DE1614212A1

DE1614212A1 - Szintillationsdetektor

Info

Publication number: DE1614212A1
Application number: DE19671614212
Authority: DE
Inventors: Leventhal Edwin A; Neumark Gertrude F; Rittner Edmund S
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1966-02-03
Filing date: 1967-02-03
Publication date: 1970-05-27
Also published as: NL6701586A; CH464364A; GB1121986A; US3415989A; FR1510352A; BE693656A

Description

DiPl-IOg-ERICHE. WALTHEB ;

foteatamnlt

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Szintillationsdetektor

Die Erfindung betrifft einen verbesserten Szintillationsdetektor zum Detektieren von Röntgenstrahlen und Atomstrahlung.

Bekannte 3zintillationsdet,ektoren oder -zähler enthalten einen Szintillator in Vereinigung mit einem Photodetektor. Die zu detektierende Strahlung wird in dem Szintillator, gewöhnlich einem Leuchtstoff, absorbiert, der die ganze oder einen Teil der absorbierten Energie in Photonen im.sichtbaren oder im infraroten Spektralbereich umwandelt. Die Photonen treffen eine photo-empfindliche Kathode einer Photovervielfachungsrohre und lösen Photoelektronen aus, die durch eine Reihe von Anoden beschleunigt werden, um einen Ausgangsetrom zu erzeugen, der ein hohes Vielfaches des aus der Kathode heraustretenden Stroms ist.

Die energetische Auflösungsleistung eines solchen Detektors - eine der wichtigsten Eigenschaften desselben - wird durch die -statistischen Schwankungen der AusgangeSignaIe beschränkt,

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die beim Einfallen von Strahlung gleicher Energiequanten entstehen. Wenn das mittlere Ausgangssignal durch N Photonen erzeugt wird, ist die ätandarddeviation von diesem Mittelwert: VN, während das relative energetische Auflösungsvermögen I/Vff ist. In bezug auf die Eigenschaften eines Szintillationszähler ist N » (Ε/ε }y«, wobei B die von dem Leuchtstoff absorbierte Energie, ε die mittlere Ener-

gie zum Erzeugen eines effektiven Photons im Leuchtstoff, γ einen optischen Koppelfaktor und η einen Wirkungsgradfaktor eines Photodetektors bezeichnen. Die Grosse ε /y kann als ε definiert werden, also die effektive Energie die zum Erzeugen eines Au8gangsSignala notwendig ist. Zum Erzielen eines guten Auflösungsvermögens muse (T möglichst gering sein. Bei dem üblichen thallium-aktivierten Kai Szintillationszähler müsste ε etwa 20 eV, in einer üblichen optischen Vorrichtung- müsste γ etwa 0,35 und Ti bei einer üblichen Photovervielfachungsröhre etwa 0,1^ betragen. Bei diesen Werten ist ε etwa 400 eV. Dieser verhältnismässig hohe -Wert erklärt das beschrankte Auflösungsvermögen dieser bekannten Zähler.

Die Erfindung bezweckt unter anderem einen Szintillationsdetektor zu schaffen, der ein höheres energetisches Auflösungsvermögen Aufweist als die bisherigen Szintillationszähler.

Ferner bezweckt die Erfindung einen besonders gedrängten Szintillationszähler zu schaffen.

Nach der Erfindung wird dies durch Anwendung eines Einkristalles aus Galliumarsenid (GaAs) als Basis sowohl für den Szintillator als auch für den Photodetektor erzielt. Der Photodetektorteil wird durch einen inneren pn-Uebergang gebildet, der als Photodiode in einem Endteil des Galliumarsenid-Szintillator wirksam ist. Die Zusammensetzung der zwei Zonen des Kristallee wird so gewählt,

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dass das von dem Szintillatorteil ausgesandte Licht stark in dem Photodetektorteil absorbiert wird, was weiter unten vereinzelt erläutert wird.

Nach der Erfindung wird ein Szintillatorteil mit einer besseren Energieumwandlung und ein effektiver, integraler Photodetektorteil verwendet, wobei die optische Kopplung zwischen dem Szintillator und dem"Detektorteil und der Wirkungsgrad des Photodetektors verbessert werden.

Galliumarsenid, dotiert mit η-Typ Verunreinigungen wie

17 1 θ Tellur oder Selen in einem Bereich von etwa 8,10 bis 5.10 At/ cm , hat eine hohe Lumineszenzausbeute. Bei einer Dotierung von 3 χ 10^1θ At/ca⁵ Selen oder Tellur beträgt die Ausbeute 60% bei 77*K. Die zum Erzeugen eines Paares freier Ladungsträger in dem Szintillatorteil des Galliumarsenid erforderliche Energie ist etwa 4,5 eV,

so dass ε für Galliumarsenid etwa 7,b eV ist. Der hohe Brechungs-P

index von GaAs bringt einen sehr hoheji Grad innerer Reflexion rait sich, was bei der üblichen Szintillator-Photovervielfachungskombination ein Nachteil ist, da es nicht möglich ist, die Photonen aus dem Szintillator heraustreten zu lassen, was jedoch in einen Vorteil umgewandelt wird, wenn der Photodetektor.teil einen integrierten Teil der Konstruktion bildet. Bei einer solchen Struktur können TJ und 7 nahezu 1 betragen, während ε mit mehr ale einer Grössenordnung auf etwa 10 eV herabgemindert werden kann. Das dabei erzielte energetische Auflösungsvermögen ist etwa sechsaal höher als das der bisherigen Szintillationszähler. Sogar wenn der Detektor bei Zimmertemperatur (300*K) gehaltenwird, so dass der Wirkungsgrad des Szintillator auf 2OJO reduziert wird, kann das energetische Auflösungsvermögen etwa dreimal besser sein als das der bisher bekannten Szin-

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tillationszähler. RAD

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Die Erfindung«wird nachstehend an Hand beiliegender ' Zeichnung näher erläutert, die verschiedene Ausftihrungsbeispiele darstellt. Die Figur zeigt teilweise schematisch eine Seitenansieht einer Ausführunftsform eines Szintillationsdetektor nach der Erfindung.

Der Detektor nach der Erfindung enthält einen Gallium-

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arsenid-Kristall 10 mit einer Konzentration von } χ 10 Tellurdonatoren pro cm . Der Körper hat eine Fläche 11, welche von der zu detektierenden Strahlung 12 getroffen wird, die durch Röntgenstrahlung, α* und'ß-Teilchen, y-Strahlung o. dgl. gebildet werden kann. Der Körper hat eine Tiefe (die Abmessung in Richtung der Strahlung^ die auereichend ist, um die Strahlung iu Innern des Körpers zu absorbieren; bekanntlich hängt diese Tiefe von dem Eindringungsvermögen der zu detektierenden Strahlung ab. Einer der Torteile der Erfindung ist der, dass der Ssintillatorteil dee Galliumarsenid-Körpers 10 hinreichend dick gemacht werden kann, um die einfallende Strahlung 12 zu absorbieren, ohne dass wie bei den bekannten pn-Uebergangsdetektor eine unzulässige Zunahme des Ruckwfirtsstroms durch den Uebergang und somit des Rauschens entsteht*

Wie dies schematisch in der Figur veranschaulicht ist, *_t wandelt der Galliumarsenid-Körper die Strahlung 12 in eine Anzahl von Photonen 13 um, die in allen Richtungen durch den Körper 10 verlaufen. Infolge der Totalreflexion an der Oberfläche entweichen wenig Photonen aus dem Körper. Zum Detektieren der Photonen und zur Umwandlung derselben in elektrische Impulse ist an dem hinteren Ende des Korpers ein innerer pn-Uebergang 15 vorgesehen, wobei Xontakte 1 6 und 17» von denen 17 ein ringförmiger, den Körper umgebender Kontakt ist, auf Zonen des Körpers auf gegenüberliegenden Sei-

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ten des Ueberganges 15 vorhanden sind. Der Uebergang' wird in der Rückwärtsrichtung durch eine Batterie 1Θ vorgespannt, die in einen äusseren Kreis in Reihe mit einem Belastungswiderstand 19 aufgenommen ist, und die über dem Belastungswiderstand erzeugten Spannungsirapulae werden in einem üblichen, rauschfreien Verstärker 20 verstärkt, wahrend in üblicher Weise bei 21 die Anzahl gezählt und aufgezeichnet wird. In einem solchen Zähler ist die aufgezeichnete Anzahl von Impulsen eine Anzeige der Intensität der einfallenden Strahlung, während deren Energie durch die Grös-Se_-der S.pannungsimpulse angedeutet wird.

Die dargestellte Konstruktion kann durch eine in diesem Gebiet bekannte Technik hergestellt werden. Die Galliumarsenid-Kristalle können aus einer Schmelze durch eine übliche Technik mit einer Konzentration an Donatoren z.B. Tellur gezogen werden, wobei η-Typ Galliumarsenid erhalten wird. Zum Erzielen des inneren pn-Ueberganges kann eine Akeeptorverunreinigung wie Zink oder Cadmium an einem Ende des GalliumarsenidrKristalles eindiffundiert werden. Das η-Typ Galliumarsenid kann z.B. in einer ^uarζkapsel eingeschmolzen werden, die eine Menge Zinkarsenid enthält, worauf die Kapsel z.B. auf 1000*C -während einer hinreichend langen Zeit erhitzt wird, um eine p-Typ Zone mit einer mittleren Akzeptorkonzentration von etwa 10 " At/cm und somit ausserdem einen pn-Uebergang 15 im Kristall zu erzielen. Die übrigen Oberflächen des Galliumarsenid-Kristalles können durch angemessene Maskierung abgeschirmt werden, oder die Zonen alt der Zihkdiffusion können durch Aetzen an den Stellen entfernt werden, wo das Zink nicht erwünacht ist. Kontakt· lassen sich

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bequem durch Löten oder Legieren von Wismut alt Zinn zur Bildung des Kontaktes mit der P-Tyρ Zone und von Wismut mit Silber zur Bildung des-Kontaktes mit dar η-Typ Zone anbringen·

Um eine gute Wirkung der Vorrichtung zu erzielen» muse die emittierte Wellenlänge in hohem Masse in der detektierenden (üebergangsJ-zone absorbiert werden. Es folgt daraus, daee die emittierte Strahlung eine höhere Energie haben muss als die Absorptionsgrenze der Detektorzone. Die Energie des emittierten Lichtes des Te- oder Se-dotierten GaAs, die der Absorptionsgrenze des reinen Materials setir nahe liegt, ist bei niedrig-dotierten Materialien etwas niedriger als diese Grenze, während bei hochdotierten Materialien diese Energie sogar höher ist. Da die Absorptionsgrenze hochdotierten (^10 * At/cm ) p-Typ GaAs bei niedrigeren Energiewerten liegt als die Grenze im reinen Material, hat die beschriebene Konfiguration in dieser Hinsicht eine günstige Wirkung.

Der Szintillator- und/oder der Photodetektorteil der Vor richtung lassen sich auch in anderer Weise ändern, so dass eine sehr starke Absorption der optischen Photonen in dem pn-Uebergangsphotodetektor erhalten wird. Dies kann z.Bj durch Anwendung eines Mischkristalles aus GaAs-GaP oder GaAs-AlAs in dem Szintillatorteil bewerkstelligt werden. Die Energie der von GaAs-GaF emittierten Strahlung nimmt zu mit zunehmenden Phosphorgehalt, so dass es möglich ist, durch Zusatz von Phosphor «in· Strahlung auf der Seite der kurzen Wellenlange (starke Absorption) der GaAs-Abaorptionsgrenze zu erzielen. Dies kann in der Praxis durch Eindiffusion von Phosphor in den Szintillatorteil zum Erzielen des Mischkristalles oder durch Anwachs eines Mischkristalles GaAs. P auf des Galliumarsenid als Unterlage erzielt werden. Sogar wenn χ in dieser Formel

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nicht mehr al· 0,1 beträgt, wird eine erhebliche Verschiebung der Photonenemi·βion auf höhere Energien erhalten. Auch lässt sich die Absorption in dem Fhotodetektorteil dadurch erhöhen, dass das Material derart dotiert wird, dass der Uebergang stark kompensiert wird, da die Absorption mit der Höhe der Kompensation zunimnt. Die •ehr starke-Absorption kann durch die Bildung eines Mischkristal- ' lea wie GaAe - GaSb oder GaAs-InAs für den Fhotodetektorteil erhalten werden« da diese Systeme Absorptionsgrenzen bei Energien haben, die niedriger sind als die bei GaAa. Es wird einleuchten, dass innerhalb de· Rahmens der Erfindung .die Geometrie des Ueberganges 15 in bezug auf die Auftreffläche 11 passend geändert werden' kann, um den Einfangwirkungsgrad su erhöhen, z.B. indem man den Szintillatorteil mit den Uebergang 15 umgibt, um den Verlust an erzeugten Photonen weiter herabzumindern« Diese Konstruktion ist jedoch nur möglich, sofern die Rückwärtsableitungsetröme des Photodetektorteile· (ein· Rauschquelle) niedrig gehalten «erden. Diese Ströme lassen sich stets durch Abkühlung der Vorrichtung unterdrücken. Wenn Vorrichtungen Bit einer grossen Oberfläche ohne Kühlung erwünscht eind, kann die Geometrie derart geändert werden, dass die Auf tre ff lache' der Strahlung grosser ist als die Flache, in die der Uebergang diffundiert wird, wo bei einer bestimmten Temperatur der Rückwürtsableitungsstrom durch Verringerung des Volumens des Photodetektorteiles auf ein Hindestmass herabgesetzt werden kann. Die Erfindung beschränkt sich weiter nicht auf die Anwendung von Photodioden als Fhotodetekjtoren. Durch dem Fachmann bekannte Techniken kann in demGalliumarsenid ein bipolarer Phototraneistor oder ein Feldeffekt-Transistor statt einer Photodiode untergebracht werden, um höhere Ausgangssignale und ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis zu

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erzielen.

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Obgleich die Erfindung vorstehend an Hand spezieller Ausführungsforraen und Anwendungen beschrieben ist, kann der
Fachmann im-Rahmen der Erfindung andere Abarten entwerfen. Es
kann z.B. ein Szintillator mit einem Kristall oder einem Mischkristall aus Galliumarsenid in Vereinigung mit einem Photodetekt-or eines anderen Halbleitermaterials verwendet werden.

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Claims

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PATEMtANSPRUECHE:'

1 · Szintillationsdetektor oder -zähler mit einem Szintillator in Vereinigung mit einem Photodetektor, dadurch gekennzeichnet, dass der Szintillator einen Kristall oder einen Mischkristall aus Galliumarsenid enthält, der die einfallende Strahlung auffängt und diese in Photonen umwandelt und dass der Photodetektor einen halbleitenden Photodetektor entfielt zum Detektieren der vom Szintillator erzeugten Photonen, die dabei in elektrische Signale umgewandelt werden.

2. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Szintillator einen Einkristall im wesentlichen aus Galliumarsenid enthält, um die einfallende Strahlung aufzufangen und in Photonen umzuwandeln, während der Photodetektor einen pn-Uebergang im Innern des Galliumarsenid-Kristalles enthält, um die von dem Szintillator erzeugten Photonen zu detektieren, wobei Kontakte an dem Kristall an Stellen angebracht sind, die auf der dem pn-Uebergang gegenüber liegenden Seite liegen.

3. Detektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, durch weiche der pn-Uebergang in der Rückwärtsrichtung vorgespannt wird.

4. Detektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,'dass die als Szintillator dienende Galliumarsenid-Zone mit Selen oder Tellur dotiert ist, um η-Typ Material zu erzielen.

5· Detektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dotierungskonzentration etwa 10 At/cra beträgt.

6. Detektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die pn-Ue"bergangszone Zink oder Cadmium als Akzeptor in einer Konzentration von 10 At/cm enthält.

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7· Detektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Szintillatorteil des Kristallee Photonen höherer E-nergie erzeugt als die Absorptionsgrenze des Photodetektorteiles beträgt.

Θ. Detektor nach Anspruch 7t dadurch gekennzeichnet, -dass der Szintillatorteil andere Elemente enthält, die mit dem Galliumarsenid einen Mischkristall bilden, der Photonen höherer Energie erzeugt.

9. Detektor nach Anspruch 2_t dadurch gekennzeichnet, dass der PhotoJetektorteil andere Elemente besitzt, die mit dem Galliumarsenid einen Mischkristall bilden, dessen Absorptionsgrenze auf niedrigere Energien verschoben ist.

10. Detektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der pn-Debergang in hohen Masse durch Erhöhung der Absorption kompensiert wird.

11. Detektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

dass der Szintillatorteil eine η-Typ- Zone bildet und eine

17 Donatorkonzentration von der GrSssenordnung von etwa 8x10

bis 5 χ 10¹⁸ At/cm^ enthält.

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