RU219039U1 - Алмазный детектор - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к полупроводниковым детекторам ядерных излучений, в частности детекторам альфа-частиц и тяжелых заряженных ионов, и может использоваться в приборах регистрации ионизирующего излучения, работающих в жестких условиях радиационного фона, повышенных температур, повышенного фона электромагнитных помех. Основными отраслями применения детектора ионизирующего излучения на основе алмазного детектора являются ядерная энергетика, космическое приборостроение, геологоразведка. Техническим результатом представляемой полезной модели является повышение точности измерения энергетических спектров потоков ионизирующих частиц. Технический результат достигается тем, что инжектирующий контакт алмазного детектора нанесен на верхнюю и торцевые грани алмазной пластины, а коллекторный контакт нанесен на нижнюю грань алмазной пластины так, чтобы обеспечить изолирующий зазор между инжектирующим и коллекторным контактами, при этом алмазная пластина установлена в нишу многослойной печатной платы и припаяна инжектирующим контактом по периметру к верхнему металлизированному слою печатной платы, а коллекторный электрод припаян к контактной площадке среднего металлизированного слоя печатной платы и через контактную площадку и переходное отверстие и соединен с входом усилителя сигнала, который смонтирован на нижнем металлизированном слое печатной платы, причем печатная плата установлена в экранирующий корпус, контактирующий по периметру с верхним металлизированным слоем трехслойной печатной платы.

Description

Полезная модель относится к полупроводниковым детекторам ядерных излучений, в частности детекторам альфа-частиц и тяжелых заряженных ионов, и может использоваться в приборах регистрации ионизирующего излучения, работающих в жестких условиях радиационного фона, повышенных температур, повышенного фона электромагнитных помех.

Основными отраслями применения детектора ионизирующего излучений на основе алмазного детектора являются ядерная энергетика, космическое приборостроение, геологоразведка.

В настоящее время алмаз является перспективным материалом для создания термостойких, радиационно-стойких детекторов ядерных излучений, способных работать при температурах до 200°С, в условиях высоких механических, термических нагрузок и мощного радиационного фона. Такие возможности алмазных детекторов объясняются высокой механической прочностью большим значением ширины запрещенной зоны (5.47 эВ) и большой энергией, необходимой для смещения атома углерода из узла кристаллической решетки алмаза (>45 эВ).

Прототипом представленной полезной модели является устройство блока детектирования ионизирующего излучения [1], которое включает алмазный детектор, состоящий из алмазной пластины с нанесенными на ее грани инжектирующим и коллекторным контактами, источника напряжения смещения, усилителя сигнала и регистрирующей аппаратуры. Алмазная пластина закреплена со стороны инжектирующего электрода на основание, которое через изолятор крепится к корпусу, при этом инжектирующий контакт алмазного детектора соединен с источником напряжения металлическим проводом через основание детектора, а вход усилителя соединен с коллекторным контактом алмазного детектора коротким металлическим проводником.

При попадании ионизирующей частицы в алмазную пластину в пластине образуются свободные заряды. Заряды под действием электрического поля, создаваемого источником напряжения, движутся к контактам, в результате чего возникает импульс электрического тока. Импульс электрического тока усиливается с помощью усилителя сигнала и фиксируется регистрирующей аппаратурой.

Количество электронно-дырочных пар и, соответственно, амплитуда выходного сигнала алмазного блока детектирования пропорциональна энергии, переданной ионизирующей частицей алмазной пластине.

Существенным недостатком прототипа является плохая помехозащищенность детектора от импульсных электромагнитных помех.

Причиной такого недостатка является конструкция детектора, в которой на грани алмазной пластины, являющейся чувствительным элементом алмазного детектора, нанесены металлические площадки, выполняющие роль инжектирующего и коллекторного контактов. При этом контактные площадки алмазного чувствительного элемента образуют конденсатор емкостью в несколько пФ, а такой конденсатор является хорошей антенной для высокочастотных и импульсных электромагнитных помех.

Для ряда задач этот недостаток может быть устранен размещением детектора в экранирующий корпус.

Однако, в случае регистрации ионизирующих частиц с малым пробегом в веществе, к которым можно отнести альфа-частицы, бета-частицы и тяжелые заряженные ионы, применять экранирующий корпус не представляется возможным в силу того, что перечисленные ионизирующие частицы либо полностью поглощаются корпусом, либо теряют значительную часть своей энергии, что приводит к искажениям результатов измерений.

Техническим результатом представленной полезной модели является повышение точности измерения энергетических спектров тяжелых заряженных частиц космического излучения, спектров альфа и бета-частиц радиоактивных материалов.

Технический результат достигается тем, что инжектирующий контакт алмазного детектора нанесен на верхнюю и торцевые грани алмазной пластины, а коллекторный контакт нанесен на нижнюю грань алмазной пластины так, чтобы обеспечить изолирующий зазор между инжектирующим и коллекторным контактами, при этом алмазная пластина установлена в нишу многослойной печатной платы и припаяна инжектирующим контактом по торцевыми гранями к верхнему металлизированному слою печатной платы, а коллекторный электрод припаян к контактной площадке среднего металлизированного слоя печатной платы и через контактную площадку и переходное отверстие и соединен с входом усилителя сигнала, который смонтирован на нижнем металлизированном слое печатной платы, причем печатная плата установлена в экранирующий корпус, контактирующий по периметру с верхним металлизированным слоем трехслойной печатной платы.

Технических решений, содержащих совокупность признаков сходных с отличительными, не выявлено, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию новизна.

Устройство алмазного детектора ионизирующего излучения представлено на рисунке 1, где 1 - алмазная пластина, 2 - инжектирующий контакт, 3 - коллекторный контакт, 4 - многослойная печатная плата, 5 -верхний металлизированный слой печатной платы, 6 - корпус, 7 - паяное соединение корпуса с верхним металлизированным слоем печатной платы, 8 - паяное соединение инжектирующего контакта с верхним металлизированным слоем печатной платы, 9 - изолирующий компаунд, 10-паяное соединение коллекторного контакта с контактной площадкой внутреннего металлизированного слоя печатной платы, 11 - контактная площадка внутреннего металлизированного слоя печатной платы, 12 - переходное отверстие, 13 - усилитель сигнала, 14 - нижней металлизированный слой печатной платы, 15 - разъем.

Алмазный детектор ионизирующего излучения работает следующим образом.

Ионизирующая частица, попадая в алмазную пластину 1, через инжектирующий контакт 2 создает в алмазной пластине, вдоль трека частицы, электронно-дырочные пары, при этом количество образующегося заряда пропорционально энергии частицы. Индуцированные заряды, под действием электрического поля смещения, которое создается напряжением смещения, подаваемым на инжектирующий и коллекторный контакты через разъем 15, собираются на коллекторном контакте 3. Заряд, собранный на коллекторном контакте 3, передается на вход усилителя сигнала 13 через контактную площадку 11 и переходное отверстие 12. Усилитель сигнала преобразует заряд, снятый с алмазной пластины, в импульс, амплитуда которого пропорциональна энергии зарегистрированной ионизирующей частицы.

В связи с тем, что инжектирующий контактный электрод имеет толщину не более 0,7 мкм, ионизирующая частица пролетает через него, практически без потери энергии, и таким образом вся энергия ионизирующей частицы расходуется на образование заряда в алмазной пластине. Тем самым, обеспечивается повышенная точность регистрации энергетического спектра ионизирующих частиц с малыми длинами пробега.

Предлагаемая конструкция алмазного детектора обеспечивает полную защиту алмазного детектора от электромагнитных помех, что достигается соединением металлизированных торцов инжектирующего электрода по периметру, с помощью припоя 8, к верхнему металлизированному слою печатной платы и применением экранирующего корпуса 6, который контактирует по всему периметру с верхним металлизированным слоем печатной платы. Качественная экранировка алмазного детектора исключает влияние внешних электромагнитных помех на амплитуду выходного сигнала алмазного детектора, за счет чего обеспечивается повышенная точность измерения энергетических спектров ионизирующих частиц.

Дополнительное повышение точности регистрации энергетических спектров обеспечивается непосредственным, минимизированным по длине, соединением коллекторного контакта 3 с входом усилителя сигнала 13 через контактную площадку 11 и переходное отверстие 12. Данное конструктивное решение позволяет минимизировать паразитные емкости входных цепей усилителя сигнала, чем обеспечивается практически 100% передача заряда, образовавшегося в алмазной пластине, на вход усилителя сигнала. Этот фактор также обеспечивает повышение точности регистрации энергетических спектров заряженных частиц.

Изолирующий компаунд - 8 используется для предотвращения возникновения поверхностных токов утечек между инжектирующим и коллекторным контактами, что также повышает точность измерения энергетических спектров.

Литература

1. S.F. Kozlov. Nuclear radiation detection device utilizing diamond detector with injecting and blocking contacts. United States Patent 3,668,400. Application date: June 6, 1972 .

Claims (11)

1. Алмазный детектор, состоящий из алмазной пластины с инжектирующим и коллекторным контактами, печатной платы, усилителя сигнала, вход которого соединен с коллекторным контактом и корпусом, отличающийся тем, что инжектирующий контакт нанесен на верхнюю и торцевые грани алмазной пластины, а коллекторный контакт нанесен на нижнюю грань алмазной пластины с зазором относительно инжектирующего контакта, при этом алмазная пластина установлена в нишу многослойной печатной платы и торцевыми поверхностями инжектирующего контакта контактирует по всему периметру с верхним металлизированным слоем печатной платы, коллекторный электрод контактирует со вторым металлизированным слоем печатной платы, усилитель сигнала смонтирован на нижнем металлизированным слое печатной платы, а корпус, по всему периметру, контактирует с верхним металлизированным слоем печатной платы.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что инжектирующий и коллекторные контакты выполнены из платины толщиной от 0,2 мкм до,0,7 мкм.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что зазор между инжектирующим и коллекторным контактами заполнен изолирующим компаундом.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что печатная плата выполнена многослойной на термостойкой керамике с рабочей температурой не менее 250°С.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что инжектирующий контакт соединен с верхним металлизированным слоем печатной платы пайкой припоем с температурой плавления не ниже 400°С.

6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что коллекторный контакт соединен с вторым металлизированным слоем печатной платы пайкой припоем с температурой плавления не ниже 400°С.

7. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что усилитель сигнала смонтирован на нижнем металлизированном слое печатной платы и состоит из радиоэлементов с рабочей температурой не ниже 200°С.

8. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что вход усилителя сигнала соединен с коллекторным контактом с помощью переходного отверстия, причем входной транзистор усилителя сигнала расположен в максимальной близости от переходного отверстия.

9. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что корпус изготовлен из проводящего сплава с коэффициентом теплового расширения, близким по значению к коэффициенту теплового расширения печатной платы.

10. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что корпус по всему периметру припаян к верхнему металлизированному слою печатной платы с помощью высокотемпературного припоя с температурой плавления не ниже 400°С.

11. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что на корпус установлен экранированный разъем с рабочей температурой не менее 250°С.

Images