Детектор ионизирующего излучения Советский патент 1986 года по МПК H01L31/04 G01T1/24 

Изобретение относится к полупроводииковой технике и может быть использовано в ядерной физике и физике высоких энергий для определения типа и энергии частид по их удельным ионизадионным потерям, а также может применяться во всех областях на родного хозяйства, где требуется пр ведение анализа на активность образ цов малых размеров и малой интенсив ности (например, в геологии, атомно промышленности и т.д.). Известны полупроводниковые детекторы, предназначенные для идентифик ции ионизирующих частиц по их. удельны ионизационным потерям (dE/dx - дете торы) , Материалом для таких детекторов служат полупроводниковые кристаллы малым количеством дефектов ( 1С дисл/см). Выполнены они в виде плоскопараллельной пластины, на поверхность которой известным образом нанесена поверхностно-барьерная структура. Недостатком таких детекторов является то, что они не могут быть использованы для спещшльных измерений, а именно для идентификации ионизнруютщх частиц по типу движения через кристалл, т.е. не могут, например, выделять частицы, захваченные в режим каналирования (каналируюище частидаО . Такие частицы двигаются только между атомными плоскостями, имеют малые удельные ионизационные потери, примерно в 2 раза меньшие цо сравнению с остальными частицами проходяпр-гми через детектор, обладают большими длинами пробега в кристалле. Указанный недостаток аытекает из того, что при изготовленииде тектора кристалл вьфезается произвольным образом относительно кристал лографических осей. Другой недостаток этих детекторов заключается в том, что он обладает плохими характеристиками при спектральных исследованиях от источников ионизирующего излучения малых размеров и малой интенсивности. У таких детекторов ухудшается разрешение на малых расстояниях от источника за счет разных углов влета частиц в детектор либо падает светосила при при менении коллиматоров с целью улучшения разрешения. Известны полупроводниковые детекторы, предназначенные для измерения спектров от источников ионизирующего излучения малой интенсивности и малых размеров. Материалом для таких детекторов также служат полупроводниковые кристаллы с малым количеством дефектов ( 10 дисл/см) . Вырезаны они произвольным образом относительно кристаллографических осей в виде полого цилиндра, на поверхность которого нанесена поверхностно-барьерная структура . Недостатком этих детекторов является сложность их изготовления, заключающаяся в трудности обработки внутренних и внешних кривых поверхностей. При этом неизбежны большие . потери материала. Другим недостатком является то, что они не могут быть использованы, как и предьщущий аналог, для специальных измерений, а именно для идентификации ионизирующих частиц по типу движения через кристалл. Недостатком является и ограниченность их геометрических размеров, определяемая величиной существующих полупроводниковых кристаллов. Этот недостаток накладывает ограничения на размеры источников, которые можно исследовать с помощью этих детекторов. Наиболее близким техническим решением к изобретению является полупроводниковый детектор (dE/dx) ионизирующего излучения, ПОЗВОЛЯЮ1ЦИЙ идентифицировать частицы по типу движения через кристалл (каналирующие и неканалирующие частицы) по величине их удельных и ониза1щонных потерь. В этих детекторах поверхностнобарьерная структура.нанесена на плоскопараллельный полупроводниковый кристалл, вьфезанный таким образом, чтобы определенное семейство крист т.аллографических плоскостей (обычно шоскости (111), (110) или (100) и т.д.) было строго перпендикулярно к входной поверхности детектора (допуск наперпендикулярность 1-10). Если на такой детектор направить то часпучок ионизирующих частиц. тицы, падающие на кристалл под углом ,„./Ч где бр - критический угол захват в режиме каналирования; Vj - глубина потенциальной ямы межплоскостного потенциала;Е - энергия ионизирующей ча тицы, будут захвачены в режим каналирования. Сильное различие в удельных ио низационных потерях позволяет однозначно идентифицировать каналирующие и неканапирующие частида и таким образом выделять из падающего пучка частицы с определенным углом влета в детектор. Таким образом, указанные полупро водниковые детекторы позволяют проводить отбор частиц по типу движения. Возможность осуществления отбо ра частиц по типу движения, а также одновременный поворот их является важной задачей в физике высоких энергий. Известно, что дефор1дарован ные кристаллы используются для управления траекториями ультрарелятивистских частиц (подобно сверхсильному магниту). Недостатком же плоского полупроводникового детектора, выбранного в качестве прототипа, является то, чт он обеспечивает возможность проводить отбор частиц только в недеформированном кристалле. Этот недостаток можно было ы преодолеть, если бы имелась возможность создания полупроводникового детектора на деформированном кристалле; Известно, что работоспособность полупроводникового поверхност но-барьерного детектора определяется состоянием его кристаллической решетки и качеством поверхностно-ба рьерной структуры. Однако в настоящее время нет ответа на такой вопрос, как может быть деформирован по лупроводниковый кристалл с нанесенной на него поверхностно-барьерной структурой, чтобы бьши сохранены вс его технические характеристики, т.е чтобы он был работоспособным (для целей регистрации йонизирукхцего излучения) . Иными словами, в мировой практике не известны работоспособны полупроводниковые детекторы ионизирующего излучения, у которьк поверхностно-барьерная структура находится на упруго деформированном кристалле Цель изобретения - обеспечение работоспособности детектора на деформированном кристалле. Это позволяет регистрировать канаЛирукмцие частицы в деформированном кристалле по всему пути их следования через него, устраняет влияние геометрических факторов ; на разрещение и повышает светосилу при регистрации ионизирующего излучения от источников малых размеров в малой интенсивности. Поставленная цель достигается тем, что в детекторе ионизирующего излучения на, основе полупроводникового кристалла с нанесенной на нем поверхностно-барьерной структурой последНИИ изогнут так, что отношение его толщины к рада1усу изгиба в любой точке не превьш1ает 10 (Т/о ), причем детектор снабжен деформирующим приспособлением и закреплен В нем той частью, на которой отсутствует область р - п-перехода поверхностнобарьерной структуры. Предлагаемое изобретение основано на неочевидном и неизвестном ранее факте, заключающемся в том, что если кривизна кристалла при деформации T/g 10, то поверхностно-барьерная структура, нанесенная на такой . кристалл, остается работоспособной. Необходимость соблюдения такого условия была определена и доказана опытным путем. Условием, также обеспечивающим работоспособность детектора, является определенное закреп-ление его в деформирующем приспособлении, а именно вне области р - п-перехода поверхностно-барьерной структуры (отсутствие контакта деформирующего приспособления с золотой обкладкой). Это условие бьшо определено также опытным путем. На фиг. 1 представлен пример реализации полупроводникового поверхностно-барьерного детектора на кристалле,изогнутом по цилиндру радиуса Р и с р - п-переходом на выпуклой поверхности кристалла; на фиг. 2 то же, на кристалле, изогнутом по цилиндру радиуса Я и с р - п-переходом на вогнутой поверхности крис- талла; - -. На фиг. 1 и 2 изображены кристалл кремния п-типа 1; слой золота 2; лой алкминия 3; чувствительная 3orta ; Т - толщина кристалла; Р- радиус згиба кристалла.. На фиг. 3-7 представлены примеры jДeфopмaциoнньrx приспособлений, обес;печивающих работоспособность поверх.ностно-барьерной структуры на деформированном (изогнутом) кристалле. Нафиг. 8 представлена основная характеристика полупроводникового детектора - зависимость величины обратного тока приложенного напряжения U для детектора на неизогнутом кристалле с Т// f 10 ; для детектора на изогнутом кристалле с Т/р 1,1,-10 . На фиг, 9 представлен спектр о/-частиц от источника Ри + + измеренный детектором на кристалле, изогнутом посредством наклейки на стехслянную цилиндрическую поверхность через алюминиевый электрод. Разрешение детектора Г 21,7 кэВ; обратный ток 0,2 мА при напряжении 60В. На фиг. 10 представлен спектр dE/dx от протонов с энергией 1 ГэВ, снятый детектором на изогнутом крис талле. Пик малой амплитуды соответс вует каналрфующим частицам. Полупроводниковый детектор, иониз рующего излучения состоит из деформ рованного полупроводникового кристал ла 1 и нанесенной на него поверз нос но-барьерной структурой ( зол та 2 и алюминия 3) (см. фиг. 1,2). Деформирующее устройство предста ляет собой стеклянную щ-тлиндрическу поверхность 5, на которой закреплен например, с помощью клея ползшроводниковый кристалл 1, причем область р п-перехода находится в свободном состоянии (см. фиг. 3). Возможны другие виды деформирующих устройств, обеспечивающг х работоспособность поверхностно-барьерной структуры (см, фиг. 4,5,6,7). На фиг. 4 представлено деформирующее устройство, в котором полупроводниковый кристалл 1 зажимается между взаимно притертыми выпуклой 6 и вогнутой 7 цилиндрическими поверхнос тями. Область р - п-перехода накодится В .свободно--; состоянии, это выполняется благодаря применению фторпластовой прокладки 8.

На фиг. 5 представлено деформирующее устройство, в котором полупроводниковый кристалл 1 заясимается между 55 взаимно притертыми выпуклой и вогнутой цилиндрическими поверхностями только своими краями, на которых отр - п-перехода находится в свободном состоянии.

Ионизирующее излучение от источника малой интенсивности и малых размеров, установленного в фокусе цилиндрической поверхности, по радиусу которой изогнут кристалл, падает на вогнутую поверхность детектора. Этим утствует поверхностно-барьерная труктура, поэтому область р - п-пеехода находилась в свободпоы состояии. . Полупроводниковый детектор ионизирующего излучения, предназначенный для поворота частиц и их регистрации вдоль всего деформированного кристалла, работает следующим образом. Пучок ионизирующих частиц (например, протоны) направляется нормально к торцу -9 деформированного полупроводникового кристалла 1, Если кристалл вырезан так, что атомная плоскость (110), (111) или (100) перпендикулярна к.торцу, то частицы, падающие на торец под углом , будут захвачены в режим каналирования. Дальнейший путь каналируюш 1х частиц определяется формой этих деформированных атомных плоскостей. При взаимодействии частиц с атомами образуются электронно-дырочные пары, которые регистрируются поверхно-стнобарьерной структурой. Поверхностнобарьерн о структуру можно наносить дискретно по всему пути следования частиц,благодаря чему также можно получить информацию о движении частиц на протяжении всего кристалла. Для детекторов, предназначенных для регистрации ионизирующих излучений от источников малой интенсивности и малых размеров, кристаллы выбирают малым количеством дефектов и деформируют в устройствах, представленных на фиг. 6,7. Полупроводниковьш кристалл 1 зажимается между взаимно притертыми выпуклой и вогнутой цилиндpичecки ш поверхностями по всему своему периметру. Область р - п-перехода находится в свободном состоянии. Деформирующее устройство представляет собой стеклянную цилиндрическую поверхность 5, на которой закреплен, например, с помощью клея полупровод, i - . никовьй кристалл 1, причем область устраняются геометрические абберации и повышается светосила детектора. Соответствующий подбор толщины кристалла обеспечит нужный радиус изгиба кристалла. Работоспособность полупроводникового детектора, деформированного так, что отношение толщины кристалла к радиусу его изгиба не превышало 10 , была доказана опытным путем. На фиг. 8 представлена .зависимость величины обратного тока от напряжения (основная техническая характеристика полупроводникового детектора). Видим, что в случае нанесения поверхностнобарьерной структуры на деформированный кристалл при соблюдении условия Т/Р 10 , свойства детектора не изменяются по сравнению со случаем, когда поверхностно-барьерная структура находится на плоском кристалле (кривые 1П и 11 практически совпали) а при деформации, превышающей значение lip , 10, .детектор становится неработоспособным. Таким, образом, обеспечение работо способности поверхностно-барьергой структуры в деформированном кристалле позволяет непосредственно регистрировать и вьщелять каналирукнцие час тицы по всему деформированному кристаллу (при вьфезке его относительно кристалло-графических oceff, как в прототипе, или устранить геометричес кие абберации и повысить светосилу детектора (условие на вырезку кристалла, как в первом аналоге) при измерении спектров от источников малой интенсивности и малых размеров путем придания соответствующей формы кристаллу (цилиндр, сфера) упругим деформированием, а источник при этом помещается в фокус относительно выбранной поверхности детектора. В лаборатории нейтронных исследований ЛИЯФ быпи созданы t5 опытных образцов детекторов на изогнутых , кристаллах. В качестве кристаллов в этих детекторах использовались пластины, вырезанные из монокристаллического кремния п типа с сопротивлением 10 кОм и плотностью дислокаций меньше 10 дисл/см. В детекторах, предназначенных для вьщеления каналирующих частиц, кристалл вырезан так, чтобы плоскость (111) была перпендикулярна к входной Грани детектора. При этом на кристалле нанесены три независимые поверхностно-барьерные структуры, которые могут дать информацию о движении частиц в трех участках кристалла. Радиус изгиба кристаллов бып выбран 40 см и 2 см, а толщкна пластин мм. Проведенньге измерения показали, что все детекторы обладают хорошими . рабочими характеристиками, полностью работрспособны и обеспечивают выделение как каналирующих частиц, так и хорошее разрешение от малоинтенсивных и небольших источников (см. фиг. 9 и 10) .

5 «Off

2Gtr

SOO

2VW

/7. хамал Риг.9

ДЕТЕКТОР ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ на основе полупроводникового кристалла с нанесенной на нем поверхностно-барьерной структурой, о т л ичающийся тем, что, с цепью обеспечения работоспособности детектора на д ор1«1рованном кристалле, последний изогнут так, что отношение его толщины к радиусу изгиба в любой точке не превышает 10 , причем детектор снабжен деформирующим приспособлением и закреплен в нем той частью, на которой отсутствует область р-п- перехода поверхностно-барьерной структуры. 00 IND со СП