RU117226U1

RU117226U1 - RADIATION DETECTOR

Info

Publication number: RU117226U1
Application number: RU2011153198/28U
Authority: RU
Inventors: Владимир Александрович Елин; Сергей Григорьевич Лазарев; Алексей Алексеевич КИБКАЛО
Original assignee: Владимир Александрович Елин; Сергей Григорьевич Лазарев; Алексей Алексеевич КИБКАЛО
Priority date: 2011-12-27
Filing date: 2011-12-27
Publication date: 2012-06-20

Abstract

1. Детектор излучения, выполненный в виде сотовой структуры из параллельно включенных своими парными электродами чувствительных элементов из кристаллического кремния, нанесенных на общую подложку с высокими сопротивлением изоляции, электрической и механической прочностью и низкой диэлектрической проницаемостью, например, из керамики, при этом чувствительные элементы окислены с пяти сторон с образованием изолирующей пленки, а на шестую сторону нанесены электроды. ! 2. Детектор по п.1, отличающийся тем, что чувствительные элементы выполнены в форме прямоугольных параллепипедов из кремния, а оба электрода выполнены напыленными на одной стороне каждого чувствительного элемента с возможностью подключения к средствам усиления микроэлектронной пайкой. ! 3. Детектор по п.2, отличающийся тем, что чувствительные элементы выполнены из особо чистого кремния в форме кубиков. ! 4. Детектор по любому из пп.2 и 3, отличающийся тем, что чувствительные элементы окислены с пяти сторон с образованием изолирующей пленки окиси кремния, а электроды нанесены на шестую сторону. ! 5. Детектор по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что чувствительные элементы выполнены из пластины особо чистого кремния по планарной технологии. 1. A radiation detector made in the form of a honeycomb structure of crystalline silicon sensitive elements connected in parallel with their paired electrodes, deposited on a common substrate with high insulation resistance, electrical and mechanical strength and low dielectric constant, for example, from ceramics, while the sensitive elements are oxidized on five sides with the formation of an insulating film, and on the sixth side electrodes are applied. ! 2. The detector according to claim 1, characterized in that the sensitive elements are made in the form of rectangular parallelepipeds of silicon, and both electrodes are made deposited on one side of each sensitive element with the possibility of connecting to amplification means by microelectronic soldering. ! 3. The detector according to claim 2, characterized in that the sensitive elements are made of highly pure silicon in the form of cubes. ! 4. The detector according to any one of claims 2 and 3, characterized in that the sensitive elements are oxidized on five sides with the formation of an insulating silicon oxide film, and the electrodes are applied on the sixth side. ! 5. The detector according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the sensitive elements are made of a highly pure silicon plate according to planar technology.

Description

Полезная модель относится к устройствам контроля радиационной обстановки и предназначена для обнаружения, измерений и обработки результатов измерений. Детектор - чувствительный элемент, служащий для преобразования явлений, вызываемых радиоактивными (ионизирующими) излучениями в электрический или другой сигнал.The utility model relates to radiation monitoring devices and is intended for detection, measurement and processing of measurement results. A detector is a sensitive element used to convert phenomena caused by radioactive (ionizing) radiation into an electrical or other signal.

Известны, например, германиевые детекторы, обладающие, в основном, нужными качествами, охлаждают до температуры жидкого азота. Кремниевый детектор содержит, при нормальных условиях, нежелательно много собственных свободных электронов. Для повышения чувствительности, необходимо увеличивать объем полупроводника, чтобы повысить вероятность попадания и рассеяния в нем, например, гамма - кванта и, соответственно повысить скорость счета частиц радиационного потока. Но с ростом объема, пропорционально увеличивается и число собственных носителей, на фоне которых добавочные носители, вызванные действием кванта излучения, становятся малозаметными и выделение их оказывается непростой задачей, и требует привлечения криогенной техники, прецизионных усилительных устройств или непосредственного лавинного усиления сигнала в сильном электрическом поле, чтобы регистрировать события проникающей радиации.For example, germanium detectors are known, which possess mainly the necessary qualities, and are cooled to the temperature of liquid nitrogen. A silicon detector contains, under normal conditions, undesirably many intrinsic free electrons. To increase the sensitivity, it is necessary to increase the volume of the semiconductor in order to increase the likelihood of hitting and scattering in it, for example, a gamma quantum and, accordingly, increase the count rate of particles of the radiation flux. But with an increase in volume, the number of intrinsic carriers also increases proportionally, against which additional carriers caused by the action of a radiation quantum become invisible and their selection is not an easy task and requires the use of cryogenic technology, precision amplification devices or direct avalanche amplification of a signal in a strong electric field to record penetrating radiation events.

Известен арсенидгаллиевый детектор ионизирующих излучений, содержащий подложку с контактом, граничащий с ней полуизолирующий арсенидгаллиевый слой и барьерный контакт, отличающийся тем, что введены изолирующий слой Ga_1-xAl_xAs, имеющий общую границу с полуизолирующим арсенидгаллиевым слоем, нелегированный слой арсенида галлия, имеющий общую границу с изолирующим слоем Ga_1-xAl_xAs, область р-типа проводимости, выполненная в нелегированном арсениде галлия и изолирующем GaAlAs слоях, вплоть до полуизолирующего арсенидгаллиевого слоя, и высокоомная область, окружающая барьерный контакт по периферии (RU N 2307426).Known gallium arsenide detector of ionizing radiation, containing a substrate with a contact, a semi-insulating gallium arsenide layer adjacent to it and a barrier contact, characterized in that an insulating layer Ga _1-x Al _x As is introduced, having a common border with a semi-insulating gallium arsenide, an undoped gallium arsenide layer having a common boundary with the insulating layer of Ga _{_1-x} Al _x As, the p-type conductivity, made in the undoped GaAs and GaAlAs layers of insulating, semi-insulating GaAs down to a layer, and vysokoom Single area surrounding the periphery of the barrier contact (RU N 2307426).

Известен способ изготовления детектора излучения включающий создание в приповерхностной области кремниевой пластины множества геометрически упорядоченных по поверхности пластины областей со слоем химического соединения металл-полупроводник, образующего с материалом подложки р-n переходы, путем вплавления в приповерхностный слой кремниевой пластины нанесенного на поверхность слоя платины высокой чистоты. Слой платины высокой чистоты наносится методом магнетронного распыления на предварительно очищенную в вакууме поверхность кремниевой пластины и последующее вплавление выполняется без промежуточного выноса подложки на воздух при температуре, при которой слой силицида платины образует монокристаллическую структуру (RU N 2006137980).A known method of manufacturing a radiation detector comprising creating in the surface region of a silicon wafer a plurality of regions geometrically ordered over the wafer surface with a layer of a metal-semiconductor chemical compound forming pn junctions with the substrate material by fusing a high-purity platinum layer onto the surface layer of a silicon wafer . A high-purity platinum layer is applied by magnetron sputtering onto a silicon wafer surface previously cleaned in vacuum and subsequent melting is carried out without intermediate transfer of the substrate to air at a temperature at which the platinum silicide layer forms a single-crystal structure (RU N 2006137980).

Важным достоинством поверхностно-барьерной технологии, принятой в данном аналоге, является отсутствие в ней высокотемпературных обработок пластины кремния, что исключает возможность загрязнения чувствительного объема детектора быстро диффундирующими примесями. Однако эта технология обладает рядом недостатков, существенно ограничивающих характеристики таких детекторов и возможность их применения. К недостаткам относятся: высокие темновые токи детектора; сложность и ненадежность контактирования по технологии "bump bonding" с чипом электроники в силу высокой чувствительности поверхностно-барьерного контакта к любым механическим воздействиям; низкая стабильность свойств межсегментного промежутка, в котором поверхность кремния не защищена от внешней среды. В результате межсегментное сопротивление уменьшается во времени, и его величина оказывается чувствительной, например, к изменению влажности; технологические ограничения для изготовления детекторов с малым размером (в десятки микрон) сегментов-пикселей в силу сложности фотолитографических процессов.An important advantage of the surface-barrier technology adopted in this analogue is the absence of high-temperature treatments of the silicon wafer in it, which eliminates the possibility of contamination of the sensitive volume of the detector by rapidly diffusing impurities. However, this technology has several disadvantages that significantly limit the characteristics of such detectors and the possibility of their application. The disadvantages include: high dark currents of the detector; the complexity and unreliability of contacting by technology "bump bonding" with an electronic chip due to the high sensitivity of the surface-barrier contact to any mechanical stress; low stability of the properties of the intersegment gap in which the silicon surface is not protected from the external environment. As a result, the intersegment resistance decreases in time, and its value is sensitive, for example, to a change in humidity; technological limitations for the manufacture of detectors with a small size (tens of microns) of pixel segments due to the complexity of photolithographic processes.

Известен способ изготовления детектора короткопробежных частиц, включающий окисление пластины кремния, создание химическим травлением окон в окисном слое, соответствующих топологии р-n перехода и омического контакта, легирование ионной имплантацией в окна поверхностного слоя кремния на стороне р-n перехода примесью p-типа, а на омической стороне примесью n-типа дозой 10¹⁵-10¹⁶см^-2 при энергии ионов 500-2000 кэВ, отжиг имплантированных слоев при температуре 850-950°С в течение 1-2 ч, химическое травление кремния в окне на омической стороне на глубину среднего пробега имплантированных в кремний ионов и металлизацию контакта напылением в вакууме (RU N 2378738).A known method of manufacturing a detector of short-range particles, including the oxidation of a silicon wafer, the creation of chemical etching of the windows in the oxide layer corresponding to the topology of the pn junction and ohmic contact, doping by ion implantation of the surface layer of silicon on the pn junction side with p-type impurity, and on the ohmic side, an n-type impurity with a dose of 10 ¹⁵ -10 ¹⁶ cm ^-2 at an ion energy of 500-2000 keV, annealing of the implanted layers at a temperature of 850-950 ° C for 1-2 hours, chemical etching of silicon in a window on the ohmic side on the depths mean path implanted ions into silicon and the contact metallization by deposition in vacuum (RU N 2378738).

Известен детектор ионизирующего излучения с нанотрубками в качестве чувствительного элемента, который включен в электрическую цепь, содержащую электронный блок управления, отличающийся тем, что содержит корпус из материала, прозрачного к измеряемому ионизирующему излучению, матрицу чувствительных элементов, расположенных в корпусе в m рядов n столбцов, где m и n - целые числа, каждый из чувствительных элементов содержит по меньшей мере одну нанотрубку и два электрода, причем концы нанотрубок каждого чувствительного элемента соединены с соответствующими электродами так, что минимальное расстояние между осями нанотрубок равно сумме двух радиусов соседних нанотрубок, а минимальное расстояние между чувствительными элементами выбрано таким образом, чтобы отсутствовал электрический контакт между чувствительными элементами, пленки из изолирующего материала, размещенные попарно на противоположных сторонах рядов и столбцов чувствительных элементов и предназначенные для размещения контактных элементов и электрической разводки, по которым осуществляется электрическое соединение электродов чувствительных элементов с блоком электронного управления, при этом упомянутый блок электронного управления предназначен для подачи напряжения на электроды чувствительных элементов и детектирования импульсов тока, возникающих в чувствительных элементах при образовании свободных электронов и дырок в момент прохождения через чувствительные элементы ионизирующего излучения, для определения траектории ионизирующей частицы и для определения направления на источник излучения и энергии ионизирующей частицы путем компьютерной обработки импульсов тока, поступающих от чувствительных элементов (RU N 2311664).A known ionizing radiation detector with nanotubes as a sensitive element, which is included in an electric circuit containing an electronic control unit, characterized in that it contains a housing made of a material transparent to the measured ionizing radiation, a matrix of sensitive elements located in the housing in m rows of n columns, where m and n are integers, each of the sensitive elements contains at least one nanotube and two electrodes, and the ends of the nanotubes of each sensitive element are connected to the corresponding electrodes so that the minimum distance between the axes of the nanotubes is equal to the sum of the two radii of the adjacent nanotubes, and the minimum distance between the sensitive elements is chosen so that there is no electrical contact between the sensitive elements, films of insulating material placed in pairs on opposite sides of rows and columns of sensitive elements and designed to accommodate contact elements and electrical wiring, through which electrical the connection of the electrodes of the sensitive elements with the electronic control unit, while the said electronic control unit is designed to supply voltage to the electrodes of the sensitive elements and detect current pulses arising in the sensitive elements during the formation of free electrons and holes at the moment of passage through the sensitive elements of ionizing radiation, to determine the trajectory ionizing particles and to determine the direction of the radiation source and the energy of the ionizing particle by ompyuternoy machining current pulses arriving from the sensing elements (RU N 2311664).

Известна двухмерная (2D) система детекторов, пригодная для использования в многосрезных сканерах СТ «Solid State X-Radiation Detector Modules and Mosaics Thereof, and an Imaging Method and Apparatus for Employing Same» («Твердотельные модули детекторов рентгеновского излучения и мозаичная мишень из них и способ и устройство получения изображений для применения таковых»). Модули детекторов в такой системе включают в себя сцинтиллятор в оптической связи с матрицей фотодиодов. Слой металлизации, имеющий множество металлических площадок, расположенных на неосвещаемой стороне матрицы фотодиодов, обеспечил электрический контакт с различными фотодиодами. Площадки приведены в соответствие шагу и расстановке фотодиодов. Следовательно, площадки, в свою очередь, были присоединены пайкой к отдельной несущей подложке. Несущая подложка, в свою очередь, включила в себя множество проводящих слоев, скомпонованных в рисунок схемы и присоединенных к контактным площадкам на другой стороне подложки. Контактные площадки обеспечивают точки соединения для электроники считывания. В еще одном раскрытом варианте осуществления ASIC (специализированная интегральная схема), имеющая входные соединения, которые соответствуют шагу и расстановке фотодиодов, были присоединены непосредственно к площадкам. Некоторое количество модулей детекторов было собрано, с тем чтобы формировать мозаичную 2D-матрицу (US №6510195).Known two-dimensional (2D) detector system, suitable for use in multi-sectional scanners CT "Solid State X-Radiation Detector Modules and Mosaics Thereof, and an Imaging Method and Apparatus for Employing Same" ("Solid-state modules of X-ray detectors and a mosaic target of them and a method and apparatus for obtaining images for the use of such "). Detector modules in such a system include a scintillator in optical communication with a photodiode array. A metallization layer having many metal pads located on the unlit side of the photodiode array provided electrical contact with various photodiodes. The pads are aligned with the step and arrangement of the photodiodes. Consequently, the pads, in turn, were soldered to a separate carrier substrate. The carrier substrate, in turn, included a plurality of conductive layers arranged in a circuit pattern and attached to contact pads on the other side of the substrate. Pads provide connection points for readout electronics. In yet another disclosed embodiment, an ASIC (Specialized Integrated Circuit), having input connections that correspond to the pitch and arrangement of the photodiodes, were connected directly to the sites. A number of detector modules were assembled in order to form a mosaic 2D matrix (US No. 6510195).

Несмотря на то, что такая система детекторов действительно эффективна, остается место для улучшения. Например, остается желательным дополнительно снижать себестоимость детектора, упрощать производственный процесс и улучшать гибкость и надежность детекторной конструкции.Despite the fact that such a system of detectors is really effective, there is still room for improvement. For example, it remains desirable to further reduce the cost of the detector, simplify the manufacturing process, and improve the flexibility and reliability of the detector design.

Известен детектор излучения, содержащий сцинтиллятор, матрицу фотодетекторов, содержащую полупроводниковую подложку, включающую в себя множество фотодетекторных элементов в оптической связи с сцинтиллятором; металлизацию, сформированную на стороне полупроводниковой подложки, противоположной сцинтиллятору; электронику сигнальной обработки, несомую на стороне матрицы фотодетекторов, противоположной сцинтиллятору; при этом металлизация включает в себя первое множество контактов, электрически присоединенных к фотодетекторным элементам, и второе множество контактов в электрической связи с первым множеством контактов и электроникой сигнальной обработки (RU N 2408110, прототип).A known radiation detector comprising a scintillator, a photodetector array comprising a semiconductor substrate, including a plurality of photodetector elements in optical communication with the scintillator; metallization formed on the side of the semiconductor substrate opposite to the scintillator; signal processing electronics carried on the side of the photodetector array opposite to the scintillator; wherein metallization includes a first plurality of contacts electrically connected to the photodetector elements, and a second plurality of contacts in electrical communication with a first plurality of contacts and signal processing electronics (RU N 2408110, prototype).

Недостатками известных детекторов являются высокая себестоимость, сложность компоновки на малогабаритных объектах, низкие ударная прочность и вибрационная устойчивость, а также большие габариты и значительное потребление энергии, не приемлемые для мобильных карманных радиоустройств, таких, как мобильный телефон, смартфон.The disadvantages of the known detectors are the high cost, the complexity of the layout on small objects, low impact strength and vibration resistance, as well as the large size and significant energy consumption, not acceptable for mobile handheld radio devices, such as mobile phones, smartphones.

Технической задачей полезной модели является создание эффективного детектора излучения, пригодного для использования в составе мобильных устройств, и расширение арсенала детекторов излучения.The technical task of the utility model is to create an effective radiation detector suitable for use as part of mobile devices, and to expand the arsenal of radiation detectors.

Технический результат, обеспечивающий решение поставленной задачи состоит в снижении себестоимости, уменьшении габаритов и потребления энергии, обеспечение достаточной надежности за счет высокой ударной прочности и вибрационной устойчивости, а также компоновочных возможностей для создания детектора, пригодного для использования в составе мобильных устройств с обеспечением надежного выявления излучения. Все эти результаты неразрывно связаны между собой и обеспечиваются одной и той же совокупностью признаков.The technical result that provides a solution to the problem is to reduce costs, reduce overall dimensions and energy consumption, ensure sufficient reliability due to high impact strength and vibration resistance, as well as the layout capabilities to create a detector suitable for use as part of mobile devices with reliable detection of radiation . All these results are inextricably linked and are provided by the same set of features.

Сущность полезной модели состоит в том, что детектор излучения, выполнен в виде сотовой структуры из параллельно включенных своими парными электродами чувствительных элементов из кристаллического кремния, нанесенных на общую подложку с высокими сопротивлением изоляции, электрической и механической прочностью и низкой диэлектрической проницаемостью, например, из керамики.The essence of the utility model consists in the fact that the radiation detector is made in the form of a honeycomb structure made of crystalline silicon sensitive elements parallel connected by its paired electrodes, deposited on a common substrate with high insulation resistance, electrical and mechanical strength, and low dielectric constant, for example, of ceramic .

Предпочтительно чувствительные элементы выполнены в форме прямоугольных параллепипедов из кремния, а оба электрода выполнены напыленными на одной стороне (поверхности) каждого чувствительного элемента с возможностью подключения к средствам усиления микроэлектронной пайкой (золотыми волосками).Preferably, the sensitive elements are made in the form of rectangular silicon parallelepipeds, and both electrodes are sprayed on one side (surface) of each sensitive element with the possibility of connection to microelectronic soldering means (gold hairs).

Предпочтительно чувствительные элементы выполнены из особочистого кремния в форме кубиков, которые окислены с пяти сторон с образованием изолирующей пленки окиси кремния (SiO₂), а на шестую сторону нанесены электроды.Preferably, the sensitive elements are made of highly pure silicon in the form of cubes, which are oxidized on five sides to form an insulating film of silicon oxide (SiO ₂ ), and electrodes are deposited on the sixth side.

Предпочтительно чувствительные элементы выполнены из пластины особочистого кремния по планарной технологии.Preferably, the sensitive elements are made of a plate of highly pure silicon according to planar technology.

На чертеже фиг.1 изображена принципиальная схема чувствительного элемента заявляемого детектора, на фиг.2 - принципиальная схема включения группы чувствительных элементов детектора, на фиг.3-вид сверху по фиг.2.The drawing of Fig. 1 shows a schematic diagram of a sensitive element of the inventive detector, Fig. 2 is a schematic diagram of the inclusion of a group of sensitive elements of the detector, Fig. 3 is a top view of Fig. 2.

На чертежах обозначены чувствительный(ые) элемент(ы) 1 - выделенный объем полупроводника (Si) с собственной проводимостью; напыленные электроды 2; изолятор 3 (SiO₂), подложка 4, плата 5 усилителя с транзисторами (не обозначены), компьютер 6. Компьютер 6 выполнялся с платой АЦП (Innovative); HDD 160 Гбайт; софтом для обработки.In the drawings, the sensitive element (s) 1 is indicated - the selected volume of the semiconductor (Si) with intrinsic conductivity; sprayed electrodes 2; insulator 3 (SiO ₂ ), substrate 4, amplifier board 5 with transistors (not indicated), computer 6. Computer 6 was run with an ADC board (Innovative); HDD 160 GB; software for processing.

Каждый чувствительный элемент 1 детектора представляет собой объем V чистого (нелегированного) кремния.Each detector element 1 is a volume V of pure (undoped) silicon.

При этом детектор выполнен в виде сотовой структуры (многокамерная или ячеистая конструкция - cellular construction) из параллельно включенных своими парными электродами 2 чувствительных элементов 1 из кристаллического кремния.In this case, the detector is made in the form of a honeycomb structure (multi-chamber or cellular construction - cellular construction) from 2 sensitive elements 1 made of crystalline silicon in parallel with their paired electrodes.

Чувствительные элементы 1 выполнены в форме прямоугольных параллепипедов из кремния, а оба электрода 2 выполнены напыленными на одной стороне (поверхности) каждого чувствительного элемента 1 с возможностью подключения к средствам усиления на плате 5 микроэлектронной пайкой (золотыми волосками).The sensing elements 1 are made in the form of rectangular silicon parallelepipeds, and both electrodes 2 are sprayed on one side (surface) of each sensitive element 1 with the possibility of connecting to the amplification means on the circuit board 5 by microelectronic soldering (gold hairs).

Из пластины особочистого кремния (Electronic Grade Silicon) вырезаются кубики (или параллелепипеды) со стороной 1 мм. С пяти сторон (граней) они окисляются (образуется изолирующая пленка /слой/ SiO₂) - изолятор 3, на шестую сторону (грань) напылением наносятся электроды 2, которые микроэлектронной пайкой (золотыми волосками) соединены с усилителем платы 5.Cubes (or parallelepipeds) with a side of 1 mm are cut out of a plate of highly pure silicon (Electronic Grade Silicon). On five sides (faces) they are oxidized (an insulating film / layer / SiO _{2 is formed} ) - insulator 3, on the sixth side (face) electrodes 2 are deposited by sputtering, which are connected by microelectronic soldering (gold hairs) to the amplifier board 5.

Чувствительные элементы 1 наклеены на общую подложку 4 с высокими сопротивлением изоляции и электрической и механической прочностью, низкой диэлектрической проницаемостью, например, из керамики (например, из поликора), ситалла.Sensitive elements 1 are glued to a common substrate 4 with high insulation resistance and electrical and mechanical strength, low dielectric constant, for example, from ceramics (for example, from polycor), ceramic.

Чувствительные элементы 1 могут быть также выполнены из пластины особочистого кремния (Electronic Grade Silicon) по достаточно распространенной планарной технологии, в данном случае, путем глубокого окисления кремния. При этом на отдельных участках материал делается пористым и туда проникает кислород для получения из кремния Si слоя изолятора 3 в виде окиси кремния SiO₂. Планарная технология обеспечивает возможность одновременного изготовления в едином технологическом процессе огромного числа дискретных полупроводниковых чувствительных элементов 1 на одной подложке, что позволяет существенно снизить их стоимость. Также в случае изготовления на одной пластине чувствительных элементов 1 параметры всех чувствительных элементов 1 оказываются близкими.Sensitive elements 1 can also be made of a plate of high purity silicon (Electronic Grade Silicon) according to a fairly common planar technology, in this case, by deep oxidation of silicon. Moreover, in certain areas, the material is made porous and oxygen penetrates there to obtain a layer of insulator 3 in the form of silicon oxide SiO ₂ from silicon Si. Planar technology makes it possible to simultaneously manufacture in a single technological process a huge number of discrete semiconductor sensitive elements 1 on one substrate, which can significantly reduce their cost. Also, in the case of manufacturing on one plate of the sensitive elements 1, the parameters of all the sensitive elements 1 are close.

Детектор радиоактивного излучения выполнен с возможностью измерения альфа, бета, гамма и нейтронного излучения, а также солнечной радиации.The radiation detector is configured to measure alpha, beta, gamma and neutron radiation, as well as solar radiation.

Техническое решение настоящей полезной модели основано на том, что предлагается электрически выделить каждый объем чувствительного элемента детектора излучения, содержащий количество тепловых электронов, соизмеримое с тем дополнительным количеством электронов, которые образуются в одном акте рассеяния кванта излучения. В этом случае удается относительно легко, без привлечения криогенной техники, прецизионных усилительных устройств или непосредственного лавинного усиления сигнала в сильном электрическом поле, регистрировать единичные события рассеяния квантов проникающей радиации в каждом чувствительном элементе. Создавая ударопрочный и виброустойчивый массив параллельно работающих элементарных чувствительных элементов (датчиков) из кремния, т.е. сотовую структуру детектора 8 в целом, можно достичь требуемой суммарной чувствительности для контроля излучения. При этом целесообразно расположить оба электрода каждого чувствительного элемента на одной поверхности (грани) чувствительного элемента. Для работы такого детектора не требуется высокое (сотни вольт) напряжение, требуемое, например, для работы газоразрядных детекторов.The technical solution of this utility model is based on the fact that it is proposed to electrically separate each volume of the sensitive element of the radiation detector, containing the amount of thermal electrons, commensurate with the additional number of electrons that are formed in one act of scattering of the quantum of radiation. In this case, it is relatively easy, without the use of cryogenic technology, precision amplification devices or direct avalanche amplification of the signal in a strong electric field, to register single scattering events of quanta of penetrating radiation in each sensitive element. Creating an impact-resistant and vibration-resistant array of parallel operating elementary sensitive elements (sensors) made of silicon, i.e. the honeycomb structure of the detector 8 as a whole, it is possible to achieve the required total sensitivity for radiation control. In this case, it is advisable to place both electrodes of each sensitive element on one surface (face) of the sensitive element. For the operation of such a detector, the high (hundreds of volts) voltage required, for example, for the operation of gas-discharge detectors, is not required.

Каждый чувствительный элемент 1 подключен на плате 5 ко входу отдельного транзистора (усилителя), характеризующегося своей входной емкостью.Each sensor 1 is connected on the board 5 to the input of a separate transistor (amplifier), characterized by its input capacitance.

Таким образом, создан массив параллельно работающих чувствительных элементов 1, как элементарных датчиков, т.е. сотовую структуру, которым достигается требуемая суммарная чувствительность детектора в целом. Так, если на 1 см² изготовить, например, 100 параллельно работающих чувствительных элементов 1, то средняя частота счета составит уже 0.2 с^-1, не требуя высокого напряжения. Дополнительная стоимость в этом случае практически будет определяться только стоимостью дополнительной площади кремния (стоимость кремниевой пластины диаметром 300 мм составляет примерно $ 100, соответственно стоимость 1 см²составляет примерно $ 0.15).Thus, an array of parallel working sensitive elements 1, as elementary sensors, i.e. honeycomb structure, which achieves the required total sensitivity of the detector as a whole. So, if, for example, 100 sensors of 1 operating in parallel are manufactured per cm ² , then the average counting frequency will be 0.2 s ^-1 , without requiring a high voltage. The additional cost in this case will be practically determined only by the cost of the additional silicon area (the cost of a silicon wafer with a diameter of 300 mm is approximately $ 100, respectively, the cost of 1 cm ² is approximately $ 0.15).

Детектор излучения работает следующим образом.The radiation detector operates as follows.

При включении в работу активизируется полупроводниковый чувствительный элемент 1 детектора, который работает подобно ионизационной камере с тем отличием, что ионизация происходит не в газовом промежутке, а в толще кристалла кремния. К полупроводниковому кристаллу прикладывается напряжение, что обеспечивает сбор всех зарядов, образованных частицей в объеме чувствительного элемента 1 детектора.When turned on, the semiconductor sensitive element 1 of the detector is activated, which works like an ionization chamber with the difference that ionization does not occur in the gas gap, but in the thickness of the silicon crystal. A voltage is applied to the semiconductor crystal, which ensures the collection of all charges formed by the particle in the volume of the detector 1.

Заряженная частица, проникая в полупроводниковый материал (кремний) чувствительного элемента 1 детектора, создает электронно-дырочные пары, которые под действием электрического поля перемещаются к электродам 2.A charged particle, penetrating into the semiconductor material (silicon) of the detector's sensing element 1, creates electron-hole pairs, which under the action of an electric field move to the electrodes 2.

Каждый чувствительный элемент 1 детектора представляет собой объем V чистого (нелегированного) кремния с собственной концентрацией (свободных электронов) носителей n₀=1.5·10¹⁰ см^-3, чему соответствует собственное удельное объемное сопротивление ρ=2.3·10⁵ Ом·см. В среднем, в этом выделенном объеме, будет находиться N₀=n₀·V 'электронов.Each sensitive element 1 of the detector is a volume V of pure (undoped) silicon with its own concentration of (free electrons) carriers n ₀ = 1.5 · 10 ¹⁰ cm ^-3 , which corresponds to its own specific volume resistance ρ = 2.3 · 10 ⁵ Ohm · cm. On average, in this allocated volume, there will be N ₀ = n ₀ · V 'electrons.

Средняя относительная величина флуктуаций количества электронов пропорциональна , соответственно среднеквадратичная амплитуда флуктуаций количества электронов δN₀ в объеме V, будет равна;The average relative value of fluctuations in the number of electrons is proportional , respectively, the rms amplitude of fluctuations in the number of electrons δN ₀ in volume V will be equal to;

Сделаем численные оценки. Пусть V=1 мм³. Тогда N₀=1.5·10⁷и δN₀=1.2·10⁴.We make numerical estimates. Let V = 1 mm ³ . Then N ₀ = 1.5 · 10 ⁷ and δN ₀ = 1.2 · 10 ⁴ .

Среднеквадратичная амплитуда тепловых флуктуаций напряжения δV на сопротивлении R в полосе частот Δν может быть оценена по формуле Найквиста:The rms amplitude of thermal fluctuations of the voltage δV at the resistance R in the frequency band Δν can be estimated by the Nyquist formula:

где k - постоянная Больцмана, Т - температура.where k is the Boltzmann constant, T is the temperature.

Пусть объем полупроводника V имеет вид куба высотой h=1 мм и площадью основания S=1 мм². Тогда его электрическое сопротивление R=2.3·10⁶ Ом, а емкость С=0.12 пФ. К полупроводнику приложено напряжение U=1 В.Let the semiconductor volume V be a cube with a height of h = 1 mm and a base area of S = 1 mm ² . Then its electrical resistance is R = 2.3 · 10 ⁶ Ohms, and the capacitance is C = 0.12 pF. A voltage of U = 1 V is applied to the semiconductor.

В этом случае напряженность электрического поля в объеме куба составит величину Е=U/h=10 В/см. Дрейфовая скорость основных носителей тока - электронов в поле Е составит величину V_e=µ_e·E=1.3·10⁴ см/с. Соответственно время t_h пересечения электроном межэлектродного промежутка h составит величину t_h=h/v_e=8·10^-6с. При этом все связанные с переносом носителей процессы должны укладываться в полосу частот Δν=1·10⁶ Гц. Отсюда можно оценить среднеквадратичную амплитуду тепловых шумов δV=3.5·10^-4 В. Соответствующие среднеквадратичные тепловые флуктуации тока составят величину δI=1.5·10^-10 А.In this case, the electric field strength in the volume of the cube will be E = U / h = 10 V / cm. The drift velocity of the main current carriers, the electrons in the field E, will be V _e = µ _e · E = 1.3 · 10 ⁴ cm / s. Accordingly, the time t _h of the electron crossing the interelectrode gap h will be t _h = h / v _e = 8 · 10 ^-6 s. Moreover, all processes associated with carrier transfer should fit into the frequency band Δν = 1 · 10 ⁶ Hz. From here one can estimate the rms amplitude of thermal noise δV = 3.5 · 10 ^-4 V. The corresponding rms thermal fluctuations of the current will be δI = 1.5 · 10 ^-10 A.

Пусть налетающий γ-квант с энергией 0.5 МэВ выбил в объеме V комптоновский электрон, который создал N_eγ электронов проводимости.Let an incident γ-ray with an energy of 0.5 MeV knock out a Compton electron in volume V, which created N _eγ conduction electrons.

Количество выбитых γ-квантом электронов проводимости N_eγ можно оценить как отношение энергии комптоновского электрона E_k энергии образования электронно - дырочной пары Е_eh.The number of conduction electrons knocked out by a γ-quantum N _eγ can be estimated as the ratio of the energy of the Compton electron E _{k the} formation energy of the electron – hole pair E _eh .

Учитывая, что для кремния E_eh=3.8 зВ, следовательно, N_eγ=4.5·10⁴ электронов проводимости. Эти избыточные электроны уйдут из объема полупроводника за время t_h, создав импульс тока амплитудой I_γ=е·N_eγ/t_h,=0.9·10^-9 А.Taking into account that for silicon E _eh = 3.8 zV, therefore, N _eγ = 4.5 · 10 ⁴ conduction electrons. These excess electrons will leave the semiconductor volume in time t _h , creating a current pulse with amplitude I _γ = e · N _eγ / t _h , = 0.9 · 10 ^-9 A.

Измеряя величину заряда, образованного поглощенным квантом, можно определить его энергию.By measuring the amount of charge formed by an absorbed quantum, its energy can be determined.

Пусть, например, рассматриваемый полупроводник подключен ко входу транзистора с входной емкостью С_вх=1.5 пФ. Заряд облака выбитых γ-квантом электронов составит Q_γ=e·N_eγ=0.7·10^-14К. Напряжение на входе транзистора, соответствующее выделившемуся на входной емкости С_вх заряду Q_γ, составит величину U_γ=Q_γ/ С_вх=5 мВ.Suppose, for example, the semiconductor in question is connected to the input of a transistor with an input capacitance C _in = 1.5 pF. The charge of a cloud of electrons knocked out by a γ-quantum will be Q _γ = e · N _eγ = 0.7 · 10 ^-14 K. The voltage at the transistor input corresponding to the charge Q _γ released at the input capacitance C _in will be U _γ = Q _γ / C _in = 5 mV.

Оценим характеристики излучения. Пусть мы имеем поток γ-квантов с мощностью экспозиционной дозы =100 мкР/час=7.2·10^-15 Кл/г·с=1.7·10^-14Кл/см³·с.Let us evaluate the radiation characteristics. Suppose we have a flux of gamma rays with an exposure dose rate = 100 μR / h = 7.2 · 10 ^-15 C / g · s = 1.7 · 10 ^-14 C / cm ³ · s.

В этих равенствах учтено, что удельная плотность кремния ρ_m=2.3 г/см³, в системе СИ единицей измерения экспозиционной дозы является кулон, деленный на килограмм (Кл/кг). Внесистемная единица - рентген (Р), при этом 1 Кл/кг=3876 Р. Зная заряд электрона, можно определить объемную скорость ионизации в кремнии =1.1·10⁵ 1/см³·с. Пусть энергия γ-квантов равна 1 МэВ. Тогда одному γ-кванту будет соответствовать N_eγ электронов, в данном случае N_eγ=1.2·10⁵.In these equalities, it was taken into account that the specific gravity of silicon is ρ _m = 2.3 g / cm ³ ; in the SI system, the unit of measurement of the exposure dose is the pendant divided by kilogram (C / kg). A non-systemic unit is X-ray (P), with 1 C / kg = 3876 R. Knowing the charge of an electron, it is possible to determine the volume ionization rate in silicon = 1.1 · 10 ⁵ 1 / cm ³ · s. Let the energy of gamma rays be 1 MeV. Then one γ-quantum will correspond to N _{eγ of} electrons, in this case N _eγ = 1.2 · 10 ⁵ .

Скорости радиационной генерации электронов соответствует скорость поглощения γ-квантов Electron radiation generation rates corresponds to the absorption rate of gamma rays

Плотность падающего потока γ-квантов j_γ связана со скоростью их поглощения через величину их среднего пробега 1 или обратной величины этого параметра - µ,The density of the incident flux of γ-quanta j _γ is related to the rate of their absorption through the value of their average path 1 or the reciprocal of this parameter - µ,

При рассматриваемых значениях параметров получаем, что дозе 100 мкР/час соответствует поток излучения j_γ=12 квантов/см²·с. Далее можно оценить частоту отсчетов ν_γ гамма квантов с энергией ~ 1 МэВ кремниевым чувствительным элементом объемом V=1 мм³.With the considered values of the parameters, we obtain that a dose of 100 μR / h corresponds to a radiation flux j _γ = 12 quanta / cm ² · s. Further, we can estimate the sampling frequency ν _γ gamma quanta with an energy of ~ 1 MeV by a silicon sensitive element with a volume of V = 1 mm ³ .

Подставляя значения параметров, получаем, ν_γ ≈ 2·10^-3 с^-1.Substituting the parameter values, we obtain ν _γ ≈ 2 · 10 ^-3 s ^-1 .

Частота отсчетов резко повышается за счет наличия сотовой структуры в виде группы чувствительных элементов 1.The sampling frequency increases sharply due to the presence of a honeycomb structure in the form of a group of sensitive elements 1.

Изначально слабый сигнал (создаваемый всего несколькими десятками тысяч электронов) отдельных чувствительных элементов 1 может усиливаться путем формирования лавин в сильном электрическом поле. Это решение наиболее просто, но такие экспоненциальные процессы не достаточно стабильны. По этому целесообразно полевое усиление в транзисторах на плате 5, обладающее большей стабильностью, линейностью, меньшим энергопотреблением и т.д.Initially, a weak signal (generated by only a few tens of thousands of electrons) of individual sensitive elements 1 can be amplified by the formation of avalanches in a strong electric field. This solution is the simplest, but such exponential processes are not stable enough. Therefore, it is advisable to field amplification in transistors on board 5, which has greater stability, linearity, lower power consumption, etc.

Уже усиленные сигналы поступают на процессор компьютера 6.Already amplified signals are sent to the processor of the computer 6.

Таким образом, в целом детектор пригоден для осуществления множества функций:Thus, in general, the detector is suitable for the implementation of many functions:

- определение уровня радиационного фона в окружающем пространстве.- determination of the level of background radiation in the surrounding space.

- находит или выявляет предметы, представляющие радиационную опасность.- Finds or identifies objects that pose a radiation hazard.

- определяет пригодность для употребления в пищу различных продуктов.- Determines the suitability for eating various products.

Энергопотребление собственно чувствительного элемента 1 при его сопротивлении порядка 1 Мом и приложенном напряжении порядка 1 В пренебрежимо мало, энергопотребление детектора и всей электронной схемы в ждущем режиме так же незначительно.The power consumption of the actual sensitive element 1 with its resistance of the order of 1 MΩ and an applied voltage of the order of 1 V is negligible, the power consumption of the detector and the entire electronic circuit in standby mode is also negligible.

Линейность характеристики детектора и пропорциональность количества выбитых электронов энергии, например, γ-кванта, могут позволить определять энергетические характеристики излучения и по ним устанавливать источник проникающей радиации.The linearity of the characteristics of the detector and the proportionality of the number of knocked out electrons of energy, for example, a γ-quantum, can make it possible to determine the energy characteristics of the radiation and determine the source of penetrating radiation from them.

Малое энергопотребление позволяет использовать данный детектор как отдельный прибор, так в составе, например, сотового телефона в постоянно включенном состоянии (в режиме мониторинга). При этом кремниевый (на основе кремниевых чувствительных элементов 1) детектор не требует охлаждения.Low power consumption allows you to use this detector as a separate device, as part of, for example, a cell phone in a constantly on state (in monitoring mode). In this case, the silicon (based on silicon sensitive elements 1) detector does not require cooling.

По характеру использования подобных устройств, время его нахождения в каких-то помещениях может быть достаточно продолжительным (несколько часов). За это время может накопиться статистика срабатываний даже для весьма малых уровней мощности дозы.By the nature of the use of such devices, the time it spent in some rooms can be quite long (several hours). During this time, response statistics can be accumulated even for very small dose rate levels.

При этом измерения реализуются без привлечения криогенной техники, прецизионных усилительных устройств или непосредственного лавинного усиления сигнала в сильном электрическом поле, с возможностью контроля радиационной чистоты и формирования соответствующей информации в доступном виде, пригодном для оперативного использования, при минимальной себестоимости детектора. Одновременно обеспечено сохранение малых геометрических размеров детектора, работающего при низких напряжениях, который позволяет освоенными стандартными средствами визуализировать полученные треки ионизирующего излучения, а также измерять плотности потока ионизирующего излучения и спектр энергий ионизирующих частиц.In this case, measurements are carried out without the use of cryogenic equipment, precision amplification devices or direct avalanche amplification of a signal in a strong electric field, with the ability to control radiation purity and generate relevant information in an accessible form suitable for operational use, at the minimum cost of the detector. At the same time, the small geometrical dimensions of the detector operating at low voltages are maintained, which allows using the standard means to visualize the obtained tracks of ionizing radiation, as well as measure the flux density of ionizing radiation and the energy spectrum of ionizing particles.

Таким образом, создан эффективный, надежный и не дорогой детектор и расширен арсенал детекторов излучения.Thus, an efficient, reliable and inexpensive detector was created and the arsenal of radiation detectors was expanded.

Claims

1. A radiation detector made in the form of a honeycomb structure of crystalline silicon sensitive elements parallel connected by its pair electrodes, deposited on a common substrate with high insulation resistance, electrical and mechanical strength, and low dielectric constant, for example, of ceramic, while the sensitive elements are oxidized on five sides with the formation of an insulating film, and electrodes are applied on the sixth side.

2. The detector according to claim 1, characterized in that the sensitive elements are made in the form of rectangular silicon parallelepipeds, and both electrodes are sprayed on one side of each sensitive element with the possibility of connection to microelectronic soldering amplification means.

3. The detector according to claim 2, characterized in that the sensitive elements are made of highly pure silicon in the form of cubes.

4. The detector according to any one of paragraphs.2 and 3, characterized in that the sensitive elements are oxidized on five sides with the formation of an insulating film of silicon oxide, and the electrodes are deposited on the sixth side.

5. The detector according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the sensitive elements are made of a plate of highly pure silicon according to planar technology.