RU2484554C1 - Method of detecting ionising radiation - Google Patents
Method of detecting ionising radiation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2484554C1 RU2484554C1 RU2011153190/28A RU2011153190A RU2484554C1 RU 2484554 C1 RU2484554 C1 RU 2484554C1 RU 2011153190/28 A RU2011153190/28 A RU 2011153190/28A RU 2011153190 A RU2011153190 A RU 2011153190A RU 2484554 C1 RU2484554 C1 RU 2484554C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- radiation
- ionization
- semiconductor
- cell
- ionisation
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Measurement Of Radiation (AREA)
Abstract
Description
Область техникиTechnical field
Изобретение относится к области детектирования ионизирующих излучений с использованием полупроводниковых устройств и может быть использовано в научно-исследовательском оборудовании и средствах радиационной защиты.The invention relates to the field of detection of ionizing radiation using semiconductor devices and can be used in research equipment and radiation protection.
Уровень техникиState of the art
Полупроводниковые детекторы ионизирующих излучений являются твердотельными аналогами газонаполненных ионизационных камер. Ионизирующая частица, попавшая в детектор, производит пары электрон-дырка, которые собираются электрическим полем, приложенным к электродам детектора. Величина соответствующего электрического импульса пропорциональна энергии, потерянной частицей или γ-квантом в детекторе. Важно, чтобы детектор собрал все образовавшиеся в нем заряды.Semiconductor detectors of ionizing radiation are solid-state analogues of gas-filled ionization chambers. An ionizing particle entering the detector produces electron-hole pairs, which are collected by an electric field applied to the detector electrodes. The magnitude of the corresponding electric pulse is proportional to the energy lost by the particle or γ-ray in the detector. It is important that the detector collects all the charges formed in it.
Полупроводниковые детекторы имеют ряд существенных преимуществ перед газонаполненными ионизационными камерами:Semiconductor detectors have a number of significant advantages over gas-filled ionization chambers:
1. Энергия, необходимая для получения одной пары носителей в полупроводниковом детекторе, гораздо меньше (2,96 эВ в Ge и 3,66 эВ в Si), чем в газах, заполняющих камеры (~30 эВ). Поэтому число образовавшихся пар в детекторе соответственно больше и оно меньше подвержено статистическим флуктуациям.1. The energy required to produce one pair of carriers in a semiconductor detector is much lower (2.96 eV in Ge and 3.66 eV in Si) than in gases filling the chambers (~ 30 eV). Therefore, the number of pairs formed in the detector is correspondingly larger and less susceptible to statistical fluctuations.
2. Плотность материала полупроводникового детектора гораздо больше, чем плотность газов, заполняющих ионизационные камеры. Поэтому даже небольшие детекторы могут регистрировать частицы высоких энергий и γ-кванты.2. The density of the material of a semiconductor detector is much higher than the density of the gases filling the ionization chambers. Therefore, even small detectors can detect high-energy particles and γ-quanta.
Однако известные полупроводниковые детекторы и сами не лишены ряда недостатков. Основная проблема состоит в полупроводниковом материале, который сочетал бы в себе такие свойства, как большая ширина запрещенной зоны и высокая подвижность носителей. Это необходимо для того, чтобы, с одной стороны, уменьшить количество собственных (тепловых) электронов, присутствующих в полупроводнике и без воздействия излучения, так, чтобы появление добавочных электронов, вызванных излучением, было бы заметным. С другой стороны, выбитые квантами излучения электроны должны быть достаточно подвижны, чтобы создать заметный импульс тока. К сожалению, к настоящему времени неизвестны материалы, в полной мере удовлетворяющие указанным требованиям. Поэтому при проведении, например, физических экспериментов, германиевые детекторы, обладающие всеми нужными качествами, кроме наличия большой запрещенной зоны, охлаждают минимум до температуры жидкого азота.However, the known semiconductor detectors themselves are not without a number of disadvantages. The main problem is a semiconductor material that would combine such properties as a large band gap and high carrier mobility. This is necessary in order to, on the one hand, reduce the number of intrinsic (thermal) electrons present in the semiconductor and without exposure to radiation, so that the appearance of additional electrons caused by radiation is noticeable. On the other hand, electrons knocked out by radiation quanta must be sufficiently mobile to create a noticeable current pulse. Unfortunately, currently unknown materials that fully satisfy the specified requirements. Therefore, when conducting, for example, physical experiments, germanium detectors that have all the necessary qualities, except for the presence of a large forbidden zone, cool at least to the temperature of liquid nitrogen.
Для повышения удельного электрического сопротивления детекторов были разработаны различные методы уменьшения числа носителей, вызванных наличием примесей в Si и Ge. Эти методы основаны на создании в детекторе p-n-перехода с малым количеством носителей.To increase the electrical resistivity of the detectors, various methods have been developed to reduce the number of carriers caused by the presence of impurities in Si and Ge. These methods are based on creating a pn junction with a small number of carriers in the detector.
Известны два основных типа детекторов на основе p-n-переходов:Two main types of detectors based on p-n junctions are known:
1) диффузные и поверхностно-барьерные детекторы;1) diffuse and surface-barrier detectors;
2) дрейфовые детекторы.2) drift detectors.
Диффузный детектор представляет собой p-n переход, включенный в обратном направлении. При этом образуется обедненная носителями область. Ионизация этой области частицей проникающего излучения приводит к формированию импульса тока. Поверхностно-барьерные детекторы похожи на диффузные, но обедненная область формируется на границе металл-полупроводник.The diffuse detector is a pn junction switched in the opposite direction. In this case, a region depleted in carriers is formed. The ionization of this region by a particle of penetrating radiation leads to the formation of a current pulse. Surface-barrier detectors are similar to diffuse, but the depletion region is formed at the metal-semiconductor interface.
Дрейфовый детектор характеризуется тем, что обедненная область формируется путем легирования донорами (ионами лития) полупроводников (Ge или Si) p-типа. Отметим, что после появления технологии создания сверхчистых полупроводниковых материалов (Electronic Grade Silicon, High Purity Germanium Crystals) с плотностью примесей ~ 1010 см-3 (примерно один примесный атом на миллиард атомов полупроводника), стало возможным их использование и в детекторах излучения.The drift detector is characterized in that the depletion region is formed by doping p-type semiconductors (Ge or Si) with donors (lithium ions). Note that after the advent of the technology for creating ultra-pure semiconductor materials (Electronic Grade Silicon, High Purity Germanium Crystals) with an impurity density of ~ 10 10 cm -3 (approximately one impurity atom per billion atoms of a semiconductor), it became possible to use them in radiation detectors.
Еще одной существенной проблемой является усиление слабого электрического сигнала, создаваемого отдельной частицей излучения в случае, если детектор предназначается для работы при относительно малых мощностях дозы излучения и представляет собой счетчик частиц.Another significant problem is the amplification of a weak electric signal generated by a single radiation particle in case the detector is designed to operate at relatively low radiation dose rates and is a particle counter.
Газоразрядные счетчики по конструкции похожи на ионизационную камеру, однако в них основную роль играет вторичная ионизация, обусловленная столкновениями первичных ионов с атомами и молекулами газа и стенок. Можно говорить о двух типах газоразрядных счетчиков: пропорциональных (в них газовый разряд несамостоятельный, т.е. гаснет при прекращении действия внешнего ионизатора) и счетчиках Гейгера-Мюллера (в них разряд самостоятельный, т.е. поддерживается после прекращения действия внешнего ионизатора).Gas-discharge counters are similar in design to an ionization chamber, but secondary ionization due to collisions of primary ions with atoms and molecules of the gas and walls plays the main role in them. We can talk about two types of gas-discharge counters: proportional (in them the gas discharge is non-self-sustaining, i.e., it goes out when the external ionizer ceases to function) and Geiger-Muller counters (in them the self-sustaining charge, i.e. is maintained after the termination of the action of the external ionizer).
В пропорциональных счетчиках рабочее напряжение выбирается так, чтобы они работали в области вольтамперной характеристики, соответствующей несамостоятельному разряду, в которой выходной импульс пропорционален первичной ионизации, т.е. энергии влетевшей в счетчик частицы. Поэтому они не только регистрируют частицу, но и измеряют ее энергию. В пропорциональных счетчиках импульсы, вызываемые отдельными частицами, усиливаются в 103-104 раз.In proportional counters, the operating voltage is selected so that they work in the region of the current-voltage characteristic corresponding to a non-self-sustained discharge, in which the output pulse is proportional to the primary ionization, i.e. energy flew into the particle counter. Therefore, they not only register a particle, but also measure its energy. In proportional counters, pulses caused by individual particles are amplified 10 3 -10 4 times.
Счетчик Гейгера-Мюллера по конструкции и принципу действия существенно не отличается от пропорционального счетчика, но работает в области вольтамперной характеристики, соответствующей самостоятельному разряду, когда выходной импульс не зависит от первичной ионизации. Счетчики Гейгера-Мюллера регистрируют частицу без измерения ее энергии. Коэффициент усиления этих счетчиков достигает 108. Для регистрации раздельных импульсов возникший разряд следует гасить. Для этого, например, последовательно включается такое сопротивление, чтобы возникший в счетчике разряд вызывал на сопротивлении падение напряжения, достаточное для прерывания разряда.The Geiger-Muller counter is not significantly different in design and operation principle from the proportional counter, but it works in the area of the current-voltage characteristic corresponding to an independent discharge, when the output pulse is independent of primary ionization. Geiger-Muller counters register a particle without measuring its energy. The gain of these counters reaches 10 8 . To register separate pulses, the resulting discharge should be extinguished. For this, for example, a resistance is switched on sequentially so that a discharge occurring in the counter causes a voltage drop on the resistance sufficient to interrupt the discharge.
Подобное лавинное усиление сигнала используют и в полупроводниковых устройствах.A similar avalanche signal amplification is used in semiconductor devices.
К настоящему времени разработано несколько основных типов фотоприемников с встроенным лавинным усилением сигнала:To date, several basic types of photodetectors with built-in avalanche signal amplification have been developed:
- лавинный фотодиод;- avalanche photodiode;
- кремниевый фотоэлектронный умножитель- silicon photomultiplier tube
Сам по себе лавинный процесс - типичное явление для всех полупроводниковых приборов. Именно лавинный пробой является частой причиной выхода из строя транзисторов и диодов и прочих полупроводниковых устройств. Лавинные фотодиоды сохраняют все полезные свойства обычных кремниевых детекторов. Однако работа детектора в лавинном режиме предъявляет особые требования к стабильности рабочей точки, так как коэффициент лавинного умножения имеет сильную зависимость от напряжения и от температуры. Эти требования ограничивают применение лавинных детекторов.The avalanche process itself is a typical phenomenon for all semiconductor devices. It is avalanche breakdown that is a common cause of failure of transistors and diodes and other semiconductor devices. Avalanche photodiodes retain all the useful properties of conventional silicon detectors. However, the operation of the detector in avalanche mode imposes special requirements on the stability of the operating point, since the avalanche multiplication coefficient has a strong dependence on voltage and temperature. These requirements limit the use of avalanche detectors.
Появление лавинных фотодиодов с отрицательной обратной связью, которая гасит лавинный процесс, позволило создать лавинный фотодиод, работающий в так называемой «гейгеровской» моде (APDg).The appearance of avalanche photodiodes with negative feedback, which quenches the avalanche process, allowed us to create an avalanche photodiode operating in the so-called “Geiger” mode (APDg).
Как и газоразрядный счетчик Гейгера-Мюллера, который способен регистрировать только факт прохождения ионизирующей частицы, так и APDg способен регистрировать лишь факт рождения фотоэлектронов под действием внешнего света, но не их количество.Like a Geiger-Muller gas discharge counter, which is capable of detecting only the fact of the passage of an ionizing particle, APDg is also capable of detecting only the fact of the production of photoelectrons under the influence of external light, but not their quantity.
Подобную, но несколько усовершенствованную конструкцию имеют PIN фотодиод, и металл-диэлектрик полупроводниковый фотодиод.A similar but somewhat improved design has a PIN photodiode, and a metal-dielectric semiconductor photodiode.
С целью решения проблемы с регистрацией интенсивности излучения разработан другой тип фотодетектора - кремниевый микропиксельный лавинный фотодиод MAPD (Micropixels Avalanche PhotoDiode). Подобный прибор также называется также называется SiPM (Silicon PhotoMultiplier), MPPC (multi-pixel photon counter), SiФЭУ.In order to solve the problem of detecting radiation intensity, another type of photodetector has been developed - silicon micropixel avalanche photodiode MAPD (Micropixels Avalanche PhotoDiode). A similar device is also called SiPM (Silicon PhotoMultiplier), MPPC (multi-pixel photon counter), SiPHE.
Данный вид детекторов представляет собой фотоприемник на основе упорядоченного набора (матрицы) пикселей (примерно 103 мм-2), выполненных на общей подложке. Каждый пиксель представляет из себя APDg, работающий в «гейгеровском» режиме, с коэффициентом умножения порядка 106, но весь MAPD представляет собой аналоговый детектор, так как выходной сигнал MAPD есть сумма сигналов со всех пикселей, сработавших при поглощении ими фотонов.This type of detector is a photodetector based on an ordered set (matrix) of pixels (approximately 10 3 mm -2 ) made on a common substrate. Each pixel is an APDg operating in the "Geiger" mode, with a multiplication factor of the order of 10 6 , but the entire MAPD is an analog detector, since the MAPD output signal is the sum of the signals from all the pixels that triggered when they absorbed photons.
Как правило, полупроводниковые устройства с лавинным усилением сигнала для целей детектирования γ-излучения используются совместно со сцинтилляторным модулем, преобразующим высокоэнергетические частицы (с энергией ~1 МэВ) в пучки квантов света (с энергией ~ 1 эВ). Это связано с тем, что чувствительные элементы полупроводниковых устройств являются достаточно тонкими и вероятность поглощения в ней γ-кванта мала. Между тем кванты света в p-n переходах поглощаются с высокой вероятностью, а сцинтилляторы, в принципе, могут иметь большие размеры, что, с одной стороны, является достоинством, а с другой - недостатком, когда размеры детектора имеют ограничения по габаритам.As a rule, semiconductor devices with avalanche signal amplification for detecting γ-radiation are used together with a scintillator module that converts high-energy particles (with an energy of ~ 1 MeV) into beams of light quanta (with an energy of ~ 1 eV). This is due to the fact that the sensitive elements of semiconductor devices are quite thin and the probability of absorption of a γ-quantum in it is small. Meanwhile, light quanta in p-n junctions are absorbed with high probability, and scintillators, in principle, can have large sizes, which, on the one hand, is an advantage and, on the other, a disadvantage, when the dimensions of the detector are limited in size.
Из уровня техники известен патент РФ №2061282 от 30.11.1993 г., опубликованный 27.05.1996 г. «Полупроводниковый детектор ионизирующего излучения», в котором реализован способ регистрации ионизирующих излучений, основанный на эффекте ионизации, который заключается в том, что к электродам полупроводникового детектора прикладывают напряжение 50 В с целью формирования двух обратно смещенных p-n-переходов и соответственно двух областей пространственных зарядов. Падающее излучение, взаимодействуя с материалом полупроводника, вследствие Комптоновского рассеяния приводит к возникновению вторичных электронов, которые, в свою очередь, создают электронно-дырочные пары, что приводит к импульсу электрического тока, который можно регистрировать подключением к электродам измерительного прибора.The patent of the Russian Federation No. 2061282 dated November 30, 1993, published on May 27, 1996 for a “semiconductor ionizing radiation detector”, which implements a method for detecting ionizing radiation based on the ionization effect, which consists in the use of semiconductor electrodes, is known from the prior art. a voltage of 50 V is applied to the detector in order to form two reverse biased pn junctions and, accordingly, two regions of space charges. The incident radiation, interacting with the semiconductor material, due to Compton scattering leads to the appearance of secondary electrons, which, in turn, create electron-hole pairs, which leads to an electric current pulse that can be detected by connecting to the electrodes of the measuring device.
Способ регистрации проникающего излучения, реализованный в полупроводниковом детекторе ионизирующего излучения, является наиболее близким по технической сущности к предлагаемому и поэтому выбран в качестве прототипа.The method of detecting penetrating radiation, implemented in a semiconductor ionizing radiation detector, is the closest in technical essence to the proposed one and is therefore selected as a prototype.
Недостатком прототипа является низкая чувствительность к ионизирующему излучению.The disadvantage of the prototype is the low sensitivity to ionizing radiation.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Решаемой задачей является создание способа регистрации ионизирующих излучений с расширенными функциональными возможностями.The problem to be solved is to create a method for detecting ionizing radiation with enhanced functionality.
Достигаемым техническим результатом является увеличение чувствительности детектора ионизирующих излучений с обеспечением возможности спектрометрии излучения путем регистрации единичных частиц ионизирующего излучения с возможностью определения их энергии.Achievable technical result is to increase the sensitivity of the detector of ionizing radiation with the possibility of radiation spectrometry by recording single particles of ionizing radiation with the ability to determine their energy.
Для достижения технического результата в способе регистрации ионизирующих излучений, основанном на эффекте ионизации, который заключается в том, что используют, по крайней мере, одну ионизационную ячейку, к электродам которой прикладывают разность электрических потенциалов, осуществляют регистрацию ионизирующих излучений путем непрерывного измерения электрического тока, протекающего через ионизационную ячейку, новым является то, что объем V ионизационной ячейки выбирают из соотношений:To achieve a technical result in a method of detecting ionizing radiation based on the ionization effect, which consists in using at least one ionization cell with an electric potential difference applied to the electrodes, ionizing radiation is recorded by continuously measuring the electric current flowing through the ionization cell, it is new that the volume V of the ionization cell is selected from the relations:
V1/3>le,V 1/3 > l e ,
Ne>k·(n0·V)1/2 N e > k · (n 0 · V) 1/2
где le - средняя длина пробега до ионизации носителей тока, выбитых ионизирующей частицей;where l e is the average path length to ionization of current carriers knocked out by an ionizing particle;
Ne - среднее число носителей тока, выбитых ионизирующей частицей;N e is the average number of current carriers knocked out by an ionizing particle;
n0 - равновесная концентрация носителей тока в полупроводнике при заданной температуре измерения;n 0 is the equilibrium concentration of current carriers in a semiconductor at a given measurement temperature;
k - коэффициент, равный отношению амплитуды распознаваемого в зависимости от используемой аппаратуры и методов математической обработки сигнала, к уровню шума,k is a coefficient equal to the ratio of the amplitude recognized, depending on the equipment used and the methods of mathematical processing of the signal, to the noise level,
а для последующей обработки производят независимое усиление сигнала от каждой ионизационной ячейки с использованием полевого эффекта.and for subsequent processing, independent amplification of the signal from each ionization cell is performed using the field effect.
Сущность изобретения состоит в том, чтобы выделить объем ионизационной ячейки в детекторе излучения, который содержит количество тепловых носителей тока такое, что флуктуации количества носителей будут соизмеримы с тем дополнительным количеством носителей, которые образуются в одном акте рассеяния ионизирующей частицы. В этом случае можно рассчитывать, что удастся относительно легко, без привлечения криогенной техники и непосредственного лавинного усиления сигнала в сильном электрическом поле (при напряжениях сотни вольт-киловольты), регистрировать с использованием полевого транзисторного усиления единичные события рассеяния квантов проникающей радиации. Далее, создавая по планарной технологии массив параллельно работающих элементарных датчиков, создавая сотовую структуру датчика в целом, можно достичь требуемой суммарной чувствительности устройства. Линейность характеристики детектора, обеспечиваемое использованием полевых транзисторных усилителей и пропорциональность количества выбитых электронов энергии ионизирующей частицы, позволят определять энергетический спектр излучения.The essence of the invention is to isolate the volume of the ionization cell in the radiation detector, which contains the number of thermal current carriers such that fluctuations in the number of carriers will be commensurate with the additional number of carriers that are formed in one act of scattering of the ionizing particle. In this case, it can be expected that it will be relatively easy, without involving cryogenic technology and direct avalanche amplification of the signal in a strong electric field (at voltages of hundreds of volt-kilovolts), to record using the field transistor amplification single events of scattering of quanta of penetrating radiation. Further, by creating according to planar technology an array of elementary sensors working in parallel, creating a cellular structure of the sensor as a whole, it is possible to achieve the required total sensitivity of the device. The linearity of the detector characteristics, provided by the use of field-effect transistor amplifiers and the proportionality of the number of knocked out electrons of the energy of the ionizing particle, will determine the energy spectrum of the radiation.
Рассмотрим выражение для электрического сопротивления R чувствительного элемента поперечным сечением S, длиной l, содержащий носители тока с концентрацией n, подвижностью µ и имеющие электрический заряд е.Consider the expression for the electrical resistance R of the sensing element with a cross section S, length l, containing current carriers with a concentration n, mobility μ and having an electric charge e.
Как отмечалось, для повышения чувствительности детектора необходимо повышение электрического сопротивления ионизационной ячейки. Подвижность носителей не может быть уменьшена ввиду необходимости обеспечения заметного ионизационного тока. Минимальная концентрация носителей при заданной температуре определяется свойствами полупроводника (шириной запрещенной зоны) и не может быть уменьшена. Однако уменьшая масштаб ионизационной ячейки устройства (пропорционально уменьшая все его размеры), согласно (1) мы повышаем величину R, т.к. при этом длина l уменьшается линейно, а площадь S - квадратично. Путем создания массива из подобных элементарных ионизационной ячеек каждая из которых подключена к отдельному усилителю сигнала (на основе, например, полевого транзистора), по существу конструируется новый материал с высоким электрическим сопротивлением и с высокой чувствительностью к проникающему излучению.As noted, to increase the sensitivity of the detector, it is necessary to increase the electrical resistance of the ionization cell. The mobility of the carriers cannot be reduced due to the need to provide a noticeable ionization current. The minimum carrier concentration at a given temperature is determined by the properties of the semiconductor (band gap) and cannot be reduced. However, reducing the scale of the ionization cell of the device (proportionally reducing all its sizes), according to (1) we increase the value of R, because the length l decreases linearly, and the area S quadratically. By creating an array of similar elementary ionization cells, each of which is connected to a separate signal amplifier (based on, for example, a field-effect transistor), essentially a new material is constructed with high electrical resistance and high sensitivity to penetrating radiation.
Из уровня техники неизвестны способы создания детекторов ионизирующих излучений с выбором выделенных объемов ионизационных ячеек на основе критерия соответствия числа носителей тока выбиваемых ионизирующей частицей, величине среднеквадратичной тепловой флуктуаций числа носителей тока в ячейке, с полевым усилением ионизационного сигнала каждой ячейки, следовательно, изобретение соответствует критерию "новизна".The prior art does not know how to create ionizing radiation detectors with a choice of selected volumes of ionization cells based on the criterion for matching the number of current carriers knocked out by the ionizing particle, the value of the rms thermal fluctuation of the number of current carriers in the cell, with field amplification of the ionization signal of each cell, therefore, the invention meets the criterion " novelty".
Отсутствие отличительных признаков в известных аналогах говорит о том, что заявляемое изобретение очевидным образом не следует из аналогов и прототипа, ввиду чего оно соответствует критерию "изобретательский уровень".The absence of distinguishing features in the known analogues means that the claimed invention obviously does not follow from analogues and prototype, in view of which it meets the criterion of "inventive step".
Область промышленного применения заявляемого изобретения может быть весьма широкой - это как научно-исследовательское оборудование, так и средства радиационной защиты, в том числе бытовые. Последнее обстоятельство обусловлено тем, что устройства по заявляемому изобретению могут быть полностью выполнены с использованием микроэлектронных технологий, обеспечивающих при массовом изготовлении низкую стоимость изделий. Соответственно заявляемое изобретение соответствует критерию "промышленная применимость".The scope of industrial application of the claimed invention can be very broad - it is both research equipment and radiation protection equipment, including household ones. The latter circumstance is due to the fact that the devices according to the claimed invention can be fully implemented using microelectronic technologies, which ensure low cost of products during mass production. Accordingly, the claimed invention meets the criterion of "industrial applicability".
Заявляемый способ реализуется устройством, представленным на фигурах.The inventive method is implemented by the device shown in the figures.
Перечень фигур чертежейList of drawings
На фиг.1 представлен эскиз ионизационной ячейки. 1 - выделенный объем полупроводника с собственной проводимостью; 2 - изолятор; 3 - электроды.Figure 1 presents a sketch of the ionization cell. 1 - selected volume of a semiconductor with its own conductivity; 2 - insulator; 3 - electrodes.
На фиг.2 представлен ряд ионизационных ячеек, нагруженных на отдельные усилители, причем все устройство выполнено на одной полупроводниковой пластине. 4 - усилитель (на полевом транзисторе); 5 - подложка; 6 - устройство сбора, обработки и передачи данных: 7 - линия связи с внешними устройствами.Figure 2 presents a number of ionization cells loaded on separate amplifiers, and the whole device is made on one semiconductor wafer. 4 - amplifier (field-effect transistor); 5 - substrate; 6 - device for collecting, processing and transmitting data: 7 - communication line with external devices.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения.Information confirming the possibility of carrying out the invention.
Способ реализуется следующим образом.The method is implemented as follows.
Устройство регистрации квантов ионизирующих излучений содержит ионизационную ячейку, включающую в себя выделенный объем полупроводника с собственной проводимостью 1, окруженного изолятором 2, с нанесенными электродами 3. Объем полупроводника равен V. В качестве полупроводника 1 используется нелегированный кремний (Electronic Grade Silicon) с собственной концентрацией носителей n0=1.5·1010 см-3, чему соответствует собственное удельное объемное сопротивление ρ=2.3·105 Ом·см. В качестве изолятора - окись кремния SiO2. Электроды 3 образуют с кремнием омические контакты.The device for detecting quantization of ionizing radiation contains an ionization cell, which includes the allocated volume of a semiconductor with its
В среднем, в этом выделенном объеме будет находиться N0=n0·V электронов. Средняя относительная величина флуктуаций количества электронов пропорциональна
Для обеспечения нормальной работы всей детектирующей системы число созданных ионизирующей частицей электронов проводимости Ne должно быть заметно на фоне тепловых флуктуаций количества электронов в объеме V - δN0. Возможности выделения полезного сигнала на фоне шумов определяются как используемой электронной регистрирующей аппаратурой, так и используемыми методами математической обработки сигнала. Задача здесь облегчается тем обстоятельством, что в принципе известно, какого типа сигнал следует искать. В таких условиях возможно выделение сигнала глубоко под уровнем шума. В целом, используя (2) данное условие, можно записать в следующем виде:To ensure the normal operation of the entire detecting system, the number of conduction electrons N e created by the ionizing particle should be noticeable against the background of thermal fluctuations in the number of electrons in the volume V - δN 0 . The possibilities of extracting a useful signal against a background of noise are determined both by the electronic recording equipment used and the methods used for mathematical processing of the signal. The task here is facilitated by the fact that, in principle, it is known what type of signal should be sought. In such conditions, it is possible to isolate the signal deep below the noise level. In general, using (2) this condition can be written in the following form:
Ne - среднее число носителей тока, выбиваемых ионизирующей частицей, n0 - равновесная концентрация носителей тока в полупроводнике при заданной температуре измерения, k - коэффициент, равный отношению амплитуды распознаваемого в зависимости от используемой аппаратуры и методов математической обработки сигнала к уровню шума.N e is the average number of current carriers knocked out by an ionizing particle, n 0 is the equilibrium concentration of current carriers in a semiconductor at a given measurement temperature, k is a coefficient equal to the ratio of the amplitude recognized, depending on the equipment used and the methods of mathematical processing of the signal to the noise level.
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.
Конфигурация объема полупроводника может оптимизироваться в каждом конкретном случае путем проведения численных расчетов.The configuration of the semiconductor volume can be optimized in each case by numerical calculations.
Существенным условием оптимальной работы устройства является минимизация числа электронов лавины, инициированной ионизирующей частицей (например, γ-квантом), покинувших выделенный объем полупроводника 1. Если направление на источник излучения заранее не известно, то предпочтительно, чтобы размер объема 1 по всем трем осям координат был бы равный. Соответственно должно выполняться условие:An essential condition for the optimal operation of the device is to minimize the number of avalanche electrons initiated by an ionizing particle (for example, a γ-quantum) that leave the selected volume of
где le - средняя длина пробега до ионизации носителей тока, выбитых квантом проникающего излучения.where l e is the average path length before ionization of current carriers knocked out by a quantum of penetrating radiation.
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.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.
К электродам 3 полупроводника 1 прикладывается напряжение U=1 В. 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 ve=µe·E=1.3·104 см/с. Соответственно время пересечения электроном межэлектродного промежутка h составит величину th=h/ve=8·10-6 с. 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.A voltage U = 1 V is applied to the
Пусть налетающий γ-квант с энергией 0.5 МэВ выбил в объеме 1 комптоновский электрон, который создал Neγ электронов проводимости. В данном случае Neγ=4.5·104 (энергия образования электронно-дырочной пары в кремнии Eeh=3.8 эВ). Эти избыточные электроны уйдут из объема полупроводника за время th, создав импульс тока амплитудой Iγ=e·Neγ/th=0.9·10-9 А. Отметим, что для V=1 мм3 имеем N0=1.5·107 и δN0=1.2·104.Let an incident γ-quantum with an energy of 0.5 MeV knock out 1 Compton electron in the volume, which created N eγ conduction electrons. In this case, N eγ = 4.5 · 10 4 (the energy of formation of an electron – hole pair in silicon is E eh = 3.8 eV). 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. Note that for V = 1 mm 3 we have N 0 = 1.5 · 10 7 and δN 0 = 1.2 · 10 4 .
Электроды 3 полупроводника 1 подключены ко входу усилителя 4 на основе полевого транзистора с входной емкостью Свх=1.5 пФ (например, типа BF998). Заряд облака выбитых γ-квантом электронов составит Qγ=e·Neγ=0.7·10-14 К. Напряжение импульсного сигнала на входе транзистора, соответствующее выделившемуся на входной емкости Свх заряду Qγ составит величину Uγ=Qγ/Свх=5 мВ. Измеряя амплитуду сигнала чувствительного элемента, можно определить количество выбитых γ-квантом электронов и, соответственно оценить энергию γ-кванта. Соответственно усиленный сигнал поступает на устройство сбора, обработки и передачи данных 6, которое передает данные по линии связи 7 на внешние устройства дальнейшей обработки (измерения амплитуд сигналов), хранения данных, построения спектральных характеристик и визуализации.The
При массовом производстве устройств регистрации квантов по заявляемому способу может оказаться экономически целесообразным изготавливать выделенные объемы 1, изоляторы 2, электроды 3, усилители 4, устройство сбора, обработки и передачи данных 6 на одной подложке 5 по единой микроэлектронной технологии.In the mass production of quantum registration devices by the present method, it may be economically feasible to produce allocated
Оценим характеристики излучения, воздействующего на чувствительный элемент. Пусть устройство регистрации на основе кремния находится в потоке γ-квантов с мощностью экспозиционной дозы
Плотность падающего потока γ-квантов jγ связана со скоростью их поглощения через величину их среднего пробега l 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 mean free path l or the reciprocal of this parameter, µ.
При рассматриваемых значениях параметров получаем, что дозе 100 мкР/час соответствует поток излучения jγ=12 квантов/см2·с. Далее можно оценить частоту отсчетов νγ 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, νγ≈2·10-3 с-1.Substituting the parameter values, we obtain ν γ ≈2 · 10 -3 s -1 .
Частоту отсчетов можно повысить, создав на поверхности кремниевой пластины ряд ионизационных ячеек. Их число N можно выбрать из следующих соображений. Пусть P1 - зависящая от спектральных характеристик ионизирующего излучения вероятность регистрации единичной частицы одной ионизационной ячейкой, а РΣ - заданная суммарная вероятность регистрации частицы ионизирующего излучения. Тогда число ионизационных ячеек N выбирается из соотношения:The sampling rate can be increased by creating a series of ionization cells on the surface of the silicon wafer. Their number N can be chosen from the following considerations. Let P 1 be the probability of detecting a single particle by one ionizing cell, depending on the spectral characteristics of ionizing radiation, and P Σ the given total probability of detecting a particle of ionizing radiation. Then the number of ionization cells N is selected from the relation:
Так, если на 1 см2 изготовить 100 параллельно работающих ионизационных ячеек, то средняя частота счета составит уже 0.2 с-1. В одном детекторе излучения можно расположить несколько слоев пластин с ионизационными ячейками. Такое решение позволяет создать компактное устройство с высокой вероятностью регистрации частиц.So, if for 1 cm 2 we produce 100 parallel-operating ionization cells, then the average counting frequency will be already 0.2 s -1 . In one radiation detector, it is possible to arrange several layers of plates with ionization cells. This solution allows you to create a compact device with a high probability of particle registration.
Дополнительная стоимость в этом случае практически будет определяться только стоимостью дополнительной площади кремния (стоимость кремниевой пластины Electronic Grade Silicon диаметром 300 мм составляет примерно $ 100, соответственно стоимость 1 см2 составляет примерно $ 0.15). Устройства регистрации ионизирующих частиц по заявляемому способу может быть создано и на основе других широкозонных полупроводников - арсенида галлия (GaAs) и фосфида галлия (GaP) и т.д.The additional cost in this case will be practically determined only by the cost of the additional silicon area (the cost of an Electronic Grade Silicon silicon wafer with a diameter of 300 mm is approximately $ 100, respectively, the cost of 1 cm 2 is approximately $ 0.15). The device for detecting ionizing particles by the present method can be created on the basis of other wide-gap semiconductors - gallium arsenide (GaAs) and gallium phosphide (GaP), etc.
Таким образом, в заявленном изобретении обеспечивается возможность регистрации и измерения энергии отдельных частиц ионизирующих излучений (γ-квантов, α и β-частиц), что решает поставленную техническую задачу повышения чувствительности детектора ионизирующих излучений с возможностью спектрометрии потока радиации.Thus, in the claimed invention, it is possible to register and measure the energy of individual particles of ionizing radiation (γ-quanta, α and β-particles), which solves the stated technical problem of increasing the sensitivity of the detector of ionizing radiation with the possibility of spectrometry of the radiation flux.
Claims (1)
V1/3>le,
Ne>k·(n0·V)l/2,
где le - средняя длина пробега до ионизации носителей тока, выбитых квантом проникающего излучения;
Ne - среднее число носителей тока, выбитых квантом проникающего излучения;
n0 - равновесная концентрация носителей тока в полупроводнике при заданной температуре измерения;
k - коэффициент, равный отношению амплитуды распознаваемого в зависимости от используемой аппаратуры и методов математической обработки сигнала к уровню шума,
а для последующей обработки производят независимое усиление сигнала от каждой ионизационной ячейки с использованием полевого эффекта. A method for detecting ionizing radiation, based on the effect of ionization, which consists in using at least one ionization cell with an electric potential difference applied to the electrodes, recording ionizing radiation by continuously measuring the electric current flowing through the ionization cell, which differs the fact that the volume V of the ionization cell is selected from the relations:
V 1/3 > l e ,
Ne > k (n 0 V) l / 2 ,
where l e is the average path length before ionization of current carriers knocked out by a quantum of penetrating radiation;
N e is the average number of current carriers knocked out by a quantum of penetrating radiation;
n 0 is the equilibrium concentration of current carriers in a semiconductor at a given measurement temperature;
k is a coefficient equal to the ratio of the amplitude recognized, depending on the equipment used and the methods of mathematical processing of the signal to the noise level,
and for subsequent processing, independent amplification of the signal from each ionization cell is performed using the field effect.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011153190/28A RU2484554C1 (en) | 2011-12-27 | 2011-12-27 | Method of detecting ionising radiation |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011153190/28A RU2484554C1 (en) | 2011-12-27 | 2011-12-27 | Method of detecting ionising radiation |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2484554C1 true RU2484554C1 (en) | 2013-06-10 |
Family
ID=48785863
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2011153190/28A RU2484554C1 (en) | 2011-12-27 | 2011-12-27 | Method of detecting ionising radiation |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2484554C1 (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2545338C1 (en) * | 2013-11-06 | 2015-03-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения Российской академии наук (ИЯФ СО РАН) | Method of obtaining projection x-ray pictures and apparatus therefor |
RU2589350C1 (en) * | 2015-04-21 | 2016-07-10 | Акционерное общество "Концерн радиостроения "Вега" | Device for protection of electronics exposed to pulsed ionising radiation |
RU2730392C1 (en) * | 2020-01-14 | 2020-08-21 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Neutron scintillation detector |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2138065C1 (en) * | 1993-10-28 | 1999-09-20 | Радос Текнолоджи Ой | Process detecting ionizing radiation, detector and use of field-effect metal-oxide-semiconductor transistor in it |
RU2150130C1 (en) * | 1999-02-15 | 2000-05-27 | Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН | Method for radiation detection |
RU2293999C1 (en) * | 2006-01-23 | 2007-02-20 | Вячеслав Михайлович Мосяж | Method of detection and measurement of weak flows of ionizing radiations |
US20110049377A1 (en) * | 2009-08-26 | 2011-03-03 | Daniel Morf | Characterizing radiotherapy beams based on image detection array data |
-
2011
- 2011-12-27 RU RU2011153190/28A patent/RU2484554C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2138065C1 (en) * | 1993-10-28 | 1999-09-20 | Радос Текнолоджи Ой | Process detecting ionizing radiation, detector and use of field-effect metal-oxide-semiconductor transistor in it |
RU2150130C1 (en) * | 1999-02-15 | 2000-05-27 | Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН | Method for radiation detection |
RU2293999C1 (en) * | 2006-01-23 | 2007-02-20 | Вячеслав Михайлович Мосяж | Method of detection and measurement of weak flows of ionizing radiations |
US20110049377A1 (en) * | 2009-08-26 | 2011-03-03 | Daniel Morf | Characterizing radiotherapy beams based on image detection array data |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2545338C1 (en) * | 2013-11-06 | 2015-03-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения Российской академии наук (ИЯФ СО РАН) | Method of obtaining projection x-ray pictures and apparatus therefor |
RU2589350C1 (en) * | 2015-04-21 | 2016-07-10 | Акционерное общество "Концерн радиостроения "Вега" | Device for protection of electronics exposed to pulsed ionising radiation |
RU2730392C1 (en) * | 2020-01-14 | 2020-08-21 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Neutron scintillation detector |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Nakhostin | Signal processing for radiation detectors | |
JP6381638B2 (en) | Semiconductor scintillation detector | |
US6771730B1 (en) | Boron-carbide solid state neutron detector and method of using the same | |
US9778378B2 (en) | Detector configuration with semiconductor photomultiplier strips and differential readout | |
US9018589B2 (en) | Direct conversion X-ray detector | |
Guardiola et al. | Ultra-thin 3D silicon sensors for neutron detection | |
Renker | New developments on photosensors for particle physics | |
US9831375B2 (en) | Solid state radiation detector with enhanced gamma radiation sensitivity | |
US9733365B2 (en) | Gamma ray detector and method of detecting gamma rays | |
Fernandes et al. | Characterization of large area avalanche photodiodes in X-ray and VUV-light detection | |
CN103913763A (en) | Radiation detector and radiation detection device | |
RU2484554C1 (en) | Method of detecting ionising radiation | |
Eisen | Current state-of-the-art applications utilizing CdTe detectors | |
Rybka et al. | Gamma-radiation dosimetry with semiconductor CdTe and CdZnTe detectors | |
Herbert et al. | Study of SiPM as a potential photodetector for scintillator readout | |
US9086490B2 (en) | Red boron solid state detector | |
Yue et al. | Performance of ultra-small silicon photomultiplier array with active area of 0.12 mm× 0.12 mm | |
McGregor | Semiconductor radiation detectors | |
WO2000033106A1 (en) | Boron-carbide solid state neutron detector and method of using same | |
KR20140022183A (en) | Electronic radiation dosimeter using silicon photo multiplier | |
Frederick et al. | Properties of a new CdTe detector for nuclear medicine | |
Hawkes | Novel neutron detectors: looking for an improved dose response in active personal dosemeters. | |
Castro et al. | Impact of dark counts in low-light level silicon photomultiplier multi-readout applications | |
Prettyman et al. | Effect of differential bias on the transport of electrons in coplanar grid CdZnTe detectors | |
Isayev et al. | MAPD type avalanche photodetectors |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20171228 |