辐射灵敏物质的体积是如此之小以致于这种器件除了在很高剂量(＞1Krad)的条件下对离子辐射都是不敏感的。

因此，本发明是基于通过诸如将少量气体充入一个被较厚的壁材料包围的空间中，增大有效辐射灵敏体积；在带浮动栅的MOSFET晶体管中所述空间直接包围着MOSFET晶体管的所述栅极。引入气体和壁材料的目的是充当在其中发生电离的物质的有效体积。

在气隙中形成的电子或正离子，于栅极第一次被充到合适的电位后，在栅极周围的电场的影响下，为该栅极收集起来。初次充电通过传统的方式，例如通过FN隧道贯穿技术完成。

通过测量晶体管的漏-源沟道的导电率，可在电荷本身不消失的情况下测定栅极电荷量。这类似于读出存在模拟EEPROM存储器中的信息。

整体的辐射灵敏度能通过改变MOSFET的结构从而增加或减小栅极电容而得到调整。外部并联的电容能用来降低灵敏度。

选择适当的气体，气压，和包围气体空间的壁材料，可确定探测器的能量响应。假如气体的体积、气压和周围的壁材料的选择符合组织等效(tissue-equivalent)，那么探测器的剂量响应将精确地匹配人体组织的剂量响应，从而能够构成组织等效的人体剂量剂。

本发明在下面的例子中得到描述，在描述时还参考了附图，其中：

图1是本发明探测器的概要剖面图；

图2对应于图1示出了探测器的第二种具体实施例；

图3对应于图1示出了探测器的第三种具体实施例；

图4对应于图1示出了探测器的第四种具体实施例；

图5对应于图1示出了探测器的第五种具体实施例；

图6示出了图5探测器的辐射读出装置。

图7是探测器的第六种具体实施例。

图1概要地表示了本发明的一种探测器，在最简单的情况下它只是一个MOSFET晶体管10。在源极11和漏极12之间加一个足够高的电压，就在晶体管10的栅极13上形成一层电荷。这引起通过栅极绝缘体14的氧化层产生FN隧道贯穿效应，同时导致未连接的，也即浮动栅13上的电位在所需电荷条件下被设定。

栅极13上的电荷一般说来可以是正的，也可以是负的，只要它不同于硅衬底18上的电荷。假如晶体管10未被暴露于离子辐射中，该栅极电位可在长时间内保持不变。电荷只能通过绝缘氧化层14或沿其表面泄漏。

然而，在图1所示的晶体管10的浮动栅13的氧化层绝缘体14上形成了一通孔17，通过该孔栅极13与周围的空气空间直接接触。假如晶体管10暴露到离子辐射环境下，栅极13上的电荷将产生一个电场，该电场将吸收该空气空间中由于辐射作用而产生的离子。这些离子被栅极13上的电荷中和，同时也中和了栅极13上的电荷，从而导致栅极13的电位变化。这样就能根据栅极13上的电位变化情况确定辐射剂量。

图2中的晶体管10对应于图1中的晶体管，但是在浮动栅13的前面放置了一块平板19。基本上这平板可以用任何固体材料制成。这平板没有必要非得是金属的，甚至没有必要非得是导电材料的。然而，当晶体管10暴露到离子辐射中时，平板19能导致更有效地产生离子。这样就提高了测量效率。为了提高某一特定方向的测量灵敏度，我们还可以利用平板19的方位和状态。

图3所示的晶体管10中有一个被栅极绝缘体14的氧化层封闭的气隙或气体空间24与浮动栅13相关联。当晶体管暴露到离子辐射中时，这一空间24进一步提高了离子的形成。可以说，连同MOSFET晶体管10的浮动栅13一起形成了一个电离室。

图4所示的探测器中将一个N-沟道MOSFET晶体管10安装在一个充气的腔20内。所述的腔由例如0.5mm厚的薄铝制成。腔20的壁21通过限流电阻16与晶体管10的源极11电连接。导体15通过绝缘体23穿过腔20的壁21连接到晶体管10的漏极12。晶体管10的栅极13没有连接，也就说是浮空的。通过在漏极12和壁21间加一个足够高的电压，使栅极13被充电，这样，通过栅绝缘体14发生FN沟道现象，于是就使栅极电位被设定到某一值Vg。在漏极12和壁21间加一个适当的电压V_DD并同时测量漏-源电流I_ds1，就可以测得初始导电率。

假如不使探测器暴露到离子辐射中，栅电位可以在很长时间，甚至几年内保持不变，因为电荷只能通过绝缘氧化层14或沿其表面从所述栅极泄漏。

假如腔20暴露到离子辐射中，在腔20内的空气空间24中将形成离子对。离子对被腔20的导电壁21吸收并在导电壁21中由于受到电子的作用而被中和。在栅极13上，正电荷吸收最后被收集到栅13表面上的电子，从而中和了栅极13上的电荷。这就导致了电位Vg降低。

在漏极12和壁21之间加一个适当的电压并测量所产生的漏-源电流I_ds2，使导电率得到测量。比较辐射后测得的电流I_ds2和初始电流I_ds1，可以确定积分辐射剂量。使用已校准的辐射源，可以确定电流-辐射剂量的相关关系。

图5示出了一个主要由安装在盒20内的MOSFET晶体管10组成的探测器。在盒20的壁21上，与晶体管10的浮动栅13的氧化层绝缘体14中所成孔的同一位置上形成一个孔，这意味着栅极13与周围的空气空间直接接触。一旦晶体管10暴露到离子辐射中，栅极13上的电荷就形成一个电场，它吸收由于辐照而在空气空间中形成的离子。

如图5所示的探测器中，还将一个能更有效地收集离子的导体22连到浮动栅13上。该导体被一个嵌入到盒20的网25保护起来，该网同时还盖住栅极绝缘体14氧化层内的孔17。为了能在源极11和漏极12间加一个电压，并相应地测出它们之间的电荷的减少，通过导线26和27将源极11和漏极12连接到连接器28和29，所述连接器28和29安装在盒20的壁21上。

图6示出一种辐射读出装置30，用它能读出使图5所示的探测器暴露于其中的辐射剂量。为了读数，将图5所示探测器的盒20的壁21中的连接器28和29插入位于辐射读出装置30的壁上的连接器32和33中，连接器32和33又通过导线34和35连到读出装置30的测量电子单元36。当把晶体管10组成的探测器和读出装置30互相连接起来时，就能从显示单元37中读取辐射剂量。

图7示出一个将MOSFET晶体管10和测量电子单元36置于同一盒20中的探测器。既然配有电源的测量部分36通过导线26和27与晶体管10相连，就能随时从显示单元37中读取所获得到的辐射剂量。

关于上面讨论的图，应该注意它们的大小不是按照真正的比例画的。例如，为清楚起见，MOSFET晶体管与其余部分相比被极大地放大了。实际上，晶体管可以由极薄的膜制成。

然而，本发明的本质是从MOSFET晶体管栅极电荷的变化确定辐射剂量。并且不必对栅极放电就可在任何时候测得辐射剂量。这样的无源使用方式是经济的，因为探测器不必包括有电源。

本发明采用气体为介质，并且若气体空间较大，还可能导致过高的灵敏度。在使栅极被充电到已知电荷状态的情况下，在有辐射存在时，由于栅极电荷在气体中形成的电场的影响，所述栅极将吸收气体中形成的离子。所述盒子或网可以防止干扰，并且作为固体物质相应于一层厚空气层而增加电离度。

在本发明所述的探测器中，无需在浮动栅和位于它前面的平板间形成一个电场。公知的探测器采用有源栅，将MOSFET晶体管安置成让它的栅极与空气直接触，或者暴露于气体，如周围的空气中，那么在这之间就无任何东西所能阻止电荷的通过。

显然，对本领域的熟练技术人员来说，在下述的权利要求范围内本发明的不同方案都是可以变化的。

Claims (11)

1、一种由带浮动栅(13)的MOSFET晶体管(10)组成的离子辐射探测器，其特征在于所述的浮动栅(13)的表面位于一个空间中，并且所述辐射探测器还包括用于在浮动栅(13)上形成初始电荷的装置及当晶体管(10)暴露到离子辐射中时用来探测电荷的减少的装置。

2、如权利要求1的辐射探测器，其特征在于所述MOSFET晶体管(10)的浮动栅表面的至少一部分是未被覆盖的。

3、如权利要求1的辐射探测器，其特征在于所述MOSFET晶体管(10)的浮动栅表面的至少一部分是被导体，半导体或绝缘薄膜覆盖的。

4、如权利要求1的辐射探测器，其特征在于所述的空间是一个开放的空气或气体空间。

5、如权利要求1的辐射探测器，其特征在于所述的空间是一个封闭的空气或气体空间。

6、如权利要求4的辐射探测器，其特征在于所述的空气或气体空间前有一块固体平板。

7、用权利要求1的由带浮动栅(13)的MOSFET晶体管(10)组成的探测器来探测离子辐射的方法，其特征在于包括步骤：

1)在所述MOSFET晶体管(10)的浮动栅(13)上形成所需的电荷；

2)将所述MOSFET晶体管暴露到待被测量的离子辐射中，从而导致辐射上的电荷发生变化；

3)测定出浮动栅(13)上的电荷变化；以及

4)根据测定出的浮动栅(13)上的电荷变化确定出辐射剂量。

8、如权利要求7的方法，其特征在于其中所述的形成想要的电荷的步骤通过FN隧道贯穿技术完成。

9、如权利要求7的方法，其特征在于所述测定浮动栅(13)上的电荷变化是通过测量浮动栅上的漏-源沟道导电率而得到的。

10、如权利要求7的方法，其特征在于所述测定浮动栅(13)上的电荷变化是通过测量浮动栅上的极电位变化而得到的。

11、如权利要求7的方法，其特征在于所述确定辐射剂量的步骤通过电流-辐射剂量关系曲线而完成。

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