СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ, ДЕТЕКТОР И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПОЛЕВОГО МОП-ТРАНЗИСТОРА В НЕМ Российский патент 1999 года по МПК G01T1/24 H01L27/14 G01T1/02 A61B6/00 

Предметом изобретения является способ, предназначенный для обнаружения ионизирующего излучения с помощью дозиметра, который включает в себя полевой МОП-транзистор, снабженный плавающим затвором. Другие предметы изобретения представляют собой дозиметр, предназначенный для выполнения способа, и использование полевого МОП-транзистора для обнаружения ионизирующего излучения.

Задача изобретения
Может потребоваться устройство, предназначенное для обнаружения ионизирующего излучения, имеющее следующие свойства:
1. Простая конструкция.

2. Способность работать в качестве "пассивного" детектора, то есть детектора без источника электропитания, при измерении интегральной дозы излучения.

3. Достаточная чувствительность (меньше 1 мбэр или 1 мкЗв (бэр - биологический эквивалент рентгена; Зв - единица измерений Зиверт), для обеспечения возможности использования при контроле личного и окружающего излучения.

4. Достаточно широкий диапазон низких энергий для обнаружения рентгеновского излучения и гамма-излучения низких энергий, начиная от уровня 10 кэВ (кило-электрон-вольт) или меньше.

5. Способность обнаружения заряженных частиц, таких как бета-частицы, протоны, альфа-частицы и нейтроны, где оказывается подходящей окружающая детектор конфигурация.

6. Электронный вывод, обеспечивающий возможность непосредственного считывания мощности дозы без ее разрушения, дающий возможность конструирования измерительных приборов с непосредственным считыванием.

7. Простой и имеющий низкую стоимость способ считывания, позволяющий конструировать карманные дозиметры непосредственного считывания.

Известный уровень техники
Однако устройства обработки с вышеописанными свойствами неизвестны. Например, в соответствии с известным уровнем техники для обнаружения ионизирующего излучения можно использовать следующие устройства.

1. Дозиметры на фотолюминесцентном стекле.

Дозиметр на фотолюминесцентном стекле удовлетворяет большей части вышеустановленных требований, за исключением последнего, касающегося простого и дешевого способа считывания. Это происходит из-за того, что используемые в настоящее время способы считывания основаны на высокоточных источниках ультрафиолетового излучения, которые объединены с оптическими фильтрами и детекторами флюоресценции, предназначенными для измерения флюоресцентного излучения, когда материал подвергается воздействию ультрафиолетового излучения. Кроме того, используемый в этом способе материал, то есть фосфатное стекло, чувствителен к воздействиям окружающей среды и требует большого внимания при манипулировании и в процессе измерения.

2. Емкостный дозиметр.

Наилучшим известным емкостным дозиметром является так называемый ДКР (дозиметр с кварцевой нитью), который известен также под названием КИК или карманной ионизационной камеры. В ней объединен емкостный дозиметр с интегрирующим электрометром, который пользователь может считывать посредством наблюдений за нитью, то есть за отклонением нити. На практике емкостный дозиметр удовлетворяет всем вышеустановленным требованиям, за исключением того, что в нем отсутствует простой способ электронного считывания без разрушения информации.

Ранее были разработаны электронные способы считывания, основанные на определении оптическим путем положения нити электрометра, но эти способы не обеспечивали достаточно хорошее функционирование при считывании карманного устройства. Другие емкостные дозиметры, включая так называемые электронные дозиметры, также не обеспечивают считывания без разрушения информации.

3. Дозиметр на МОП-структуре.

Дозиметр на МОП-структуре основан на измерении постоянных изменений, которые служат причиной деградации изолирующего слоя двуокиси кремния в полевом МОП-транзисторе, вызываемой излучением. Эти устройства удовлетворяют всем другим требованиям, за исключением достаточной чувствительности. Следовательно, они подходят для измерения высоких доз, начиная примерно с 1 бэр или 10 мЗв.

Дозиметр на МОП-структуре описан в патенте США N 4788581. В этом дозиметре имеется слой двуокиси кремния с встроенным в него плавающим затвором на кремниевой подложке, предназначенный для сбора ионных пар с твердого вещества. Поскольку подвижность ионных пар в твердом веществе плохая, на плавающем затворе добавляют подключенный к источнику питания затвор, чтобы осуществлять более эффективный сбор зарядов, на плавающем затворе. Это означает, что участок между затворами образует в этом устройстве чувствительный к излучению участок.

Из-за конструкции представленного в публикации патента N 4788581 дозиметра его чувствительность плохая. Он подходит для измерения излучения с интенсивностью 1 бэр или 10 мЗв или выше. Следовательно, он не подходит для контроля персонального излучения, которое требует чувствительности измерения в диапазоне 1 мкЗв или 0,1 мбэр.

Общий недостаток устройств измерения излучения состоит в том, что действие излучения оказывается постоянным или по меньшей мере "квазипостоянным". Это означает, что требуется специальная обработка для реверсирования действий излучения, чтобы устройство стало повторно используемым. Тем не менее, основное требование состоит в том, чтобы устройство измерения излучения было электрически реверсивным.

Краткое изложение сущности изобретения
Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы устранить вышеупомянутую проблему и предложить способ, который не имеет предшествующих недостатков.

Характерная особенность соответствующего изобретению способа состоит в том, что допускается воздействие ионизирующего излучения на поверхность плавающего затвора полевого МОП-транзистора через открытое воздушное или газовое пространство либо закрытое воздушное или газовое пространство, так что на поверхности затвора имеется незакрытый участок или участок, закрытый с помощью проводника, полупроводника или тонкого изолятора.

Толщина изоляционного слоя не может превышать, например, 5 мм, чтобы обеспечивать возможность прохождения зарядов через него к действительному затвору. Однако наиболее предпочтительно часть поверхности затвора совершенно не покрывают.

Характерной особенностью соответствующего изобретения дозиметра является то, что по меньшей мере часть поверхности плавающего затвора полевого МОП-транзистора не покрывают или покрывают проводником, полупроводником или тонким изолятором, а поверхность плавающего затвора располагают в открытом воздушном или газовом пространстве либо в закрытом воздушном или газовом пространстве.

Характерной особенностью использования полевого МОП-транзистора в свете изобретения, предназначенного для определения ионизирующего излучения является то, что заряд образуется на плавающем затворе полевого МОП-транзистора, причем заряд изменяется в результате ионизирующего излучения, которое действует на транзистор, а доза излучения определяется изменением, которое происходит в заряде на затворе.

Изобретение основано на измерении воздействия ионизирующего излучения на электрический заряд, запомненный в емкости плавающего затвора полевого МОП-транзистора или транзистора со структурой металл-оксид-кремний. Известно, что полевые МОП-транзисторы, обеспеченные плавающими затворами, обладают превосходными свойствами сохранения зарядов. Поэтому они хорошо подходят для изготовления энергонезависимых запоминающих устройств, которые включают в себя цифровые и аналоговые стираемые программируемые постоянные запоминающие устройства (СППЗУ) и электрически стираемые программируемые постоянные запоминающие устройства (ЭСППЗУ). В типичном запоминающем элементе на полевых МОП-транзисторах при "пассивных", то есть не смещаемых, условиях эффективный чувствительный к излучению объем состоит главным образом из изолирующего оксидного слоя. Это означает, что объем чувствительной к излучению подложки настолько маленький, что эти устройства оказываются нечувствительными к ионизирующему излучению, за исключением очень высоких доз (больше 1 кRad) (где Rad представляет единицу облучения, равную 100 эрг энергии на 1 г ткани).

Следовательно, изобретение основано на увеличении эффективного чувствительного к излучению объема, например, посредством введения маленького объема газа в пространство, окруженное материалом сравнительно толстой стенки, причем пространство непосредственно окружает затвор полевого МОП-транзистора в полевом МОП-транзисторе, снабженном плавающим затвором. Назначение объема газа и материала стенки состоит в том, что они действуют в качестве эффективного объема подложки, в котором происходит ионизация.

Электроны или положительные ионы, которые образуются в этом объеме газа, собираются посредством затвора под действием электрического поля, окружающего затвор, после того, как он вначале зарядится до соответствующего потенциала. Первоначальное накопление заряда выполняется обычным способом, например посредством применения метода туннелирования по Фаулеру-Норхайму.

Посредством измерения проводимости канала между стоковой и истоковой областями транзистора можно определять величину заряда затвора без разрушения самого заряда. Это аналогично считыванию информации, запомненной в аналоговом ЭСППЗУ.

Общую чувствительность к излучению можно регулировать посредством требуемого увеличения или уменьшения емкости затвора с помощью изменения конструкции полевого МОП-транзистора. Для уменьшения чувствительности можно использовать внешнюю параллельную емкость.

Энергетическую характеристику детектора можно определить посредством выбора соответственно газа, давления газа и материала стенки, окружающего газовое пространство. Если объем газа, давление газа и окружающий материал стенки выбраны таким образом, чтобы они оказались эквивалентными ткани, дозиметрическая характеристика детектора близко согласуется с характеристикой ткани человека и позволяет изготавливать тканеэквивалентный индивидуальный дозиметр.

Краткое описание чертежей
Описание изобретения выполняется с помощью нижеприведенных примеров со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг. 1 представляет схематический вид в разрезе соответствующего изобретению детектора.

Фиг. 2 представляет второй вариант соответствующего показанному на фиг. 1 детектора.

Фиг. 3 представляет третий вариант соответствующего показанному на фиг. 1 детектора.

Фиг. 4 представляет четвертый вариант соответствующего показанному на фиг. 1 детектора.

Фиг. 5 представляет пятый вариант соответствующего показанному на фиг. 1 детектора.

Фиг. 6 представляет устройство считывания излучения показанного на фиг. 5 детектора.

Фиг. 7 представляет шестой вариант детектора.

На фиг. 1 схематически показан относящийся к изобретению детектор, который в своем наипростейшем случае представляет всего лишь полевой МОП-транзистор 10. Заряд образуется на затворе 13 транзистора 10, например, посредством приложения достаточно высокого напряжения между истоковой областью 11 и стоковой областью 12. Это вызывает явление туннелирования по Фаулеру-Нордхайму, осуществляющееся через оксидный слой изолятора затвора 14, создавая установку требуемого заряда потенциала на неподсоединенном, то есть плавающем затворе 13.

Заряд на затворе 13, как правило, может быть либо положительным, либо отрицательным при условии, что он отличается от заряда кремниевой подложки 18. Если транзистор 10 не подвергается ионизирующему излучению, потенциал затвора остается неизменным в течение длительного периода времени. Заряд может стекать с затвора 13 только через поверхность изолирующего оксидного слоя 14 или вдоль нее.

Однако в изоляторе оксидного слоя 14 плавающего затвора 13 показанного на фиг. 1 транзистора 10 образовано отверстие 17, через которое затвор 13 непосредственно соприкасается с окружающим воздушным пространством. Если транзистор 10 подвергается воздействию ионизирующего излучения, заряд на затворе 13 создает электрическое поле, которое притягивает ионы, образованные в воздушном пространстве из-за действия излучения. Ионы нейтрализуются из-за действия заряда на затворе 13, нейтрализуя в то же время заряд на затворе 13, то есть вызывая изменение потенциала на затворе 13. В этом случае можно определить дозу излучения на основе величины изменения потенциала затвора 13.

На фиг. 2 транзистор 10 в основном соответствует показанному на фиг. 1 транзистору, но перед плавающим затвором 13 размещена пластинка 19. Для использования в качестве пластинки подойдет по существу любая твердая подложка. Пластинка не обязательно должна изготавливаться из металлического или даже проводящего материала. Однако пластинка 19 обеспечивает возможность более эффективного генерирования ионов, когда транзистор 10 подвергается ионизирующему излучению. Таким образом увеличивается эффективность измерения. Местоположение и расположение пластинки 19 можно также использовать с целью увеличения измерительной чувствительности в конкретном направлении.

На фиг. 3 показан транзистор 10, в котором закрытое воздушное или газовое пространство 24 соединено с плавающим затвором 13 посредством оксидного слоя изолятора 14 затвора. Это пространство 24 дополнительно увеличивает образование ионов, когда транзистор подвергается воздействию ионизирующего излучения. Можно сказать, что совместно с плавающим затвором 13 полевого МОП-транзистора 10 образована ионизационная камера.

На фиг. 4 показан детектор, где полевой МОП-транзистор с каналами n-типа 10 смонтирован в наполненной воздухом камере 20. Камера изготовлена из тонкого алюминия, толщиной, например, 0,5 мм. Стенка 21 камеры 20 электрически соединена с истоковой областью 11 транзистора 10 через ограничивающий ток резистор 16. К стоковой области 12 транзистора 10 подсоединен проводник 15, и этот проводник проходит сквозь стенку 21 камеры 20 через изолятор 23. Затвор 13 транзистора 10 остается не подсоединенным, то есть плавающим.

Затвор 13 заряжается, например, посредством подачи достаточно высокого напряжения между стоковой областью 12 и стенкой 21, которое вызывает явление туннелирования по Фаулеру-Нордхайму через изолятор 14 затвора, вызывая установку потенциала на затворе, равного V_g. Первоначальную проводимость измеряют посредством подачи соответствующего напряжения V_dd между стоковой областью 12 и стенкой 21 и посредством измерения получающегося тока I_ds1 между стоковой и истоковой областями.

Если детектор не подвергается воздействию ионизирующего излучения, потенциал затвора остается неизменным в течение очень большого периода времени, даже в течение нескольких лет, потому что заряд может стекать с затвора только через поверхность изолирующего оксидного слоя 14 или вдоль нее.

Если камера 20 подвергается воздействию ионизирующего излучения, в воздушном пространстве 24 образуются ионные пары внутри камеры 20. Ионные пары притягиваются к проводящей стенке 21 камеры 20 и в конечном счете нейтрализуются действием электронов в проводящей стенке 21. Положительный заряд на затворе 13 притягивает электроны, которые в конечном итоге собираются на поверхности затвора 13, нейтрализуя таким образом заряд на затворе 13. Это вызывает уменьшение потенциала.

Проводимость измеряют посредством подачи соответствующего напряжения V_dd между стоковой областью 12 и стенкой 21 и посредством измерения получающегося тока I_ds2 между стоковой и истоковой областями. Суммарную дозу можно измерять посредством сравнения тока I_ds2 измеряемого после излучения, с исходным током I_ds1. Корреляцию дозы текущего излучения можно определять посредством использования калиброванного источника излучения.

На фиг. 5 показан детектор, состоящий, главным образом, из полевого МОП-транзистора 10, смонтированного в корпусе 20. В стенке 21 корпуса 20 образовано отверстие в той же точке, где образовано отверстие 17 в изоляторе 14 оксидного слоя плавающего затвора 13 транзистора 10, а это означает, что затвор 13 находится в непосредственном соприкосновении с окружающим воздушным пространством. Если транзистор 10 подвергается воздействию ионизирующего излучения, заряд на затворе 13 образует электрическое поле, которое притягивает ионы, образованные в воздушном пространстве вследствие излучения.

В показанном на фиг. 5 детекторе к плавающему затвору 13 также подсоединен проводник 22, который позволяет более эффективно собирать ионы. Он защищен сеткой 25, включенной в корпус 20, причем сетка одновременно закрывает отверстие 17 в оксидном слое изолятора 14 затвора. Для того чтобы можно было подводить напряжение между истоковой областью 11 и стоковой областью 12 и соответственно чтобы можно было измерить уменьшение заряда между ними, истоковая область 11 и стоковая область 12 соединены посредством проводников 26 и 27 с соединителями 28 и 29, смонтированными в стенке 21 корпуса 20.

На фиг. 6 показано устройство 30 считывания излучения, позволяющее считывать дозу излучения, действию которой подвергается показанный на фиг. 5 детектор. Для того чтобы выполнять считывание, соединители 28 и 29 в стенке 21 корпуса 20 показанного на фиг. 5 детектора вставляют в соединители 32 и 33, расположенные в стенке 31 устройства 30 считывания излучения. Эти соединители 32 и 33 дополнительно подсоединены посредством проводников 34 и 35 к блоку считывания 36 устройства 30 считывания. Когда детектор, образованный транзистором 10, и устройство считывания 30 соединены друг с другом, на блоке отображения 37 можно считывать дозу излучения.

На фиг. 7 показан детектор, в котором полевой МОП-транзистор 10 и измерительный электронный блок 36 расположены в одном корпусе 20. Поскольку измерительная часть 36, снабженная источником электропитания, подсоединена посредством проводников 26 и 27 к транзистору 10, полученную дозу излучения можно в любое время читать на блоке отображения 37.

Что касается описанных выше чертежей, то необходимо отметить, что на них изделия изображены не в истинном масштабе. Полевой МОП-транзистор, например, для ясности представлен в значительно увеличенном виде по сравнению с остальными частями оборудования. В действительности транзистор можно сделать из очень тонких пленок.

Однако важный аспект изобретения состоит в том, что получаемую дозу излучения можно определять по изменению заряда на затворе полевого МОП-транзистора. Дозу излучения можно также измерять в любой момент времени без осуществления разрядки затвора. Таким образом, пассивный режим оказывается экономичным, потому что нет необходимости детектор снабжать источником электропитания.

В изобретении в качестве среды используется газ, и это может привести даже к избыточной чувствительности, если используется большое газовое пространство. Затвор заряжается до известного состояния зарядки, и в этом случае при наличии излучения заряд на затворе создает электрическое поле в газе, под действием которого затвор собирает образованные в газе ионы. Корпус или сетка защищает от помех и увеличивает ионизацию, когда твердое вещество соответствует толстому слою воздуха.

В соответствующем изобретению детекторе нет необходимости образовывать электрическое поле между плавающим затвором и расположенной перед ним пластинкой. В известных детекторах используются подключенные к источнику электропитания затворы. Посредством такого расположения полевого МОП-транзистора, чтобы его затвор оказался в непосредственном соприкосновении с газом, например окружающим воздухом, или подвергался его воздействию другим способом, между ними больше ничего не будет, что могло бы по существу предотвращать прохождение зарядов.

Специалистам в данной области техники очевидно, что можно осуществлять различные варианты выполнения изобретения, не выходя при этом за рамки объема приведенной ниже формулы изобретения.

Использование: для повышения чувствительности и расширения диапазона измеряемых доз при обнаружении ионизирующего излучения путем обеспечения возможности излучению оказывать воздействие на поверхность плавающего затвора 13 полевого МОП-транзистора 10 через воздушное или газовое пространство. Сущность изобретения: создается незакрытый участок 17 на поверхности плавающего затвора полевого МОП-транзистора, образующего детектор. Полевой МОП-транзистор используется так, что на его плавающем затворе образуется заряд, и этот заряд изменяется в результате ионизирующего излучения, которому подвергается транзистор. Доза излучения определяется по изменению, которое происходит в заряде на затворе. 3 с. и 10 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ обнаружения ионизирующего излучения посредством дозиметра, который включает в себя полевой МОП-транзистор 10, снабженный плавающим затвором 13, отличающийся тем, что ионизирующему излучению обеспечивается возможность оказывать воздействие на поверхность плавающего затвора 13 полевого МОП-транзистора 10 через открытое воздушное или газовое пространство 24, при этом на поверхности затвора имеется незакрытый участок 17 или участок, закрытый проводником, полупроводником или тонким изолятором. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что ионизирующему излучению обеспечивается возможность оказывать воздействие на незакрытый плавающий затвор 13 полевого МОП-транзистора 10 через твердую пластинку 19 или другой материал стенки 21. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что электроны или ионы, которые образуются в открытом или закрытом воздушном или газовом пространстве 24, собираются на плавающем затворе 13 посредством воздействия электрического поля, которое окружает затвор после его первоначальной зарядки до соответствующего потенциала. 4. Способ по п.1, 2 или 3, отличающийся тем, что энергетическая характеристика детектора определяется выбором соответствующего газа, подлежащего использованию в газовом пространстве 24, давления газа и материала стенки 21, окружающей газовое пространство. 5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что объем газа в газовом пространстве 24, давление газа и материал окружающей стенки 21 выбирают так, чтобы они оказались эквивалентными ткани, и в этом случае лозиметрическая характеристика детектора близко согласуется с характеристической человеческой ткани. 6. Детектор ионизирующего излучения, в частности дозиметр, содержащий полевой МОП-транзистор 10, снабженный плавающим затвором 13, отличающийся тем, что по меньшей мере часть поверхности плавающего затвора 13 полевого МОП-транзистора 10 не закрывается или закрывается проводником, полупроводником или тонким слоем изолятора, при этом поверхность плавающего затвора располагают в открытом воздушном или газовом пространстве либо в закрытом воздушном или газовом пространстве 24. 7. Дозиметр по п.6, отличающийся тем, что перед закрытой поверхностью плавающего затвора 13 полевого МОП-транзистора 10 находится по меньшей мере одна жесткая пластинка 19 или стенка 21 корпуса 20. 8. Дозиметр по п.6 или 7, отличающийся тем, что дозиметр располагают в корпусе 20, к стенке 21 которого прикреплены соединители 28, 29, прикрепленные к истоковой области 11 и стоковой области 12 полевого МОП-транзистора 10. 9. Дозиметр по п.8, отличающийся тем, что он содержит в себе устройство считывания излучения 30 с соединителями 32, 33, к которым можно подсоединять соответствующие соединители 28, 29 дозиметра, предназначенное для считывания заряда на плавающем затворе 13 полевого МОП-транзистора 10. 10. Дозиметр по п. 6 или 7, отличающийся тем, что он содержит в себе полевой МОП-транзистор 10 и электронный блок измерения 36, предназначенный для считывания заряда на плавающем затворе 13. 11. Использование полевого МОП-транзистора 10 для обнаружения ионизирующего излучения, отличающееся тем, что на плавающем затворе 13 полевого МОП-транзистора 10 образуется заряд, причем заряд измеряется из-за действия ионизирующего излучения, которому подвергается транзистор, а доза излучения определяется по изменению заряда на затворе. 12. Использование полевого МОП-транзистора 10 по п.11, отличающееся тем, что заряд на плавающем затворе 13 полевого МОП-транзистора 10 образуется посредством подачи напряжения между истоковой областью 11 и стоковой областью 13, после чего ионизирующему излучению обеспечивается возможность оказывать действие на незакрытый участок 17 плавающего затвора или участок, закрытый проводником, полупроводником или тонким изолятором, а доза излучения определяется изменением заряда на затворе. 13. Использование полевого МОП-транзистора 10 по п.11 или 12, отличающееся тем, что заряд на плавающем затворе 13 измеряется посредством приложения соответствующего напряжения между истоковой областью 11 и стоковой областью 12 и посредством измерения получающегося тока, а изменение заряда на плавающем затворе, пропорциональное дозе излучения, измеряется посредством сравнения тока, измеряемого после воздействия излучения с исходным током.