ITMI20121547A1 - Rivelatore di particelle alfa - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE
Annessa a domanda di brevetto per INVENZIONE INDUSTRIALE avente per titolo
"RIVELATORE DI PARTICELLE ALFA"
CAMPO DI APPLICAZIONE
La presente invenzione ha per oggetto un rivelatore di particelle alfa.
In particolare, la presente invenzione ha per oggetto un rivelatore a semiconduttore per la rivelazione di particelle alfa.
Ancora più in particolare, la presente invenzione ha per oggetto un rivelatore a semiconduttore per rivelazione di particelle alfa per una misura della concentrazione di gas Radon nell'ambiente.
La descrizione che segue è fornita con riferimento a questo campo di applicazione per semplificarne 1'esposizione .
TECNICA NOTA
Sono note, in generale, tecniche di misura della concentrazione di radioisotopi di Radon (222Rn) per mezzo di camere a ionizzazione, celle a scintillazione, rivelatori a tracce nucleari, rivelatori a carboni attivi ed elettreti.
In particolare, sono anche note tecniche che utilizzano rivelatori a semiconduttore come qui descritte.
Una tecnica di base nei rivelatori a semiconduttore utilizza un rivelatore in silicio ad alta resistività per rivelare le particelle alfa emesse dal decadimento del Radon e/o dei suoi prodotti.
Le coppie elettrone-lacuna generate dalle particelle alfa all'interno del silicio vengono separate dal campo elettrico generato polarizzando in inversa una giunzione p-n e danno luogo a un impulso di corrente ai terminali del dispositivo.
Questa corrente viene tipicamente integrata all'interno di un preamplificatore di carica il quale rende disponibile in uscita, per le successive elaborazioni, una tensione proporzionale alla carica in ingresso.
L'informazione estratta dal sistema di misura può comprendere il solo conteggio delle particelle alfa rivelate per unità di tempo oppure anche l'energia delle particelle alfa.
In questo secondo caso è possibile discriminare l'uno dall'altro i diversi decadimenti coinvolti (legati al Radon e ai suoi figli), ciò potendosi sfruttare per ottenere una misura più accurata della concentrazione di Radon nell'ambiente.
I rivelatori in silicio tipicamente utilizzati comprendono diodi a giunzione p-n e diodi a barriera superficiale.
In alternativa, un'altra tecnica usata nei rivelatori a semiconduttore prevede un transistore bipolare npn realizzato su Silicio ad alta resistività, il quale fornisce in uscita una corrente già amplificata, rispetto a quella indotta dalla particella alfa, di una quantità circa pari al guadagno di corrente del transistore stesso.
Tale amplificazione interna consente di ridurre la complessità dell'elettronica di lettura posta a valle del rivelatore.
Ciò avviene a prezzo di una maggiore capacità associata al terminale di raccolta della carica generata e conseguente ridotta velocità di risposta e maggiore rumore elettronico, con un degrado della risoluzione energetica del rivelatore.
Esiste un'ulteriore fondamentale limitazione del rivelatore a transistore bipolare nella forma fin qui proposta, che ne compromette l'applicabilità nei sistemi di misura in continua della concentrazione di Radon ambientale.
Questi ultimi devono essere caratterizzati da elevate sensibilità, in termini di tasso di conteggio (numero di particelle alfa rivelate per unità di tempo) per unità di concentrazione di Radon (misurata in Bq/m3), in modo da fornire indicazioni in tempo reale sulla presenza di livelli di concentrazione di Radon prossimi ai limiti di pericolosità per la salute. Questa esigenza impone l'utilizzo di rivelatori con grande area sensibile (dell'ordine del cm2).
Nel caso dei rivelatori a transistore bipolare l'area sensibile corrisponde all'area di base e un valore dell'ordine del cm2 si traduce in una capacità troppo elevata del nodo di raccolta.
Lo sfruttamento di una grande area sensibile, quindi, comporta problemi funzionali rilevanti.
Ciò può ridurre l'ampiezza degli impulsi di corrente associati alla rivelazione delle particelle alfa fino a farla scendere al di sotto della soglia di discriminazione del sistema (fissata in relazione all'ampiezza dei disturbi presenti nelle condizioni di utilizzo).
Questo meccanismo rende estremamente difficile realizzare un rivelatore a transistore bipolare nella forma fin qui proposta avente il valore di sensibilità richiesto dalla misura in continua della concentrazione ambientale di gas Radon.
Scopo della presente invenzione è fornire un rivelatore di particelle alfa in grado di risolvere i problemi sopra descritti.
Scopo particolare è fornire un rivelatore di particelle alfa in grado di funzionare efficacemente in tempo reale.
Scopo ulteriore è fornire un rivelatore di particelle alfa di elettronica semplificata e con bassi consumi di potenza nel rivelatore.
SOMMARIO DELL'INVENZIONE
Questi ed altri scopi sono raggiunti da un rivelatore di particelle alfa, secondo quanto descritto nelle unite rivendicazioni .
Il rivelatore di particelle alfa, come descritto, consegue i seguenti effetti tecnici:
- permette di ottenere sensibilità appropriate alla misura in continua della concentrazione ambientale di gas Radon.
In particolare, permette di ottenere elevati valori di sensibilità, in termini di tasso di conteggio (numero di particelle alfa rivelate per unità di tempo) per unità di concentrazione di Radon (misurata in Bq/m3) durante la misura di concentrazione di gas Radon ambientale e, in particolare, valori di sensibilità appropriati per un monitoraggio in continua del gas Radon fino a livelli di concentrazione confrontabili con i limiti di pericolosità per la salute dell'uomo.
Infatti, il rivelatore consente tassi di conteggio superiori a 10 CPH/(kBq/m3) (dove CPH = 'counts per hour') dove il numero di conteggi in assenza di Radon è trascurabile (<<0.5 CPH).
- consente l'utilizzo di elettronica di lettura semplificata e a basso costo e con bassi consumi di potenza nel rivelatore;
- permette di ottenere un basso consumo di potenza con conseguente possibile utilizzo all'interno di un sistema di misura funzionante a batteria, con autonomia sufficiente per le applicazioni tipiche di monitoraggio ambientale;
- permette di ottenere un segnale di uscita già amplificato rispetto alla carica rilasciata dalle particelle alfa all'interno del substrato di silicio, con il vantaggio di rilassare significativamente le specifiche di amplificazione e basso rumore richieste all'elettronica di lettura.
Da misure ben consolidate si ottengono fattori di amplificazione superiori a 100.
Gli effetti tecnici citati ed altri effetti tecnici dell'invenzione risulteranno più dettagliatamente dalla descrizione, fatta qui di seguito, di un esempio di realizzazione dati a titolo indicativo e non limitativo con riferimento ai disegni allegati.
BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI
La figura 1 è una vista schematica dall'alto di un rivelatore di particelle alfa secondo l'invenzione.
La figura 2 è una vista in sezione del rivelatore di particelle alfa secondo l'invenzione.
La figura 3 mostra schematicamente un particolare del rivelatore delle figure 1 e 2.
DESCRIZIONE DETTAGLIATA
L'invenzione descrive un rivelatore di particelle alfa comprendente un substrato semiconduttore 20, una matrice 100 di pixel 11 formata nel substrato semiconduttore 20, una pluralità di transistori bipolari 110 aventi regioni di base 2 e di emettitore 3 formate in ogni pixel 11, e il substrato semiconduttore 20 configurato come collettore comune per tutti i transistori.
In altre parole, l'invenzione descrive una matrice di transistori bipolari npn realizzati in Silicio ad alta resistività aventi regione di collettore in comune e regioni di base ed emettitore separate (nei pixel) e caratterizzata da geometrie della struttura complessiva e dei singoli pixel rese ottimali per la rivelazione di particelle alfa (He2+) emesse nei decadimenti radioattivi del gas Radon presente nell'ambiente.
Con particolare riferimento alla figura 2, il rivelatore di particelle alfa comprende un substrato semiconduttore 20.
Preferibilmente il substrato semiconduttore 20 ha un primo tipo di conducibilità di tipo n.
Preferibilmente, il substrato semiconduttore 20 comprende silicio.
Preferibilmente, il substrato semiconduttore 20 comprende silicio ad alta resistività, cioè a basso drogaggio.
Il rivelatore di particelle alfa comprende inoltre una matrice 100 di pixel 11 formata nel substrato semiconduttore 20.
Il rivelatore dell'invenzione comprende ulteriormente una pluralità di transistori bipolari 110.
Secondo l'invenzione, ogni transistore bipolare 110 comprende una prima regione di base 2 formata in un pixel 11.
Preferibilmente la prima regione di base 2 ha un secondo tipo di conducibilità di tipo p.
Secondo l'invenzione, ogni transistore bipolare 110 comprende una regione di emettitore 3 formata in un corrispondente pixel 11.
Preferibilmente la regione di emettitore 3 ha il primo tipo di conduttività di tipo n.
Alla regione di emettitore 3 è associato un contatto di emettitore 4.
Preferibilmente, tale contatto 4 ha il primo tipo di conducibilità di tipo n.
Preferibilmente, tale contatto 4 è fortemente drogato. Secondo l'invenzione ogni transistore bipolare 110 comprende inoltre una regione di collettore 20 costituita dal substrato semiconduttore 20.
Al substrato semiconduttore 20 è associato un contatto di collettore 7.
Preferibilmente, tale contatto 7 ha il primo tipo di conducibilità di tipo n.
Preferibilmente, tale contatto 7 è fortemente drogato . Lo strato semiconduttore 20 è interposto tra la matrice 100 ed il contatto di collettore 7.
Vantaggiosamente, quindi, secondo l'invenzione, il substrato semiconduttore 20 è configurato come collettore comune per tutti i transistori bipolari 110 di tutti i pixel 11.
Il rivelatore secondo l'invenzione comprende inoltre una griglia di interconnessioni 8 (fig. 1) configurata per collegare i contatti di emettitore 4 di ogni transistore 110 tra di loro.
Per mezzo di tale griglia, il contatto di emettitore viene reso comune a tutti i pixel 11 della matrice 100. L'effetto tecnico conseguito è una distribuzione della tensione di emettitore a tutti i pixel 11 della matrice 100.
Vantaggiosamente, 1'implementazione di una griglia di interconnessioni di emettitore 8 ottimizzata consente di ridurre il contributo della stessa alla capacità totale del dispositivo.
In altre parole, come mostrato in figura 1, la griglia 8 connette coppie di file di pixel 11 in modo che non tutti i pixel contigui siano in collegamento diretto. L'effetto tecnico, come detto, è una bassa capacità totale derivante dall'uso di piste di griglia ridotte. La bassa capacità determina impulsi di corrente più brevi e di ampiezza maggiore facilitando l'elettronica di elaborazione predisposta all'uscita del rivelatore. Secondo l'invenzione, il rivelatore è configurato per funzionare tra una prima condizione operativa I in cui non è investito da particelle alfa ed una seconda condizione operativa II in cui è investito da particelle alfa.
Per consentire il funzionamento del rivelatore, una tensione positiva viene applicata al contatto di collettore 7 rispetto a quello di emettitore 4.
La corrente di uscita dal rivelatore è data dalla somma delle correnti di emettitore dei pixel 11 costituenti la matrice 11.
Nella prima condizione operativa I, cioè in condizioni di quiescenza la corrente di uscita del rivelatore è trascurabile essendo nulle le correnti di base di tutti i singoli pixel 11 ed essendo quindi 'spenti' tutti i transistori bipolari 110.
Nella condizione operativa II, quando una particella alfa incide sul rivelatore, essa genera coppie elettrone-lacuna all'interno del substrato semiconduttore 20.
Le lacune sono principalmente raccolte dalla regione di base 2 del pixel 11 che è stato colpito dalla particella alfa e ivi determinano un aumento della tensione baseemettitore.
Vantaggiosamente, ciò da luogo ad un impulso di corrente di uscita costituito da un rapido aumento della corrente di emettitore del pixel colpito dalla particella alfa, seguito da un più lento ritorno verso la condizione di quiescenza.
II rapporto tra la carica complessivamente iniettata dall'emettitore 7 del pixel 11 colpito dalla particella alfa e quella generata da quest'ultima e raccolta nella prima regione di base 2 del medesimo pixel 11 coincide approssimativamente con il guadagno di corrente a emettitore comune del transistore bipolare 110 costituente il singolo pixel e come tale è significativamente maggiore di 1.
Vantaggiosamente, tutti gli altri pixel 11 non colpiti dalla particella alfa rimangono in una regione di funzionamento prossima allo stato di quiescenza.
Conseguentemente, il loro contributo alla corrente di uscita del dispositivo è trascurabile rispetto a quello del pixel colpito dalla particella alfa.
Nella seconda condizione operativa II, se la particella alfa incide sulla superficie del rivelatore in una regione compresa tra due o più pixel 11 della matrice 100, la carica generata può distribuirsi tra due o più pixel. Quanto detto sopra con riferimento al funzionamento del singolo pixel colpito dalla particella alfa vale qualitativamente per i due o più pixel interessati dalla raccolta della carica generata dalla particella alfa.
Il rivelatore, come descritto secondo l'invenzione, permette, come suo principale effetto tecnico, di ottenere valori di sensibilità alla concentrazione ambientale di Radon non ottenibili con un rivelatore a transistore bipolare singolo.
Tale risultato è principalmente reso possibile dal fatto che, detta AM l'area complessiva della matrice 100 di transistori bipolari 110 e detta AP quella del singolo pixel 11, AM e AP possono essere dimensionati in modo da ottenere contemporaneamente: (i) un'area sensibile complessiva della matrice di transistori bipolari AM sufficientemente grande, (ii) una capacità di raccolta della carica proporzionale ad AP sufficientemente bassa e quindi impulsi di corrente di uscita di ampiezza sufficientemente elevata.
Un secondo effetto tecnico conseguito è quello di ottenere un segnale di uscita già amplificato rispetto alla carica rilasciata dalle particelle alfa all'interno del substrato di silicio 20, con il vantaggio di rilassare significativamente le specifiche di amplificazione richieste all'elettronica di lettura.
Questo risultato è reso possibile dal fatto che ogni singolo pixel 11 della matrice 100 opera, durante la durata dell'impulso di corrente in uscita dal rivelatore, come un transistore bipolare 110 singolo in regione attiva diretta. Vantaggiosamente, il guadagno di corrente è significativamente maggiore di 1.
Un terzo effetto tecnico conseguito è quello di permettere l'utilizzo di un'elettronica di lettura basata su circuiti integrati commerciali e quindi potenzialmente a basso costo. Questo risultato è ulteriore conseguenza dell'effetto tecnico precedente. Il Rivelatore dell'invenzione comprende ulteriormente un anello di blocco 5 (fig. 2 e 3) formato attorno alla regione di emettitore 3.
L'anello di blocco 5 ha il secondo tipo di conducibilità di tipo p.
L'anello di blocco 5 è configurato per garantire un isolamento elettrico tra la regione di emettitore 3 e la regione di collettore 20 in una regione superficiale del pixel 11.
Secondo 1'invenzione,1'anello di blocco 5 è fortemente. Il Rivelatore dell'invenzione comprende ulteriormente una seconda regione di base 6 (fig. 3) configurata per ridurre la corrente di perdita superficiale dei singoli pixel 11.
Come ben mostrato in figura 3, la seconda regione di base 6 è contenuta nella prima regione di base 2.
La seconda regione di base 6 ha il secondo tipo di conducibilità di tipo p.
La seconda regione di base 6 è fortemente drogata.
Preferibilmente, il rivelatore comprende ulteriormente uno strato 10 di dielettrico (fig. 2) formato superiormente ai pixel 11.
Lo strato 10 di dielettrico è uno strato di passivazione del rivelatore.
Preferibilmente, il rivelatore comprende ulteriormente uno schermo ottico 9 (fig. 2) deposto sopra lo strato 10 di dielettrico.
Preferibilmente, lo schermo ottico 9 è realizzato mediante film metallico.
Vantaggiosamente secondo l'invenzione, 1'implementazione dell'anello di blocco 5, della regione di base fortemente drogata 6, dello schermo ottico 9, come descritte contribuiscono all'effetto tecnico di ottenere valori di sensibilità alla concentrazione ambientale di Radon non ottenibili con un rivelatore a transistore bipolare singolo. Ciò si realizza in quanto tali componenti permettono la riduzione della corrente di uscita in condizioni di quiescenza, rendendo pertanto più facile la discriminazione degli impulsi di corrente dovuti alle particelle alfa.
Vantaggiosamente, secondo l'invenzione, la prima regione di base 2 ed, eventualmente, anche la seconda regione di base 6, cioè le regioni di base aventi lo stesso tipo di conducibilità p, sono configurate in modo da essere flottanti.
In altre parole, tali regioni non sono contattate elettricamente in modo che i transistori restino in uno stato d'interdizione quando nessuna particella alfa incide la superficie del rivelatore.
La corrente di uscita è in queste condizioni è pari alla corrente di perdita (a emettitore comune) del transistore bipolare.
L'effetto tecnico conseguito è quello di ottenere un basso consumo di potenza in condizioni di quiescenza con conseguente possibile utilizzo della matrice di transistori bipolari all'interno di un sistema di misura funzionante a batteria, avente autonomia sufficiente per le applicazioni tipiche.
Possono ulteriormente concorrere all'ottenimento del suddetto principale effetto tecnico, in quanto permettono la riduzione della corrente di uscita in condizioni di quiescenza anche l'anello di blocco 5.
Claims (10)
- RIVENDICAZIONI 1. Rivelatore di particelle alfa comprendente: • un substrato semiconduttore (20) di un primo tipo di conducibilità; • una matrice (100) di pixel 11 formata in detto substrato semiconduttore (20); • una pluralità di transistori bipolari (110) in cui ogni transistore bipolare (110) comprende: o una regione di base (2) di un secondo tipo di conducibilità formata in ogni pixel (11), o una regione di emettitore (3) di detto primo tipo di conducibilità formata in ogni pixel (11), o una regione di collettore (20) costituita da detto substrato semiconduttore (20); in cui detto substrato semiconduttore (20) è configurato come collettore comune per tutti i transistori bipolari (110) di detti pixel (11).
- 2. Rivelatore secondo la rivendicazione 1 comprendente ulteriormente o un contatto di emettitore (4) di detto primo tipo di conducibilità e fortemente drogato associato a detta regione di emettitore (3). o un contatto di collettore (7) di detto primo tipo di conducibilità e e fortemente drogato (7) associato a detto substrato semiconduttore (20) in modo che detto strato semiconduttore (20) sia interposto tra detta matrice (100) e detto contatto di collettore (7), in cui detto contatto di collettore (7) è comune a tutti i pixel (11) di detta matrice (100);
- 3. Rivelatore secondo la rivendicazione 1 o 2 in cui detto substrato semiconduttore (20) comprende silicio.
- 4. Rivelatore secondo la rivendicazione 3 in cui detto substrato semiconduttore (20) comprende silicio ad alta resistività.
- 5. Rivelatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti comprendente inoltre una griglia di interconnessioni (8) configurata per collegare detto contatto di emettitore (4) di ogni transistore (110) per una distribuzione di una tensione di emettitore a tutti detti pixel (11).
- 6. Rivelatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti comprendente ulteriormente un anello di blocco (5) di detto secondo tipo di conducibilità formato attorno a detta regione di emettitore (3) in cui detto anello di blocco (5) è configurato per garantire un isolamento elettrico tra detta regione di emettitore (3) e detta regione di collettore (20) in una regione superficiale di detto pixel (11)
- 7. Rivelatore secondo la rivendicazione 6 in cui detto anello di blocco (5) è fortemente drogato con il secondo tipo di drogaggio.
- 8. Rivelatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti comprendente ulteriormente una seconda regione di base (6) di detto secondo tipo di conducibilità e fortemente drogata configurata per ridurre la corrente di perdita superficiale dei singoli pixel (il).
- 9. Rivelatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti in cui detta prima regione di base (2) e/o detta seconda regione di base (6) sono configurate in modo da essere flottanti.
- 10. Rivelatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti in cui detto primo tipo di conduttività è tipo n e detto secondo tipo di conduttività è di tipo p.
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2012
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-
2013
- 2013-09-18 WO PCT/IB2013/058626 patent/WO2014045203A1/en active Application Filing
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5459332A (en) * | 1994-03-31 | 1995-10-17 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Semiconductor photodetector device |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| VERZELLESI G ET AL: "BJT-based detector on high-resistivity silicon with integrated biasing structure", NUCLEAR INSTRUMENTS & METHODS IN PHYSICS RESEARCH. SECTION A: ACCELERATORS, SPECTROMETERS, DETECTORS, AND ASSOCIATED EQUIPMENT, vol. 567, no. 1, 1 November 2006 (2006-11-01), ELSEVIER BV NORTH-HOLLAND, NETHERLANDS, pages 285 - 289, XP027925785, ISSN: 0168-9002, [retrieved on 20061101] * |
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2014045203A1 (en) | 2014-03-27 |
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