RU1060035C - Устройство дл регистрации ионизирующих излучений - Google Patents

Description

параметров ФЭУ, что ограничивает их испольаование во многих област х,, например при проведении длительных экспериментов, а также в качестве элементов рентгеновского вычислительного томографа, мозаичный экран которого состоит из нескольких сотен систем сцинтилл тор-фбтоприемнико Также недостатком систем сцинтилл -тор-ФЭУ  вл етс  необходимость механического соединени  л.вух элементов системы (сцинтилл тора с ФЭУ), что усложн ет конструкцию, понижает ее належность, уменьшает чувствительность устройства, так как неизбежны потери на отражение и поглои4ение в соедин ющем сцинтилл трр и ФЭУ оптическом тракте

, Известно техническое решение, в кртором использована система сцинтилл тор-фотодиол , (ФЛ). ФД лйшенй недостатков, прису|цих ФЭУ, и не требуют дЛ  своей работы источников высокого напр жени . Все это значительно упрощает конструкцию системы и повышает надежность ее работыо Недостатком системы с использованием ФД  вл етс  плохое согласование спектральных характеристик сцинтилл торов И фотодиодов, так как широко используемые в насто щее врем  сцинтилЛ торы Nal(Tl, Csl (Т1), Csl (Na) и (другие имеют максимум спектра излучени  в jEwanasoHe 30-550 нм, в то врем  как максимум фоточуветвите ьности выпускаемых промышленностью ФП Находитс  в ближней инфракрасной области спектрао Система сцинтилл тор-ФЛ так же, как и сцинтилл тор-ФЭУ , Состоит из двух механиЦески соедин емь1х элемё нтов, поэтому по-прежнему Неизбежны Дополнительные потери в Соединительном оптическом тракте. По этим Причинам чувствительность систем сцинтилл торФЛ до насто щего времени ниже максимально Возможнойо

Наиболее близким к изобретению йвл еТс  устройство дл  регистрации и6нийир5пЬщих излучений, содержащее выполненные из полупроводниковых соединений сцинтилл тор и нанесенный на Него фотоприемнйКс

Это устройство лишено указанных выше недостатков. Фотоприемник интег (эально выполнен на материале сцинтиЛЛ тора в виде сло  твердого раствора материала сцинтилл трра и

фотоприемника. В этом устройстве достигнуто согласование .оптических характеристик сцинтилл тора и фотоприемника , отсутствуют потери в переходном оптическом тракте, нет необходимости в механическом соединении сцинтилл тора и фотоприемника, что повышает его чувствительность и надежностьс Основным недостатком известного устройства  вл етс  его сравнительно высока  инерционность, котора  вытекает из самого принципа работы устройства В нем в качестве фотоприемника используетс  фотопровод щий слой твердого раствора соединений А толщиной 200-300 длин волн излучени  сцинтилл тора, при использовании видимого диапазона

длин волн толщина сло  фотосопротивлени  составл ет 100-300 мкмо

Характерна  дл  высокочувствительных фотосопротивлений инерционность

изменени  сопротивлени  составл ет не менее мкс при умеренных уровн х засветки и св зана с тем, что после попадани  носителей в зону проводимости под воздействием

ионизирующего излучени  происходит Их промежуточный (до возвращени  в валентную зону) захват на ловушки, которыми  вл ютс  неконтролируемые примеси и дефекты структуры материала фотосопрртивлени  и концентраци  которых достигает 10 см, Помимо этого, поскольку рабоча  область составл ет величину не- менее 100 мкм, что много больше длины свободного

пробега носител  в полупроводниковом материале соединений д , носитель зар да до попадани  на электроды испытывает несколько раз промежуточный захват на лОвушки, Врем  высвобождени  его из ловушки зависит от поперечного сечеНи  захвата и Обычно составл ет единицы и дес Тки миллисекунд Узким образом, в принципе при использовании высокочувствительчь1х фотосопротивлений недостижимо врем  нарастани  и спада импульса фототока быстрее дес тков миллисекунд при умеренных уровн х засветки Между тем в большинстве случаев скорость протекани   дерных и других, сопровождающихс  ионизирующим излучением , процессов характеризуетс  очень малым временем, что, соответственно , налагает требовани  на быстрорействие регистрирующего прибора, Врем  срабатывани  его должно быть соизмеримо со скоростью протекани  процессов и временем высвечивани  сцинтилл тора которое составл ет обычно -ТО МКС, Тоео в 10з 10 раз меньше, чем достигнуто в прототипе о Нелостатком прототипа  вл етс  также то, что фотосопротивлени  в пороговых режимах эксплуатации менее эффективны по сравнению с фотодиодами в вентильном режиме включени , изза существенно больших уровней шума Целью изобретени   вл етс  повышение быстродействи  и чувствительности устройства, Иель лостйгаетсл тем, что в устройстве дл  регистрации конизируюцих излучений, содержащем выполненные из полу1ч оводт1к6вых сое/1инений сцинтилл тор и нанесенный на йего фотоприочник , фбтоприемник выпоупнен в ви де сло  твердого раствора соединений А В и , обрадуючего гетерогенньМ р-п-лерехо{Д с материалом сцинтилл тофа. На чертеже дана структурна  схема предложенного устройства, Сцицтилл тор 1 через низкоомный слой 2 соединен с фотоприемником 3« частью которого слой 4 твер дого раствора сцинтилл тора и фотоприемнихвс К фотьлриемнику 3 подключен « «таллимеский контакт 5 а к ни зкоомнону слою - металлический кон такт 6, Через юдатакт 5, 6 к фотопргюмнику . подклю чены источник питани  7 и сопротивление нагрузки 8, К сопротив/юйию нагрузки 8 подклю14ен из1(ерительный прибор 9. Частью сцинтилл тора 1  вл етс  входное ок:HO:-TOi: ,./:;.;. .. ..-. .;;.,,--.. .. . в Качестве сцинтилл тора 1 установлен кристалл соединений А В с изовалентнын активатс ом, например CdS(Te), CdS(Hg), ZnSe(Te), ZnSe(Hg) ZnS(Te. , ;... . -..,..: .. Низкоомный слой 2 выполнен из материала сцинтилл тора, содержащего избыток металла, например кадми  или цинка. В случае, если сцинтилл тор 1 изготовлен йа основе низкоомно го материала (например CdS(Te) с удельным сопротивлением 10 ), необходимость в использовании сло  2 пониженного сопротивлени  отпадает и контакт 6 нанос т непосредственно на сцинтилл тор 1 о Низкоомный слой 2 нанос т на сцинтилл тор 1 напылением или диффузией,его толщина составл ет 1-10 мкм, Низкоомный слой 2 служит дл  подключени  контакта 6 к слою твердого раствора k между сцинтилл тором и фотоприемником „ Слой твердого раствора между сцинтилл тором 1 и фотоприемником 3  вл етс  рабочим элементом фотоприемника и включает в себ  р-п-перехол между материалом п-типа проводимости (сцинтилл тор 1) и р-типом rtpoBOдимости (фотоприемник 3) Контакт 6 подключают через низкоонмый слоА 2 к п-вывоГУ р-П-перехода cjMir %. сло  составл ет 1 мкм. Слой имеет кристаллическув структуру соответствущую структуре 1монокристалпа сцинтилл тора 1 ниггорой двухвалентные втоны мбтвллв второй группы пвриолнчвской систеим (нвпример , калний или цинк) чвсгнчно замечены одноввлентнырв втомкми металлов первой группы (нвпримвр/ медь или ). Слой k прелстввл ет соИ , кМвМ .. бри твердый рвствор A т.е. типа ) t нвпрнмвр са,.)Си«)к5, Zn«., Zn jCAgeV С«1,.„(Аце)х8, н об{рввует гетерогенный nepexoit с мвтернвлрм cttHHtftfUMTopB. Фотопрнемник 3 представл ет собой ПОЛУПРОВОЦННК P-TMU ПрОВОАИМОСТН, обладв цмй высоким коэффнцнентой опт(меского поглощени  в диапазоне длин волн излучени  сцинтилл тора В качестве 0отоприемника могут быть испольасюаны соединени  например , , AgjSe, . Через фотолгриемник 3 к слою р-п-перёх а подключен контакт 5 к р-шводу сло  Л, В качестве контактов 5i 6 используют пленю) из алюмини  или инди  -f алюминий, нанос щиес  на фотоприемник 3 и низкоомный слой 2, Контакт 5 нанос т на р-материал фотоприемника , и он  вл етс  р-выврдон рабочего элемента фотоприемника кож-акт б  вл етс  соответственно -выводом фотоприёмника о Толщина контакта 5 и контакта 6 составл ет 1 10 мкм. Контакты нанос т напылением или электролизом

Источник питани  7 служит дл  подачи посто нного напр жени  смещени  к слою с целью выбора рабочей точки на вольт-амперной характеристике р-п-перехода, формируемого в области сло  твердого раствора А между ма- . териалами сцинтилл тора и фотоприемника с Напр жение источника 7 составл ет 0,5-50 В Если устройство используетс  в режиме фото-ЭДС, источник 7 может отсутствовать о

Сопротивление нагрузки 8, значение которого составл ет 10-ТО рм подключаетс  последовательно с источником питани  7 к контактам 5 и б в случае отсутстви  источника сопротивлени  нагрузки подключаетс  к выводам 5, 6. С соп зотиейенм  нагрузки 8 электрический сигнал подаетс  на измерительный прибор S к рэбо«и€му элементу фотоприеиникае . .

Измерительный п-рибор 9 представ л ет собой операционный jCMjWTem, совме1иенный с приветом, регистрирующим изменение амачений падени  на пр жени  на согтотивлеш и иагруз- кй, к которому подключен вход tmepaционного усилител  с

Входное otmo 10  вй ете  частые сцинтилл тора 1 через которую «онизирукичее излучение попайавт в объем сцинтилл тора« В исло ьау®«йх согласно изобретению г олупроаопмйко№ к сцинтилл торах,, которые we иуадаютс  в защите от атмосферного воздействи , входное окно предсташл вт из себ  механически обрвботанну с требуемой точностью плоскость (как правило, торец цилиндра) мс«ок мсталла сцинтидлйторао

Предложенное устройство работает следующим образом

В исходном состо нии между полупроводником п-типа которым  вл ютс  сцинтилл тор 1 и низкооммый слой 2 сцинтилл тора, и полупроводником ртипа , которым  вл етс  фотоприемник 3, например ,GugSe, в слое ИХ твердого раствора формируетс  р-ппереходо При наличии контакта между полупроводниками с разным типом проводимости в переходном слое, в данном случае их твердого раствора А, устанавливаетс  зар до-равновеснье состо ние между основными носител ми зар да п- и р-слоев, то есть электронами и дырками. Это состо ние

сопровождаетс  возникновением потенциального барьера Ни р-п-переходе, который в нашем случае локализован в слое о В случае приложенного от источника 7 через сопротивление нагрузки 8 и контакты 5, 6 напр жени  смещени  обратной по отношению к ри Т1-выводам пол рности еще более повышаетс  величина потенциального барьера и, тем самым, запираюьцее действие гетероперехода о Поэтому в исходном состо нии ток через сопротивление нагрузки 8 отсутствует, падение напр жени  на нем равно нулю„

Ионизируилчее излучение А попада  через входное окно 10 на кристалл сцинтилл тора 1, возбуждает в кристалле вспьйвки светового излучени  В, распростран 1сичвгос  в объеке кристалла . Это излучение попадает на фотоприенник 3, где в слое k твердого раствора сцинтилл тора происходит поглощение света, сопровождаемое генерацией электронно-дырочных пар. Из 4eнem4e KOHineHTpat w носителей приводит к нарушение равновесного состо ни  тока нс1сителей зар да в р-п слое k между полупроводникани, низко (жнш4 слоем 2 и фотоприемником 3, что солров(Ж даетс  возн(4кмовением тока чере  сопротивление нагрузки 8, мапр щени  на сопротивлении 8 регистрируетс  измерительным прибором 9о После прекрацени  воздействи  потока фотонов на слой твердого раствора и фотоп|жемник 3 соответственно . nPeKpf aeTCfl генераци  носителей , в области р-п-перехода восста навлиеаетс  динамическое равновесие между дрейфовым током неосновных носителей и диффузионным током основных носителей, восстанавливаетс  pskBHOBecHoe состо ние, имевшее место до воздейстЕ ИЯ потока фотонов, ток во внешней гъепи через сопротивление нагрузки отсутствуете Быстродействие описанного процесса, протекающего в р-п-слое , составл ет , что более, чем в tO раз, превышает быстродейст процесс ов, проход щих в высокочувствительном фоторезисторе.

Необходимым условием высокой эффективности работы описанного устройства  вл етс  хорошее согласование спектра излучени  сцинтилл тора со спектром фоточувстЕительности фотоприемника „ Отличительна  особенность сло  тверлого раствора соединений Ak-x А СОСТОИТ в том,.что коэффициент поглощени  К света в обл  ти длин волн, излучаемых полупровод никовыми сцинтилл торами, очень высок , его значение не менее К SlO - 5-10 CMV В соответствии с этим интенсивность прошедшего через фотоприемник 3 света I пр по сравнению с интенсив ностью падающего I пад составл е1 «10% 1„д, пр - nq при средних значени х К 10 см и толщины сло  твердог раствора 41 0,3 мкм не менее 90 пбдаю1чего.света поглощаетс  в слое Так как контакт 5, нанесенный из инди  или алюмини  к фотоприемнику дополнительно играет роль отражател , практически полностью падающее на фотоприемник излучение етс  в слое , вызыва  генерацию электронно-дырочных пар Быстродействие устройства, т.ео длительность регистрируемого измерительным прибором 9 электрического импульса, определ етс  суммой времени разделени  электронно-дырочных пар , в слое твердого раствора k и временем релаксации -г электрических процессов в регистрирующей цепи, состо щей из элементов 5-9, что, в свою очередь, зависит от значени  RC этой цепи, где R значение нагрузочнрго соп|х тивле-. ни , С - распределенна  в элементах 5-9 емкостьь Дл  твердого раствора io-e--ib- 2. В реальном случае составл ет 10 - Таким образом, предложенное устройство По принципу работы существенно отличаетс  от;ранее известных В отличие от прототипа благодар  выбору в качестве фотоприемника неизовалентного со сцинти л тором материала слой твердого раствора на границе сцинти п тор-фотоприемник представл ет собой гетерогенный р-п-переход, а не фоторезистор, как было е прототипе. Принципиально отличаютс  как материал и параметры самого сло  -его толщина уменьшилась со 100-200 до 0,05-1 мкм, т.ео более, чем на 2 пор / ка, а коэффициент поглощени  в слое увеличилс  более, чем на пор дка, - так и ха рактер протекающих в слое процессо Вместо изменени  проводимости фотопровод щего сло  происходит генераци  пар носителей противоположных знаков в сверхтонком слое р-п-переходас Врем  протекани  этого процесса более, чем в 10 раз, ниже времени изменени  проводимости фотопровод щего сло , что позвол ет производить измерени  параметров коротковременных процессов, характерных дл  воздействи  многих видов ионизир пои х излучений Фактически врем  срабатывани  устройства ограничиваетс  монтажной емкостью и составл ет 1-10 МКС Врем  протекани  процессов в р-п-слое твердого раствора в 10 раз меньше указанной величины, поэтому после преодолени  технических трудностей, св занных с уменьшением переходной ем кости от фотоприемника к входу операционного усилител , грем  срабатывани  ус ройства может быть значительно понижено Дополнительным прег имув еством предлагаемого устройства  вл етс  повышение его чувствительности примерно в 10 фаз по сравнению с прототипом В таблице представлены сравнительные данные по базовому объекту, устройству-прототипу и предложенному устройстбУо I Предложенное устройство, которое обладает всеми достоинствами прототипа (малые габариты, вес, высока  надежность работы) j. имеет повышенную чувствительность, котора  не ниже, чем у базового устройства Врем  срабатывани  предложенного устройства уменьшилось на три пор дка по сравнению с прототипом и стало соизмеримо с временем срабатывани  базового устройства Оно может быть ente уменьшено, так как определ етс  лишь посто нной времени монтан«ой емкости. Таким образ 1, предложенное устройство , сохран   все преимущества прототипа, обладает более высокой чувствительностью и в 10 раз лучшим быстродействием, поэтому оно может быть использовано дл  регистрации и исследовани  импульсных и кратковременных процессов, что особенно важно дл   дерной промышленности, в космических исследовани х, медицине, а также дл  работы в счетном режиме.

На основе Nal (Т1) с фотоумножителем (базовое устройство )

На основе полупроводникового сцимтилл тора с фоторезистовром из твердых растворов соединений А (прототип)

На основе полупроводникового сцинтилл тора с гетерогенным р-п-переходом из твердых растворов соединений А и А (предлагаемое устройство )

0.5-1

0,2-0,f 10-10

1-10

1-1,5

to 6