RU226304U1 - Scintillation semiconductor detector based on perovskite - Google Patents
Scintillation semiconductor detector based on perovskite Download PDFInfo
- Publication number
- RU226304U1 RU226304U1 RU2024110071U RU2024110071U RU226304U1 RU 226304 U1 RU226304 U1 RU 226304U1 RU 2024110071 U RU2024110071 U RU 2024110071U RU 2024110071 U RU2024110071 U RU 2024110071U RU 226304 U1 RU226304 U1 RU 226304U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- perovskite
- scintillator
- radiation
- scintillation
- semiconductor photodetector
- Prior art date
Links
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims abstract description 25
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 22
- 150000004820 halides Chemical class 0.000 claims abstract description 14
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 13
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims abstract description 12
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 9
- 230000005865 ionizing radiation Effects 0.000 claims abstract description 8
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims abstract description 8
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 claims abstract description 5
- 239000000428 dust Substances 0.000 abstract description 2
- KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N Isopropanol Chemical compound CC(C)O KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000000805 composite resin Substances 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 238000005424 photoluminescence Methods 0.000 description 2
- -1 polydimethylsiloxane Polymers 0.000 description 2
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 2
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 2
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 2
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 2
- 239000003082 abrasive agent Substances 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 150000001767 cationic compounds Chemical class 0.000 description 1
- 150000001768 cations Chemical class 0.000 description 1
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 description 1
- 238000002591 computed tomography Methods 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 239000004205 dimethyl polysiloxane Substances 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001411 inorganic cation Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005304 joining Methods 0.000 description 1
- 229910052745 lead Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002159 nanocrystal Substances 0.000 description 1
- 150000002892 organic cations Chemical class 0.000 description 1
- 150000003961 organosilicon compounds Chemical class 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 229920000435 poly(dimethylsiloxane) Polymers 0.000 description 1
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 1
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 1
- 229910052718 tin Inorganic materials 0.000 description 1
Abstract
Полезная модель предназначена для детектирования ионизирующего излучения при помощи непрямого преобразования интенсивности ионизирующего излучения в электрический сигнал. Он включает перовскитный сцинтиллятор, полупроводниковый фотодетектор и защитную крышку. Перовскитный сцинтиллятор характеризуется химическим составом, идентичным химическому составу монокристалла галогенидного перовскита, и характерным размером частиц не более длины волны эмитируемого излучения. Перовскитный сцинтиллятор перекрывает полностью фоточувствительную область полупроводникового фотодетектора и накрыт защитной крышкой. Защитная крышка прозрачна для ионизирующего излучения и защищает от влаги и пыли. Радиационная стойкость повышена до 25 Мрад за счет применения перовскитного сцинтиллятора. Габаритные размеры уменьшены за счет нанесения тонким слоем частиц с перовскитной структурой непосредственно на фоточувствительную область полупроводникового фотодетектора. The utility model is intended for detecting ionizing radiation by indirectly converting the intensity of ionizing radiation into an electrical signal. It includes a perovskite scintillator, a semiconductor photodetector and a protective cover. A perovskite scintillator is characterized by a chemical composition identical to the chemical composition of a halide perovskite single crystal, and a characteristic particle size of no more than the wavelength of the emitted radiation. The perovskite scintillator covers the entire photosensitive region of the semiconductor photodetector and is covered with a protective cover. The protective cover is transparent to ionizing radiation and protects against moisture and dust. Radiation resistance is increased to 25 Mrad due to the use of a perovskite scintillator. Overall dimensions are reduced due to the application of a thin layer of particles with a perovskite structure directly to the photosensitive region of the semiconductor photodetector.
Description
Полезная модель относится к области детектирования излучения, а именно к измерению интенсивности излучения с помощью сцинтилляционных детекторов.The utility model relates to the field of radiation detection, namely to the measurement of radiation intensity using scintillation detectors.
Из предшествующего уровня техники известен сцинтилляционный кристаллический детектор, подходящий для использования в системах компьютерного томографического сканирования, содержащий сцинтилляционный кристалл, имеющий одну поверхность, оптически соединенную с фотодетектором, предпочтительно полупроводниковым устройством, и имеющий другие поверхности, которые эффективно рассеивают свет, благодаря чему обеспечивается эффективное прохождение фотонов света от кристалла через полированную поверхность к фотодетектору. Недостатком является габариты сцинтиллятора, а также сложная технология его получения и соединения с фотодетектором [US 4234792 A, G01T1/202, 18.11.1980].In the prior art there is known a scintillation crystal detector suitable for use in computed tomography scanning systems, comprising a scintillation crystal having one surface optically coupled to a photodetector, preferably a semiconductor device, and having other surfaces that effectively scatter light, thereby allowing efficient transmission photons of light from the crystal through the polished surface to the photodetector. The disadvantage is the dimensions of the scintillator, as well as the complex technology for its production and connection with the photodetector [US 4234792 A, G01T1/202, 11/18/1980].
Также из предшествующего уровня техники известен способ изготовления сцинтиллятора на основе перовскитных нанокристаллов и кремнийорганического соединения полидиметилсилоксан, который подтверждает высокую радиационную стойкость галогенидных перовскитов, принимающую значение до 25 Мрад [RU 2022107856, A C09K11/55, 25.09.2023].Also known from the prior art is a method for manufacturing a scintillator based on perovskite nanocrystals and the organosilicon compound polydimethylsiloxane, which confirms the high radiation resistance of halide perovskites, reaching a value of up to 25 Mrad [RU 2022107856, A C09K11/55, 09.25.2023].
В качестве прототипа полезной модели используется чувствительный к излучению детектор со сцинтиллятором в композиционной смоле, содержащий фотосенсорный элемент и сцинтиллятор, оптически соединенный с фотосенсорным элементом, при этом сцинтиллятор включает в себя порошковый сцинтиллятор и смолу, смешанную с порошковым сцинтиллятором. Прототип позволяет детектировать ионизирующие излучение при помощи непрямого преобразования интенсивности ионизирующего излучения в электрический сигнал с использованием сцинтиллятора в композиционной смоле. Недостатком данного изобретения, является ограничение по радиационной стойкости связанное с необходимостью использования чувствительной к радиационному воздействию композиционной смолы в качестве матрицы сцинтиллятора [RU 2487373 C2, G01T1/20185, 10.07.2013].As a prototype of a utility model, a radiation-sensitive detector with a scintillator in a composite resin is used, containing a photosensor element and a scintillator optically connected to the photosensor element, wherein the scintillator includes a powder scintillator and a resin mixed with the powder scintillator. The prototype allows the detection of ionizing radiation by indirectly converting the intensity of ionizing radiation into an electrical signal using a scintillator in a composite resin. The disadvantage of this invention is the limitation on radiation resistance associated with the need to use a radiation-sensitive composite resin as a scintillator matrix [RU 2487373 C2, G01T1/20185, 07/10/2013].
Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение, заключается в увеличении радиационной стойкости и уменьшении габаритных размеров детектора.The problem to be solved by the stated technical solution is to increase the radiation resistance and reduce the overall dimensions of the detector.
Техническим результатом является улучшенная радиационная стойкость сцинтилляционно-полупроводникового детектора, которая выражается в достижении радиационной стойкости 25 Мрад и уменьшение габаритных размеров сравнимых с размером полупроводникового фотодетектора.The technical result is an improved radiation resistance of a scintillation-semiconductor detector, which is expressed in achieving a radiation resistance of 25 Mrad and a reduction in overall dimensions comparable to the size of a semiconductor photodetector.
Технический результат достигается за счет применения сцинтиллятора, состоящего из частиц с перовскитной структурой, полученных из монокристалла галогенидного перовскита, радиационная стойкость которого определяется только радиационной стойкостью галогенидного перовскита. Габаритные размеры уменьшены за счет использования частиц с характерными размерами не более длины волны эмитируемого излучения нанесенных тонким слоем непосредственно на фотодетектор с помощью жидкостного метода соединения, заключающегося в нанесении частиц в растворители с дальнейшим удалением растворителя. При использовании жидкостного метода соединения изготавливается сцинтилляционно-полупроводниковый детектор на основе перовскита характеризующейся тем, что он включает по крайней мере один полупроводниковый фотодетектор, по крайней мере один сцинтиллятор на основе галогенидного перовскита, соединённые оптически с помощью нанесения перовскитного сцинтиллятора на фоточувствительную область полупроводникового фотодетектора, и по крайней мере одну прозрачную для ионизирующего излучения защитную крышку, при этом сцинтиллятор характеризуется химическим составом, идентичным химическому составу монокристалла галогенидного перовскита, с характерным размером частиц с перовскитной структурой не более длины волны эмитируемого излучения.The technical result is achieved through the use of a scintillator consisting of particles with a perovskite structure obtained from a halide perovskite single crystal, the radiation resistance of which is determined only by the radiation resistance of the halide perovskite. Overall dimensions are reduced due to the use of particles with characteristic sizes no greater than the wavelength of the emitted radiation, deposited in a thin layer directly on the photodetector using a liquid joining method, which consists of depositing particles in solvents with further removal of the solvent. When using the liquid coupling method, a perovskite-based scintillation-semiconductor detector is fabricated, characterized in that it includes at least one semiconductor photodetector, at least one halide perovskite-based scintillator, optically coupled by applying the perovskite scintillator to the photosensitive region of the semiconductor photodetector, and at least one protective cover transparent to ionizing radiation, wherein the scintillator is characterized by a chemical composition identical to the chemical composition of a halide perovskite single crystal, with a characteristic particle size with a perovskite structure not exceeding the wavelength of the emitted radiation.
Существенным отличием предложенного устройства является использование перовскитного сцинтиллятора, который характеризуется химическим составом, идентичным химическому составу монокристалла галогенидного перовскита, с характерным размером частиц с перовскитной структурой не более длины волны эмитируемого излучения, и обеспечивает радиационную стойкость до 25 Мрад. Использование перовскитного сцинтиллятора позволяет улучшить радиационную стойкость и уменьшить габариты конечного устройства. Полезная модель удовлетворяет критерию «Новизна».A significant difference of the proposed device is the use of a perovskite scintillator, which is characterized by a chemical composition identical to the chemical composition of a halide perovskite single crystal, with a characteristic particle size with a perovskite structure of no more than the wavelength of the emitted radiation, and provides radiation resistance of up to 25 Mrad. The use of a perovskite scintillator makes it possible to improve radiation resistance and reduce the dimensions of the final device. The utility model satisfies the “Novelty” criterion.
Технологическая реализация предложенного сцинтилляционно-полупроводниковый детектора основана на известных базовых методах его изготовления, которые к настоящему времени хорошо разработаны и широко применяются. Полезная модель удовлетворяет критерию «Промышленная применимость».The technological implementation of the proposed scintillation semiconductor detector is based on known basic methods for its manufacture, which are now well developed and widely used. The utility model satisfies the “Industrial applicability” criterion.
Краткое описание чертежейBrief description of drawings
Предлагаемый сцинтилляционно-полупроводниковый детектор на основе перовскита иллюстрируется фигурами 1-3.The proposed perovskite-based scintillation semiconductor detector is illustrated in Figures 1-3.
На фиг.1 - схематически изображен внешний вид сцинтилляционно-полупроводниковый детектора на основе перовскита.Figure 1 schematically shows the appearance of a scintillation semiconductor detector based on perovskite.
На фиг.2 - схематически изображена структура голагенидного перовскита.Figure 2 shows a schematic diagram of the structure of a golagenide perovskite.
На фиг.3 - изображена временная диаграмма управляющей схемы.Figure 3 shows a timing diagram of the control circuit.
Осуществление ПМImplementation of PM
Полезная модель поясняется фиг.1, на которой изображен сцинтилляционно-полупроводниковый детектор на основе перовскита. Сцинтилляционно-полупроводниковый детектор на основе перовскита включает перовскитный сцинтиллятор 1 и полупроводниковый фотодетектор 2, при этом сцинтиллятор перекрывает полностью фоточувствительную область 3 и закрыт механически соединённой крышкой 4, защищающей от проникновения влаги и пыли. Перовскитный сцинтиллятор изготавливается из частиц со структурой перовскита, полученных из объемного монокристалла галогенидного перовскита со структурой, включающей в себя органический или неорганический катион 5, например CH3NH3, CH(NH2)2, или Cs, металлический катион 6, например Pb или Sn, галогенидный анион 7, например Br, Cl или In. Структура галогенидного перовскита пояснена фиг.2. Частицы со структурой перовскита с характерными размерами не более длины волны эмитируемого излучения изготавливаются из монокристалла галогенидного перовскита, размеры частиц менее длины пика фотолюминесценции позволяют избежать проблемы самопоглощения в перовскитных монокристаллах, связанной с величиной сдвига Стокса 1-2 нм. Твердость по Моссу для галогенидных перовскитов равна 3, поэтому они могут быть обработаны любыми промышленно применяемыми абразивами. Небольшим количеством изопропанола смачивается связанный абразив со значением шероховатости 0,5 мкм и менее, далее осуществляется шлифовка монокристалла галогенидного перовскита, в результате которой на абразиве образуется необходимое количество частиц со структурой перовскита. Далее частицы со структурой перовскита в изопропаноле наносятся на фоточувствительную область полупроводникового фотодетектора, после испарения изопропанола фотодетектор закрывается крышкой.The utility model is illustrated in Fig. 1, which shows a perovskite-based scintillation semiconductor detector. A perovskite-based scintillation semiconductor detector includes a perovskite scintillator 1 and a semiconductor photodetector 2, wherein the scintillator completely covers the photosensitive region 3 and is closed by a mechanically connected lid 4, which protects against the penetration of moisture and dust. A perovskite scintillator is made of particles with a perovskite structure obtained from a bulk halide perovskite single crystal with a structure including an organic or inorganic cation 5, for example CH 3 NH 3 , CH(NH 2 ) 2 , or Cs, a metal cation 6, for example Pb or Sn, halide anion 7, such as Br, Cl or In. The structure of halide perovskite is illustrated in Fig. 2. Particles with a perovskite structure with characteristic sizes no greater than the wavelength of emitted radiation are made from a halide perovskite single crystal; particle sizes less than the photoluminescence peak length make it possible to avoid the problem of self-absorption in perovskite single crystals associated with a Stokes shift of 1-2 nm. The Moss hardness of halide perovskites is 3, so they can be processed with any industrially used abrasives. A bonded abrasive with a roughness value of 0.5 μm or less is wetted with a small amount of isopropanol, then the halide perovskite single crystal is polished, as a result of which the required number of particles with the perovskite structure is formed on the abrasive. Next, particles with the perovskite structure in isopropanol are applied to the photosensitive region of the semiconductor photodetector; after the isopropanol evaporates, the photodetector is closed with a lid.
Сцинтилляционно-полупроводниковый детектор на основе перовскита работает следующим образом. Перовскитный сцинтиллятор, преобразует, падающие на него ионизирующие излучение в видимый свет. В зависимости от элементов структуры сцинтилляционные свойства перовскитов могут отличаться. Длина волны фотолюминесценции лежит во всем видимом диапазоне. Наличие I в составе перовскита приводит к красному сдвигу, Br или Cl к синему. Полупроводниковый фотодетектор поглощает видимое излучение, индуцированное перовскитным сцинтиллятором, что приводит к образованию носители заряда, которые создают фототок в полупроводниковом фотодетекторе под действием внешнего смещения, что является электрическим сигналом, который пропорционален интенсивности излучения. Далее сигнал с полупроводникового фотодетектора может быть обработан для получения амплитудных характеристик, например, для построения изображения, или для счета количества событий.A perovskite-based scintillation semiconductor detector operates as follows. A perovskite scintillator converts ionizing radiation incident on it into visible light. Depending on the structural elements, the scintillation properties of perovskites may differ. The wavelength of photoluminescence lies in the entire visible range. The presence of I in the perovskite composition leads to a red shift, Br or Cl to blue. The semiconductor photodetector absorbs visible radiation induced by the perovskite scintillator, resulting in the formation of charge carriers that generate a photocurrent in the semiconductor photodetector under the influence of an external bias, which is an electrical signal that is proportional to the intensity of the radiation. Next, the signal from the semiconductor photodetector can be processed to obtain amplitude characteristics, for example, to construct an image, or to count the number of events.
Пример реализации ПМExample of PM implementation
Полезная модель может быть реализована вместе со схемой обработки сигнала, временная диаграмма которой пояснена фиг. 3, для построения изображения объектов, облученных импульсами рентгеновского излучения, что может быть использовано, например, для интроскопии. Электрический сигнал с сцинтилляционно-полупроводникового детектора на основе перовскита передается на схему выборки и хранения. Когда с управляющей схемы (контроллера) приходит сигнал “sample" (5 В) на схему выборки и хранения, схема выборки и хранения начинает накапливать сигнал. После того как убирается управляющие напряжение, схема выборки и хранения переходит в положение “hold”, удерживая одно значение напряжения. С схемы выборки и хранения сигнал передается на аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Контроллер подает команду на АЦП о считывании сигнала, АЦП передает цифровую информацию, которая может быть записана на компьютер. При использовании нескольких пикселей и постепенного перекрывания пикселей сканируемым объектом возможно построить изображение объекта, основываясь на амплитудных данных электрических сигналов, полученных с пикселей.The utility model can be implemented together with a signal processing circuit, the timing diagram of which is illustrated in FIG. 3, for constructing images of objects irradiated with X-ray pulses, which can be used, for example, for introscopy. The electrical signal from the perovskite scintillation semiconductor detector is transmitted to the sampling and storage circuit. When a “sample” (5 V) signal arrives from the control circuit (controller) to the sample and hold circuit, the sample and hold circuit begins to accumulate the signal. After the control voltage is removed, the sample and hold circuit goes into the “hold” position, holding one voltage value. From the sampling and storage circuit, the signal is transmitted to the analog-to-digital converter (ADC). The controller sends a command to the ADC to read the signal, the ADC transmits digital information that can be written to the computer by using several pixels and gradually overlapping the pixels with the scanned object. It is possible to construct an image of an object based on the amplitude data of the electrical signals obtained from the pixels.
Claims (1)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU226304U1 true RU226304U1 (en) | 2024-05-30 |
Family
ID=
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2487373C2 (en) * | 2007-12-21 | 2013-07-10 | Конинклейке Филипс Электроникс Н.В. | Radiation-sensitive detector with scintillator in composite resin |
| RU2803307C1 (en) * | 2023-02-07 | 2023-09-12 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Казанский (Приволжский) федеральный университет" (ФГАОУ ВО КФУ) | Polymer composite material with perovskite quantum dots, method for its preparation and method for use in 3d printing |
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2487373C2 (en) * | 2007-12-21 | 2013-07-10 | Конинклейке Филипс Электроникс Н.В. | Radiation-sensitive detector with scintillator in composite resin |
| RU2803307C1 (en) * | 2023-02-07 | 2023-09-12 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Казанский (Приволжский) федеральный университет" (ФГАОУ ВО КФУ) | Polymer composite material with perovskite quantum dots, method for its preparation and method for use in 3d printing |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN105324683B (en) | X-ray imaging device with the cmos sensor being embedded in TFT tablets | |
| EP1118878B1 (en) | Scintillator panel, radiation image sensor, and method for producing the same | |
| US6849336B2 (en) | Scintillator panel and radiation image sensor | |
| US7750306B2 (en) | Reduced edge effect detector | |
| Luo et al. | A review on X-ray detection using nanomaterials | |
| US20070085010A1 (en) | Scintillator with a matrix material body carrying nano-material scintillator media | |
| US9151668B1 (en) | Quantum dot radiation detection, systems and methods | |
| CN101849198A (en) | Protection of hygroscopic scintillators | |
| CN101346642A (en) | Scintillator panel and radiation detector | |
| JP2002214349A (en) | X-ray detection module | |
| US5596198A (en) | Gamma ray camera | |
| CN105353400B (en) | Source device is inlayed for the Gain Automatic control of scintillation crystal detectors | |
| US9086493B2 (en) | High-sensitivity X-ray detector | |
| CN116948629A (en) | Perovskite scintillator material and preparation method of indirect X-ray detector thereof | |
| RU226304U1 (en) | Scintillation semiconductor detector based on perovskite | |
| EP1365261A1 (en) | Scintillator panel and radiation image sensor | |
| JP2011232197A (en) | Scintillator panel and radiation image detection device | |
| JP4204344B2 (en) | Radiation imaging material and radiation imaging method | |
| Marisaldi et al. | A pulse shape discrimination gamma-ray detector based on a silicon drift chamber coupled to a CsI (Tl) scintillator: prospects for a 1 keV-1 MeV monolithic detector | |
| CN105700002A (en) | Radiation detection apparatus and radiation detection sheet | |
| CN101968546A (en) | X-ray array detector for directly integrating CCD (Charge-coupled Device) through CsI(T1) crystal film | |
| CN104412330A (en) | Scintillator plate | |
| Burr et al. | Evaluation of a position sensitive avalanche photodiode for PET | |
| US20070001121A1 (en) | Image sensor with enhanced spatial resolution and method of producing the sensor | |
| US20220195287A1 (en) | Perovskite-based scintillator and methods of using the same |