ДЕТЕКТОР ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2004 года по МПК G01T1/24 H01L31/115 

Изобретение относится к полупроводниковым приборам и может найти применение для регистрации ионизирующих излучений и заряженных частиц в ядерной физике, а также при создании цифровых диагностических аппаратов, регистрирующих заряженные частицы и гамма-кванты.

Широко известны координатные детекторы ионизирующих излучений, которые содержат рабочий объем из полупроводникового материала, на одной поверхности которого созданы контакты, выполненные в виде одинаковых полосок (стрипов), с которых снимают выходные сигналы, а на противоположной стороне формируется контакт путем нанесения слоя металла для подачи напряжения питания (S. Manolopoulos, C.V.Buttar, D.Morgan et al., Performance of GaAs microstrip detector in a test beam experiment Nuclear Instruments and Methods in Physics Reserch A 395, 1997, р. 13-20). Однако в таких детекторах возникают сравнительно высокие темновые токи, протекающие через контакты стрипов.

Известны также детекторы ионизирующего излучения, в которых рабочий объем выполнен из полупроводникового материала, в качестве которого служит полуизолирующий арсенид галлия (AsGa). На одной из поверхностей рабочего объема созданы металлические контакты, выполненные в виде полосок (стрипов) с равномерным шагом. Поверх этих контактов нанесен слой диэлектрика, на котором сформированы металлические электроды, образующие с нижними контактами конденсаторы. На противоположной поверхности полупроводника создан металлический контакт, расположенный подо всей областью, занятой стрипами (R.L. Bates, S.D. Auria, C.Del Papa, Gallium arsenide AC-coupled microstrip detectors with integrated resistors, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 410, 1998, p. 19-25).

Недостатком такого детектора является необходимость использования разделительных конденсаторов, поскольку в арсенид-галлиевом детекторе протекают высокие темновые токи (по порядку величины в несколько наноампер или даже сотен наноампер), что препятствует их непосредственной стыковке со специализированными микросхемами. Микросхемы, предназначенные для усиления и обработки сигналов с координатных детекторов, как правило, работоспособны при темновых токах детектора, не превышающих нескольких десятков пикоампер.

Задача настоящего изобретения - упрощение состыковки детектора с регистрирующей электроникой за счет уменьшения выходного темнового тока с детектора.

Поставленная задача решается следующим образом. В детектор ионизирующего излучения, содержащий рабочий объем из полупроводника (полуизолирующий арсенид галлия), на одной стороне которого расположен электрод в виде полосок (стрипов), а на противоположной стороне электрод в виде сплошного слоя, занимающего всю область под полосками, подключенный к источнику напряжения, введен симметрично плоскости, перпендикулярной направлению полосок и на равном удалении от нее, второй такой же рабочий объем, защищенный экраном от ионизирующего излучения, причем электроды в виде полосок второго рабочего объема соединены с аналогичными электродами первого, а контакт в виде сплошного слоя второго детектора подключен к источнику напряжения противоположной полярности, но одинаковой с первым источником величины. Таким образом, благодаря введению дополнительного рабочего объема, симметричного первому, и подаче на электроды этих объемов напряжения питания разной полярности, но равных по абсолютной величине, через каждую полоску выходных электродов будет протекать нулевой ток. Этот ток складывается (по закону Кирхгоффа) из двух равных по величине (в силу симметрии конструкции детектора), но противоположных по направлению токов в разных рабочих объемах.

На чертеже схематично представлен предлагаемый детектор. Детектор содержит рабочий объем 1 и рабочий объем 2, выполненные из полуизолирующего арсенида галлия. На одной из сторон рабочего объема 1 расположены электроды 3 в виде полосок (стрипов) с равномерным шагом. Электроды 3 являются сигнальными электродами, с которых выходные сигналы снимаются регистрирующей электроникой. С противоположной стороны рабочего объема под областью, занятой полосками, расположены электроды 4, которые соединены с источником напряжения 5, например, положительной полярности, как показано на чертеже. Электроды 6 в виде полосок рабочего объема 2 являются продолжением полосок электродов 3, а электрод 7 второго рабочего объема, расположенный на противоположной стороне и занимающий всю область под электродами 6, соединен с источником напряжения 8 противоположной полярности по отношению к источнику 5, но одинаковой с ним величины. Рабочие объемы находятся симметрично относительно плоскости, проходящей перпендикулярно направлению полосок, и равноудалены от нее, при этом дополнительный рабочий объем защищен от ионизирующего излучения экраном 9.

Детектор работает следующим образом. В исходном состоянии электроды 3 рабочего объема 1, выполненные заодно с электродами 6 рабочего объема 2, соединены со входами специализированной электроники. На электрод 4 первого рабочего объема через источник напряжения 5 подано напряжение отрицательной полярности. На электрод 7 через источник 8 подано напряжение такой же величины, но положительной полярности. При этом на электродах 3 и 6 в силу симметрии устанавливается нулевой потенциал. Темновой ток, поступающий с электродов 3 и 6 во входные цепи электроники, ничтожно мал (примерно на два - три порядка меньше, чем темновой ток каждого объема в отдельности), поскольку потенциал входных цепей электроники также близок к нулю. В объем 1 детектора поступает ионизирующее излучение, например, в виде гамма-квантов, в то время как в объем 2 детектора излучение не поступает, так как он защищен свинцовым экраном 9. Гамма-частицы поглощаются только в объеме 1 и здесь, в области поглощения, возникают неравновесные электроны и дырки, которые вызывают протекание тока на некоторых электродах 3. В результате на электродах 3, в областях, где поглотились ионизирующие частицы, возникают импульсы, которые регистрируются соответствующими каналами электроники.

Пример. Для проверки предложенного технического решения изготовлен детектор, рабочие объемы которого выполнены из полуизолирующего арсенида галлия, легированные хромом с удельным сопротивлением 5·10⁸ Ом·см. Рабочие объемы выполнены из одной пластины полупроводника в едином технологическом цикле, что обеспечивает идентичность характеристик соответствующих частей детектора в разных объемах. Каждый из рабочих объемов содержит 128 полосок, расположенных с шагом 100 мкм и соединенных попарно. Длина полосок в каждом объеме равняется 1 см. Полоски выполнены из сплава AuGe, образующего оммический контакт к данному типу арсенида галлия. Толщина детектора составляет 300 мкм. Электроды 4 и 7 также изготовлены из AuGe. Зазор между электродами 4 и 7 равен 1 мм. При испытании на электрод 4 подавали напряжение плюс 150 В, а на электрод 7 - минус 150 В. При этом суммарный темновой ток, протекающий через каждую полоску, равнялся 200 пА, что в 500 раз меньше, чем в отдельном рабочем объеме. При таких малых токах предложенный детектор удается состыковать со специализированными микросхемами, например с микросхемой ASIC АЕ 145, без конденсаторов. Необходимо отметить, что величина темпового тока в предложенном детекторе зависит только от точности выполнения прибора (от его симметрии) и однородности полупроводника и не зависит от величины токов утечки.

Использование: в ядерной физике, а также при создании цифровых диагностических аппаратов, регистрирующих заряженные частицы и гамма-кванты. Сущность: детектор ионизирующего излучения представляет собой два рабочих объема, выполненных из арсенида галлия. На одной из сторон каждого рабочего объема расположены электроды, выполненные в виде одинаковых полосок с равномерным шагом. Полоски электрода второго рабочего объема соединены с полосками электрода первого так, что являются их продолжением. На противоположной стороне каждого рабочего объема расположены электроды в виде сплошного слоя, занимающего всю область под полосками, каждый из которых соединен с источником напряжения одинаковой величины, но разной полярности. Рабочие объемы расположены симметрично плоскости, проходящей перпендикулярно направлению полосок, и на равном удалении от нее. Технический результат: снижение темнового тока. 1 ил.

Детектор ионизирующего излучения, содержащий рабочий объем из полупроводника, на одной стороне которого расположены электроды в виде полосок, а на противоположной стороне электрод в виде сплошного слоя, занимающего всю область под полосками, подключенный к источнику напряжения, отличающийся тем, что симметрично плоскости, проходящей перпендикулярно направлению полосок и на равном удалении от нее, введен второй такой же рабочий объем с такими же электродами, защищенный экраном от ионизирующего излучения, причем электроды в виде полосок второго рабочего объема соединены с аналогичными электродами первого, а электрод в виде сплошного слоя второго рабочего объема подключен к источнику напряжения противоположной полярности, но одинаковой с первым источником величины.