АЛМАЗНЫЙ ДЕТЕКТОР ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ Российский патент 2004 года по МПК G01T1/24 H01L31/115 

Изобретение относится к технике регистрации излучений, а именно к алмазным детекторам, предназначенным для преобразования однократных или редко повторяющихся импульсов ионизирующих излучений, в частности мягкого рентгеновского или фотонного излучения в электрические аналоги.

При разработке таких детекторов встает задача достижения высокой чувствительности детектора при ее слабой зависимости от энергии излучения и высокого временного разрешения.

Известен алмазный детектор ионизирующего излучения [1], содержащий чувствительный элемент в виде алмазной пластины 1 с проводящими контактами 2, расположенными на противоположных сторонах пластины 1, так называемый “сэндвич” (фиг.1). Недостатком детектора является зависимость его чувствительности от энергии излучения в мягкой области спектра. При энергиях ниже 0,5 кэВ происходит сильное снижение чувствительности детектора за счет поглощения квантов излучения материалом контакта, являющимся входным окном детектора.

Известен алмазный детектор быстрых электронов [2], содержащий чувствительный элемент поверхностного типа в виде алмазной CVD - пленки 1 (фиг.2). Токопроводящие контакты 2 расположены на одной стороне алмазной пластины и разделены зазором 3 шириной 1 мм и длиной 1 мм. Электрический сигнал снимается с контактов с помощью проводников 4, соединенных с проводящими контактами. Входное окно у детектора отсутствует, поэтому детектор способен измерять очень мягкие излучения. Рабочей областью детектора является зазор между контактами. Недостатком является низкая чувствительность детектора с таким чувствительным элементом вследствие малого объема рабочей области (~10^-13 Кл/рад).

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является фотодетектор [3] с чувствительным элементом поверхностного типа (фиг. 3) на основе алмазных и CVD пленок. Токопроводящие контакты 2 расположены на одной стороне пластины и разделены зазором 3. Контакты имеют конфигурацию “гребенка в гребенке”. Электрический сигнал снимается с контактов с помощью выводов 4. Наличие у чувствительного элемента контактов с более развитой поверхностью приводит к увеличению чувствительности детектора в сравнении с [2]. Принцип работы детектора заключается в следующем: потоки квантов фотонного излучения взаимодействуют с атомами углерода (алмаза). В результате образуются фото- и комптоновские электроны, которые, в свою очередь, ионизируют алмаз, являющийся широкозонным полупроводником, и создают в нем пары носителей - электроны и дырки. Под действием приложенного к контактам электрического напряжения носители движутся по криволинейным траекториям, определенным конфигурацией электрического поля. В цепи возникает электрический ток, величина которого пропорциональна плотности потока фотонного излучения.

Недостатком детектора является невысокое временное разрешение, обусловленное влиянием индуктивности выводов.

Техническим результатом, обеспечиваемым заявляемым изобретением, является повышение временного разрешения детектора при сохранении высокой чувствительности и при отсутствии зависимости чувствительности от энергии излучения.

Технический результат обеспечивается тем, что в алмазном детекторе ионизирующих излучений, содержащем чувствительный элемент на основе пластины из естественного алмаза или CVD-пленки, на одной из сторон которой расположены проводящие контакты, разделенные зазором, контакты выполнены в виде замкнутых концентрических поверхностей, обращенные к зазору контуры которых имеют чередующиеся выступы и впадины, расположенные симметрично относительно центра чувствительного элемента, в котором выполнено отверстие, причем напротив выступов внешнего контура внутреннего контакта расположены впадины внутреннего контура наружного контакта. Сущность изобретения заключается в том, что вследствие предложенной формы контактов и их расположения конструкция детектора является коаксиальной, что приводит к высокому временному разрешению. В то же время рабочая область чувствительного элемента имеет сложную по сравнению с обычным зазором форму, поэтому чувствительность детектора в мягкой области выше, чем у прототипа.

На фиг. 4 представлена форма выполнения чувствительного элемента детектора. Принятые обозначения: 1 - алмазная пластина, 2, 6 - наружный и внутренний контакты, 3 - зазор между контактами, 5 - отверстие в центре чувствительного элемента.

Предлагаемый алмазный детектор ионизирующих излучений может быть выполнен на базе высокочастотного разъема, внутри которого расположен чувствительный элемент на основе алмазной пластины 1 с отверстием 5 в центре. Проводящие контакты 2, 6 нанесены на одной из сторон алмазной пластины 1 в виде замкнутых концентрических поверхностей сложной формы, расположенных одна внутри другой. Контакты разделены зазором 3. Обращенные к зазору 3 контуры поверхностей проводящих контактов 2, 6 имеют чередующиеся выступы и впадины, расположенные симметрично относительно центра чувствительного элемента, причем напротив выступов внешнего контура внутреннего контакта расположены впадины внутреннего контура наружного контакта. Внутренний контакт 6 чувствительного элемента выводится через отверстие 5, а наружный контакт 2 соединен с корпусом детектора (высокочастотного разъема). Отверстия в алмазных чувствительных элементах изготавливались на импульсной лазерной установке. Необходимый контактный рисунок может наноситься методом фотолитографии.

Принцип работы детектора заключается в следующем: потоки квантов рентгеновского излучения взаимодействуют с атомами углерода (алмаза). В результате образуются фото- и комптоновские электроны, которые, в свою очередь, ионизируют алмаз, являющийся широкополосным полупроводником, и создают в нем пары носителей - электроны и дырки. Под действием приложенного к контактам электрического напряжения носители движутся и часть их собирается на контактах, а часть рекомбинирует на введенных центрах рекомбинации. В цепи возникает электрический ток, величина которого пропорциональна плотности потока рентгеновского излучения. Рабочей областью чувствительного элемента является зазор сложной формы между внутренним и наружным контактами. Форма контактов, а соответственно и зазора была подобранна экспериментальным путем. Развитая поверхность зазора приводит к увеличению чувствительности детектора поверхностного типа, а коаксиальность конструкции позволяет до минимума снизить паразитные индуктивности и, следовательно, получить более высокое временное разрешение. Отсутствие входного окна снимает зависимость чувствительности детектора от энергии излучения.

Таким образом, предлагаемый алмазный детектор в сравнении с прототипом обладает более высоким временным разрешением при сохранении высокой чувствительности и отсутствии зависимости чувствительности от энергии излучения.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Терентьев Н.И. Полупроводниковые детекторы импульсных излучений на основе алмаза. В сборнике “Новые промышленные технологии”, вып.3-4 (296-297), М., 2000 г., стр.75-80.

2. S.Han, R.S.Wagner, J.Joseph, M.A.Piano et al, Chemical vapor deposited diamond radiation detector for ultrahigh radiation dose-rate measurement: Response to subnanosecond, 16-MeV electron pulses. Rev. Sci. Instrum. 66 (12), December 1995, pp.5516-5521.

3. V.I.Polykov, A.I.Rukovishnikov, V.G.Ralshenko Photodetector with CVD diamond films: electrical and photoelectrical properties photoconductive and photodiode structures. Diamond and Related Materials 7 (1998), 821-825 (прототип).

Использование: в технике регистрации излучений. Сущность: детектор выполнен на базе высокочастотного разъема, внутри которого расположен чувствительный элемент на основе алмазной пластины с отверстием в центре. На одной из сторон алмазной пластины нанесены проводящие контакты в виде замкнутых концентрических поверхностей сложной формы, расположенных одна внутри другой. Контакты разделены зазором. Обращенные к зазору контуры поверхностей проводящих контактов имеют чередующиеся выступы и впадины, расположенные симметрично относительно центра чувствительного элемента, причем напротив выступов внешнего контура внутреннего контакта расположены впадины внутреннего контура наружного контакта. Технический результат - повышение временного разрешения детектора при сохранении высокой чувствительности и при отсутствии зависимости чувствительности от энергии излучения. 4 ил.

Алмазный детектор ионизирующих излучений, содержащий чувствительный элемент на основе алмазной пластины из естественного алмаза или СVD-пленки, на одной из сторон которой расположены проводящие контакты, разделенные зазором, отличающийся тем, что контакты выполнены в виде замкнутых концентрических поверхностей, обращенные к зазору контуры которых имеют чередующиеся выступы и впадины, расположенные симметрично относительно центра чувствительного элемента, в котором выполнено отверстие, причем напротив выступов внешнего контура внутреннего контакта расположены впадины внутреннего контура наружного контакта.