DE2703324A1

DE2703324A1 - Ionisationsstrahlungs-festkoerperdetektor

Info

Publication number: DE2703324A1
Application number: DE19772703324
Authority: DE
Inventors: Henri Rougeot
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1976-01-30
Filing date: 1977-01-27
Publication date: 1977-08-18
Also published as: GB1515482A; FR2345815B1; US4119852A; DE2703324C2; JPS5295283A; FR2345815A1

Description

Die Erfindung betrifft einen neuen Typ von Ionisationsstrahlungs-Festkörperdetektor, der die Vorteile der Halbleiterzähler mit denen der Mikrokanal-Elektronenvervielfacher verbindet.

Der Detektor hat die Form eines Plättchens aus halbleitendem oder halbisolierendem Material, das von einer großen Anzahl von Kanälen durchbrochen ist und auf jeder Fläche mit einer Vorspanntngselektrode versehen ist.

Ein bekannter Halbleiterdetektor besteht aus einem kristallisierten

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halbleitenden oder halbisolierenden Material, in dessen Innern ein elektrisches Feld mit Hilfe von zwei Elektroden erzeugt wird, an deren Klemmen eine Spannung angelegt ist. Wenn ein ionisierendes Teilchen in diese Feldzone eindringt, werden die Moleküle, aus denen dieser Halbleiter besteht, ionisiert und sie setzen Ladungen frei, die durch die Elektroden aufgefangen werden. Die Anzahl der aufgefangenen Ladungen hängt von der Wirksamkeit des Au f fang ens , von der I onis ie rungs energie, die durch den Halbleiter dargeboten wird, und von der Energie ab, die durch das ionisierende Teilchen transportiert oder abgegeben wird.

Die aufgefangene Ladungsmenge ist zu der Energie proportional, die durch die einfallende ionisierende Strahlung freigesetzt wird. Zum Vergrößern der durch die einfallende Strahlung freigesetzten Energiemenge hat man somit die Möglichkeit, entweder ein großes aktives Volumen in dem Halbleiterfestkörper oder ein stark absorbierendes Material für die betreffende einfallende Röntgen-, α-, ß- oder Y-Strahlung, d.h. ein schweres oder eine große Atommasse aufweisendes Material vorzusehen.

Zur Realisierung der ersten Möglichkeit macht man im Stand der Technik von verschiedenen Möglichkeiten Gebrauch, die hier kurz angegeben seien: pn- oder Oberflächensperrschicht-Übergang in Halbleitern hoher Reinheit, pin-Strukturen in kompensierten Halbleitermaterialien, d.h. in Materialien, die nach der Dotierung

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durch Ladungen eines bestimmten Vorzeichens durch Diffusion von Ladungen entgegengesetzten Vorzeichens wieder in einen Zustand nahe dem Intrinsic(i)~ oder Eigenleitungszustand, d.h. in einen Zustand mit geringer Dichte an freien Ladungsträgern gebracht werden, und schließlich Strukturen mit im Eigenleitungszustand geschaffenem einkristallinem, halbisolierendem Material, die aus einem Plättchen eines solchen Materials bestehen, das auf seinen Flächen mit Elektroden versehen ist, zwischen denen eine Vorspannung aufrechterhalten wird.

Die zweite Möglichkeit, d.h. die Möglichkeit einer starken Absorption der ionisierenden Strahlung durch den Halbleiter wird durch die Wahl des Materials realisiert, die sich für die drei ersten der genannten Strukturen praktisch auf Silicium und auf Germanium beschränkt, während schwerere Materialien, wie Galliumarsenid, Cadmiumtellurid, Qüecksilberjodid, um nur die wichtigsten zu nennen, bei der viertgenannten Art von Struktur verwendbar sind; Germanium ist in dem letztgenannten Fall ebenfalls verwendbar.

Darüberhinaus sei an die Struktur der Elektronenvervielfacher-Plättchen erinnert: sie bestehen aus einem Isolierkörper, der von Kanälen mit kleinem Durchmesser durchbrochen ist, die auf ihrer Innenfläche von einer leitenden Schicht mit sehr geringer Dicke und somit mit beträchtlichem Widerstand aus einem Material bedeckt sind, das in der Lage ist, Sekundäi— elektronen mit einem Koeffizienten von größer als Eins zu emittieren. Im Betrieb wird eine Potentialdifferenz an die beiden

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Enden der Kanäle angelegt. Unter diesen Bedingungen verursacht ein unter einem beliebigen Winkel in einen der Kanäle eintretendes Primärelektron eine Folge von Emissionen von Sekundärelektronen durch die ohmsche Wand des Kanals. Man gewinnt auf diese Weise an dem Ausgang des Kanals eine Anzahl von Sekundärelektronen, die viel größer ist als die der Elektronen, die an dem entgegengesetzten Ende eingetreten sind. Eine besondere Struktur dieser Elektronenvervielfacher, die mit einem von Mikrokanälen durchbrochenen Halbleitei— block versehen sind, ist in der FR-PS 1 465 381 beschrieben.

Der Ionisationsstrahlungsdetektor nach der Erfindung vereinigt in sich die beiden oben beschriebenen Elemente, nämlich einen Halbleiterkristall-Detektor und einen Mikrokanal- Elektronenvei— vielfacher.

Genauer gesagt, gemäß der Erfindung ist der Kristalldetektor mit mikroskopischen Kanälen versehen. Die mikroskopischen Kanäle sind in einer Halbleiterdiode angebracht, bei der es sich um einen der oben angegebenen Typen handelt: pn-Übergangs—, Oberflächensperrschicht-, pin-Diode, oder sie sind in einem Plättchen eines halbisolierenden Einkristalls angebracht, der die weiter oben angegebenen Bedingungen erfüllt. Die einfallende Strahlung wird durch das halbleitende oder haIbisolierende Material absorbiert und die erzeugten Ladungen werden durch Elektroden aufgefangen, die an ihm angebracht sind. Ein geringer Anteil der im Verlauf dieses Ionisierungsvorganges erzeugten Elektronen dringt in unbestimmter Weise in die Mikrokanäle ein, in deren Innerem sie die Vervielfachung erfahren, von der

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oben die Rede gewesen ist,bevor sie durch einen von der Schaltung der vorgenannten Elektroden getrennten Kollektor aufgefangen werden, auf dem sie zu einem Ladungsimpuls führen.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Schnittansicht eines

bekannten Halbleiterdetektors ,

Fig. 2 eine schematische Schnittdarstellung eines

Ausführungsbeispiels des Ionisationsstrahlungsdetektors nach der Erfindung,

Fig. 3 eine vergrößerte Ansicht eines Teils von

Fig. 2,

Fig. 4 eine Ansicht des Detektors von Fig. 2, die

zur Erläuterung der Betriebsweise des Detektors nach der Erfindung dient und in . der die Form der gewonnenen Signale angegeben ist,

Fig. 5 eine Ansicht desselben Detektors mit den

Schaltungen zur Auswertung dieser Signale, und

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Fig. 6 eine perspektivische schematische Dar

stellung einer weiteren Ausfüh rungs form des Detektors nach der Erfindung.

Fig. 1 zeigt einen bekannten pn-Halbleiterdetektor, der in einem Plättchen 3 aus einem η-leitenden Halbleitermaterial eine p-leitende Diffusionszone 1 aufweist.

Die Bezugszahl 10 bezeichnet eine Gleichspannungsquelle, deren Klemmen über Verbindungsleitungen 8 und 9, wie in Fig. 1 angegeben, mit einem leitenden Film 6, der die Diffusions·· zone 1 bedeckt, und mit einer Kontaktplatte 4, die auf der entgegengesetzten Fläche des Plättchens 3 angebracht ist, verbunden sind. In dem Maßstab der Zeichnung fallen der Film 6 und die Diffusions zone 1 zusammen. Im Betrieb wird unter der Einwirkung der Spannung V , die von der Quelle 10 geliefert wird, in dem Plättchen 3 eine Raumladungszone 2 erzeugt, die durch Punkte markiert ist und in der ein elektrisches Feld herrscht. In diesem Feld verschieben sich die Ladungen, die durch die Ionisation des Halbleiterkörpers 3 durch die einfallende ionisierende Strahlung erzeugt werden, welche durch den gewellten Pfeil dargestellt ist. Diese Ladungen erzeugen in dem Vorspannungskreis 7 des Halbleiters einen

Spannungsimpuls s(h), der an den Klemmen des Widerstands R abgenommen wird und dem einfallenden ionisierenden Impuls entspricht.

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Fig. 2 zeigt als nicht als Einschränkung zu verstehendes Beispiel eine schematische Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels des Ionisationsstrahlungsdetektors nach der Erfindung, welcher auf einem einkristallinen Halbleiterplättchen die Eigenschaften des vorgenannten, in Festkörpertechnik ausgeführten Strahlungsdetektors und die der Elektronenvervielfachung in einem Raster von mikroskopischen Kanälen 5, von denen dieses Plättchen durchbrochen ist, vereinigt.

Fig. 3 zeigt in größerem Maßstab einen Teil von Fig. 2, der die Verschiebung der positiven und negativen Ladungen in dem Halbleiter 3 und die Vervielfachung der Elektronen durdn aufeinanderfolgende Stöße an den Wänden (Pfeile) des mikroskopischen Kanals 5 zeigt, wenn ein Elektron oder mehrere Elektronen in diesen Kanal eingetreten sind.

Ein solches Elektron ist durch das von einem Kreis umschlossene Minuszeichen im oberen Teil des mikrospkopischen Kanals dai— gestellt. Die nicht von einem Kreis umschlossenen Plus- und Minuszeichen stellen in Fig. 3 die freien positiven und negativen Ladungen in dem Körper 3 dar.

Die sich durch diese Vervielfachung ergebenden Elektronen werden an einem Kollektor 11 (vgl. auch Fig. 2) aufgefangen, der durch die Quelle 12 und die Verbindungsleitungen 13 und 14 auf ein Potential V in bezug auf das Ende der Kanäle 5

und in bezug auf die Platte 4 gebracht ist. Die Elektronen

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werden an einem Belastungswiderstand R ermittelt, an dessen Klemmen das Signal s abgenommen wird. Die Ladungen, die in dem Kristall 3 frei bleiben, werden erfaßt und sie verursachen ein weiteres Signal s , das an den Klemmen des Widerstandes R in dem Vorspannungskreis 7 dieses Kristalls entnommen wird.

In Fig. 4 sind die Impulse dargestellt, die in jeder der vorstehend beschriebenen Schaltungen erhalten werden, nämlich in der Vorspannungsschaltung 7 und in der Schaltung 15 des Kollektors 11, in denen die Widerstände R und R liegen und die Signale

s bzw. s gewonnen werden.

In der Schaltung 7 besteht das Signal s aus einem schmalen Impuls mit großer Amplitude, der in Fig. 4 mit I bzeichnet ist, in bezug auf eine horizontale Zeitachse, der von den Flüssen der Ladungen herrührt, die in dem Kristall durch die Emission der Sekundärelektronen in den mikroskopischen Kanälen 5 induziert werden.

Dem Impuls I folgt in derselben Schaltung ein zweiter Impuls I , der zeitlich breiter ist und eine kleinere Spitzenamplitude hat und von dem Auffangen der Ladungen herrührt, die in dem Kristall entlang der Bahn der ionisierenden Strahlung in dem Kristall durch Ionisation erzeugt werden. Dieser zweite Impuls ist der Impuls der zu ermittelnden ionisierenden Strahlung. Es handelt sich um den Nutzimpuls. Seine Energie ist gleich der Fläche, die er oberhalb der horizontalen Achse begrenzt.

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Es handelt sich dabei um den Impuls, den man in den bekannten Halbleiter-Strahlungsdetektoren gewinnt (Signal s von Fig. 1), in denen jedoch die Gefahr besteht, daß er in dem Rauschen des Ruhestroms des Kristalls untergeht und mit diesem verschmilzt.

Ln der Schaltung 15 des Widerstandes R besteht das Signal * c

s aus einem Impuls I , d&r dieselbe Form wie der kurze Impuls I und eine große Amplitude hat. Dieser Impuls I

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rührt von dem Auffangen der die mikroskopischen Kanäle 5 verlassenden Sekundärelektronen durch die Elektrode 11 her.

Der Impuls I wird in den Detektoren nach der Erfindung bec

benutzt, um aus dem bewußten Rauschen den vorgenannten Impuls I unter den Bedingungen zu extrahieren, die im folgenden anhand von Fig. 5 näher erläutert sind, in der gleiche Elemente die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. tragen.

Außer diesen Elementen zeigt Fig. 5 eine Torschaltung 20, die das Signal s empfängt, d.h. die beiden vorgenannten Impulse I und I , und durch das Signal s , d.h. durch den

Impuls I gesteuert wird.
c

Wenn ein Impuls I , der dank der Vervielfachung, die er

in den mikroskopischen Kanälen der Festkörperdetektoren nach der Erfindung erfährt, vollkommen erfcSbar ist, durch den

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Kollektor 11 im wesentlichen in dem Zeitpunkt, in welchem der zu erfassende Impuls I beginnt, empfangen wird, öffnet die Torschaltung 20 dem Signal s den Weg zu einem Amplitudenwähler 30. Solange kein Impuls I in der Schaltung 15

erfaßt wird, bleibt dagegen dieser Weg für das Signal s geschlossen, das somit den AmpUtudenwahler 30 erst erreicht, wenn ein Impuls I erzeugt wird, der nach den obigen Darlegungen immer von einem Impuls I aufgrund der einfallenden ionisierenden Strahlung begleitet ist. Dieser letztgenannte Impuls I wird somit in dem Detektor nach der Erfindung in dem Zeitpunkt identifiziert, in dem er erzeugt wird, und er kann aufgrund dieser Tatsache nicht mehr mit dem Rauschen der Vorspannungsschaltung des Kristalls zusammenfallen. Das schließt offenbar nicht aus, daß er weiterhin von Rauschen begleitet ist.

Der Wähler 30 gestattet das Ausmessen der Spektren der Energien der Teilchen. In Fig. 5 bezeichnet die Bezugszahl 50 einen Verstärker und die Bezugszahl 40 eine Trennschaltung für die Versorgung einer Kette 60 zum Zählen der Impulse der ionisierenden Strahlung.

Es sei angemerkt, daß der Impuls I des Kollektors 11 an sich

nicht für das Energieniveau der ionisierenden Strahlung repräsentativ ist, denn die Schaltung des Kollektors arbeitet immer im Sättigungsbereich: das Signal s ist ungeachtet der Anzahl der Elektronen an dem Eingang des mikroskopischen Kanals 5 (Fig. 3) gleich. Es erreicht seinen Maximalwert sogar bei einem einzigen

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Elektron, das in den Eingang des mikroskopischen Kanals eintritt. Dieser Impuls hat allein die Aufgabe, die Schaltung zur Messung der Energieniveaus über den Amplitudenwähler 30 auszulösen. Gleichzeitig ist eine Zählung der Anzahl der Impulse mit Hilfe des Signals s in der Zählkette 60 dank der Trennschaltung 40 möglich.

Indem der Detektor nach der Erfindung gestattet, den Ionisationsimpuls von der Gesamtheit, des Rauschens der Vorspannungsschaltung des Kristalls zu trennen, gestattet er die Erfassung von Strahlungen mit geringerer Energie als die bekannten Detektoren. Das bildet einen Vorteil der Detektoren nach der Erfindung.

Weiter oben ist angegeben, daß in der Vorspannungsschaltung 7 zwei Impulse I und I auftreten, von denen allein der Impuls I ein Nutzimpuls ist. Es ist angenommen worden, daß sie nacheinander auftreten. Die ionisierten Teilchen des Halbleiters verschieben sich nämlich in demselben viel langsamer als die Elektronen in dem Mikrokanal-Vervi el fächer.

Der Impuls I folgt somit dem Impuls I . Durch geeignete Wahl der Zeitkonstante der Vorspannungsschaltung läßt es sich darüberhinaus in den Detektoren nach der Erfindung erreichen, daß er ihm sofort folgt, d.h. praktisch ohne durch ein Zeitintervall von ihm getrennt zu sein, wie in Fig. 4 oben dargestellt.

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Wenn man eine Störung durch den Impuls I befürchtet, ist es im Rahmen der Erfindung möglich, seine Elimination durch eine Zusatzschaltung vorzusehen: das Signal des Kollektors I wird von dem Signal s subtrahiert, so daß in diesem von den beiden Impulsen I und I , aus denen es besteht, nur der Nutzimpuls I übrig bleibt.

In allen Fällen gestatten die Detektoren nach der Erfindung das Ermitteln von Strahlungen mit geringerer Energie als die bekannten Detektoren und infolgedessen eine feinere S ρ ekt rom et ri e.

Schließlich besteht in einer weiteren Aus füh rungs form der Erfindung, die in Fig. 6 dargestellt ist, welche eine perspektivische schematische Gesamtansicht zeigt, der Kollektor 11 der vorangehenden Figuren, der in Fig. 6 die Bezugszahl 110 trägt, aus einem Mosaik von leitenden Kontakten 112, die in einen Isolierträger 114 eingelegt sind und den mikroskopischen Kanälen 5 gegenüberliegen. Jeder Kontakt ist mit einem Anschluß 116 versehen, der mit einem Element 118 verbunden ist, das ein Indexieren der Kontakte in der x- und der y-Richtung gestattet. Das Signal s. jedes Kontaktes wird in einem Widerstand R . einer Schaltung 150 gelesen, die jedem Anschluß

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116 zugeordnet ist. Außer dam Energieniveau der ionisierenden Strahlung, das aus dem Signal s der Vorspannungsschaltung des Halbleiters 3 resultiert, gibt der Detektor durch dieses

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Indexieren den entsprechenden Punkt des Auftreffens der ionisierenden Strahlung auf dem Kristall an, und zwar mit einer durch die Struktur des Mosaiks festgelegten Auflösung.

Die Detektoren nach der Erfindung haben die gleichen Verwendungszwecke wie die bekannten Detektoren, insbesondere die Energiespektrographie der Röntgen-, α-, ß- und Y-Strahlungen.

Die Realisierung der Detektoren nach der Erfindung erfolgt nach den bekannten Verfahren und mit den auf diesem Gebiet üblichen Materialion. Es ist eine gewisse Anzahl davon angegeben worden, bei denen es sich um einfache Körper oder um Binärkombinationen handelte. Allgemeiner ausgedrückt, es sind Binäi— oder Ternärkombinationen der Elemente der Spalten III und V oder der Spalten II und VI des periodischen Systems als Material für den Körper 3 der Detektoren nach der Erfindung verwendbar, und von ihnen insbesondere Cadmiumselenid, Indiumphosphid oder Galliumphosphid.

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Claims

Patentansprüche:

M .)Ionisationsstrahlung-Festkörperdetektor, mit einem Halbleiterkörper und einer Vorspannungsschaltung, die dem Halbleiterkörper zugeordnet ist und durch die ein Signal bei jedem Ionisierungsimpuls hindurchgeht, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper von mikroskopischen Elektrpnenvervielfacherkanälen durchbrochen ist, daß ein Kollektor und eine Schaltung zum Vorspannen des Kollektors vorgesehen sind, damit er die Sekundärelektronen auffängt, die in den mikroskopischen Kanälen aus den in sie eintretenden Primärelektronen unter der Einwirkung des Impulses erzeugt werden, und daß eine Torschaltung vorgesehen ist, die durch das von dem Kollektor aufgefangene Signal gesteuert wird und den Weg für das durch die Vorspannungsschaltung des Halbleiterkörpers hindurchgehende Signal zu einem AmpUtudenwähler öffnet.
2. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitkonstante der Vorspannungsschaltung des Halbleiterkörpers so gewählt ist, daß das Signal des Ionisierungsimpulses dem Signal des Kollektors unmittelbar folgt, d.h. ohne durch ein Zeitintervall von ihm getrennt zu sein.
3. Detektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper ein Plättchen eines n—leitenden Einkristalls ist und daß die Vorspannungsschaltung dieses Halbleiterkörpers eine Elektrode, die auf eine p-leitende Diffusionszone

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ORIGINAL INSPECTEQ

aufgebracht ist, welche eine der Flächen des Plättchens bedeckt, eine auf die entgegengesetzte Fläche aufgebrachte Elektrode und eine Spannungsquelle in Reihe mit einem zwischen die beiden Elektroden geschalteten Widerstand enthält, deren Minuspol mit der ersten Elektrode und deren Pluspol mit der zweiten Elektrode verbunden ist.
4. Detektor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor aus einem Mosaik von leitenden Kontakten besteht, die voneinander isoliert und jeweils mit einem Anschluß versehen sind, und daß zwischen den Anschlüssen und der Torschaltung eine Einrichtung zur Indexierung der Kontakte in der x- und der y-Richtung angeordnet ist.
5. Detektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzsichnet, daß

der Halbleiterkörper aus einem Einkristall eines der chemischen Stoffe der Gruppe besteht, die von Silicium, Germanium, Galliumarsenid, CadmiumtelIurid, Cadmiumselenid, Indiumphosphid, Galliumphosphid und Quecksilberjodid gebildet wird.

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