Устройство для регистрации ионизирующих излучений Советский патент 1993 года по МПК G01T1/20 

параметров ФЭУ, что ограничивает их испольаование во многих областях,, например при проведении длительных экспериментов, а также в качестве элементов рентгеновского вычислительного томографа, мозаичный экран которого состоит из нескольких сотен систем сцинтиллятор-фбтоприемнико Также недостатком систем сцинтилля-тор-ФЭУ является необходимость механического соединения л.вух элементов системы (сцинтиллятора с ФЭУ), что усложняет конструкцию, понижает ее належность, уменьшает чувствительность устройства, так как неизбежны потери на отражение и поглои4ение в соединяющем сцинтиллятрр и ФЭУ оптическом тракте

, Известно техническое решение, в кртором использована система сцинтиллятор-фотодиол, (ФЛ). ФД лйшенй недостатков, прису|цих ФЭУ, и не требуют дЛя своей работы источников высокого напряжения. Все это значительно упрощает конструкцию системы и повышает надежность ее работыо Недостатком системы с использованием ФД является плохое согласование спектральных характеристик сцинтилляторов И фотодиодов, так как широко используемые в настоящее время сцинтилЛяторы Nal(Tl, Csl (Т1), Csl (Na) и (другие имеют максимум спектра излучения в jEwanasoHe 30-550 нм, в то время как максимум фоточуветвитеяьности выпускаемых промышленностью ФП Находится в ближней инфракрасной области спектрао Система сцинтиллятор-ФЛ так же, как и сцинтиллятор-ФЭУ, Состоит из двух механиЦески соединяемь1х элемё нтов, поэтому по-прежнему Неизбежны Дополнительные потери в Соединительном оптическом тракте. По этим Причинам чувствительность систем сцинтилляторФЛ до настоящего времени ниже максимально Возможнойо

Наиболее близким к изобретению йвляеТся устройство для регистрации и6нийир5пЬщих излучений, содержащее выполненные из полупроводниковых соединений сцинтиллятор и нанесенный на Него фотоприемнйКс

Это устройство лишено указанных выше недостатков. Фотоприемник интег(эально выполнен на материале сцинтиЛЛятора в виде слоя твердого раствора материала сцинтиллятрра и

фотоприемника. В этом устройстве достигнуто согласование .оптических характеристик сцинтиллятора и фотоприемника, отсутствуют потери в переходном оптическом тракте, нет необходимости в механическом соединении сцинтиллятора и фотоприемника, что повышает его чувствительность и надежностьс Основным недостатком известного устройства является его сравнительно высокая инерционность, которая вытекает из самого принципа работы устройства В нем в качестве фотоприемника используется фотопроводящий слой твердого раствора соединений А толщиной 200-300 длин волн излучения сцинтиллятора, при использовании видимого диапазона

длин волн толщина слоя фотосопротивления составляет 100-300 мкмо

Характерная для высокочувствительных фотосопротивлений инерционность

изменения сопротивления составляет не менее мкс при умеренных уровнях засветки и связана с тем, что после попадания носителей в зону проводимости под воздействием

ионизирующего излучения происходит Их промежуточный (до возвращения в валентную зону) захват на ловушки, которыми являются неконтролируемые примеси и дефекты структуры материала фотосопрртивления и концентрация которых достигает 10 см, Помимо этого, поскольку рабочая область составляет величину не- менее 100 мкм, что много больше длины свободного

пробега носителя в полупроводниковом материале соединений д , носитель заряда до попадания на электроды испытывает несколько раз промежуточный захват на лОвушки, Время высвобождения его из ловушки зависит от поперечного сечеНия захвата и Обычно составляет единицы и десяТки миллисекунд Узким образом, в принципе при использовании высокочувствительчь1х фотосопротивлений недостижимо время нарастания и спада импульса фототока быстрее десятков миллисекунд при умеренных уровнях засветки Между тем в большинстве случаев скорость протекания ядерных и других, сопровождающихся ионизирующим излучением, процессов характеризуется очень малым временем, что, соответственно, налагает требования на быстрорействие регистрирующего прибора, Время срабатывания его должно быть соизмеримо со скоростью протекания процессов и временем высвечивания сцинтиллятора которое составляет обычно -ТО МКС, Тоео в 10з 10 раз меньше, чем достигнуто в прототипе о Нелостатком прототипа является также то, что фотосопротивления в пороговых режимах эксплуатации менее эффективны по сравнению с фотодиодами в вентильном режиме включения, изза существенно больших уровней шума Целью изобретения является повышение быстродействия и чувствительности устройства, Иель лостйгаетсл тем, что в устройстве для регистрации конизируюцих излучений, содержащем выполненные из полу1ч оводт1к6вых сое/1инений сцинтиллятор и нанесенный на йего фотоприочник, фбтоприемник выпоупнен в ви де слоя твердого раствора соединений А В и , обрадуючего гетерогенньМ р-п-лерехо{Д с материалом сцинтиллятофа. На чертеже дана структурная схема предложенного устройства, Сцицтиллятор 1 через низкоомный слой 2 соединен с фотоприемником 3« частью которого слой 4 твер дого раствора сцинтиллятора и фотоприемнихвс К фотьлриемнику 3 подключен « «таллимеский контакт 5 а к ни зкоомнону слою - металлический кон такт 6, Через юдатакт 5, 6 к фотопргюмнику. подклю чены источник питания 7 и сопротивление нагрузки 8, К сопротив/юйию нагрузки 8 подклю14ен из1(ерительный прибор 9. Частью сцинтиллятора 1 является входное ок:HO:-TOi:,./:;.;. .. ..-. .;;.,,--.. .. . в Качестве сцинтиллятора 1 установлен кристалл соединений А В с изовалентнын активатс ом, например CdS(Te), CdS(Hg), ZnSe(Te), ZnSe(Hg) ZnS(Te. , ;... . -..,..: .. Низкоомный слой 2 выполнен из материала сцинтиллятора, содержащего избыток металла, например кадмия или цинка. В случае, если сцинтиллятор 1 изготовлен йа основе низкоомно го материала (например CdS(Te) с удельным сопротивлением 10 ), необходимость в использовании слоя 2 пониженного сопротивления отпадает и контакт 6 наносят непосредственно на сцинтиллятор 1 о Низкоомный слой 2 наносят на сцинтиллятор 1 напылением или диффузией,его толщина составляет 1-10 мкм, Низкоомный слой 2 служит для подключения контакта 6 к слою твердого раствора k между сцинтиллятором и фотоприемником „ Слой твердого раствора между сцинтиллятором 1 и фотоприемником 3 является рабочим элементом фотоприемника и включает в себя р-п-перехол между материалом п-типа проводимости (сцинтиллятор 1) и р-типом rtpoBOдимости (фотоприемник 3) Контакт 6 подключают через низкоонмый слоА 2 к п-вывоГУ р-П-перехода cjMir %. слоя составляет 1 мкм. Слой имеет кристаллическув структуру соответствущую структуре 1монокристалпа сцинтиллятора 1 ниггорой двухвалентные втоны мбтвллв второй группы пвриолнчвской систеим (нвпример, калний или цинк) чвсгнчно замечены одноввлентнырв втомкми металлов первой группы (нвпримвр/ медь или ). Слой k прелстввляет соИ , кМвМ .. бри твердый рвствор A т.е. типа ) t нвпрнмвр са,.)Си«)к5, Zn«., Zn jCAgeV С«1,.„(Аце)х8, н об{рввует гетерогенный nepexoit с мвтернвлрм cttHHtftfUMTopB. Фотопрнемник 3 представляет собой ПОЛУПРОВОЦННК P-TMU ПрОВОАИМОСТН, обладвяцмй высоким коэффнцнентой опт(меского поглощения в диапазоне длин волн излучения сцинтиллятора В качестве 0отоприемника могут быть испольасюаны соединения например , , AgjSe, . Через фотолгриемник 3 к слою р-п-перёх а подключен контакт 5 к р-шводу слоя Л, В качестве контактов 5i 6 используют пленю) из алюминия или индия -f алюминий, наносящиеся на фотоприемник 3 и низкоомный слой 2, Контакт 5 наносят на р-материал фотоприемника, и он является р-выврдон рабочего элемента фотоприемника кож-акт б является соответственно -выводом фотоприёмника о Толщина контакта 5 и контакта 6 составляет 1 10 мкм. Контакты наносят напылением или электролизом

Источник питания 7 служит для подачи постоянного напряжения смещения к слою с целью выбора рабочей точки на вольт-амперной характеристике р-п-перехода, формируемого в области слоя твердого раствора А между ма- . териалами сцинтиллятора и фотоприемника с Напряжение источника 7 составляет 0,5-50 В Если устройство используется в режиме фото-ЭДС, источник 7 может отсутствовать о

Сопротивление нагрузки 8, значение которого составляет 10-ТО рм подключается последовательно с источником питания 7 к контактам 5 и б в случае отсутствия источника сопротивления нагрузки подключается к выводам 5, 6. С соп зотиейенмя нагрузки 8 электрический сигнал подается на измерительный прибор S к рэбо«и€му элементу фотоприеиникае . .

Измерительный п-рибор 9 представ ляет собой операционный jCMjWTem, совме1иенный с приветом, регистрирующим изменение амачений падения на пряжения на согтотивлеш и иагруз- кй, к которому подключен вход tmepaционного усилителя с

Входное otmo 10 явйяетея частые сцинтиллятора 1 через которую «онизирукичее излучение попайавт в объем сцинтиллятора« В ислояьау®«йх согласно изобретению г олупроаопмйко№ к сцинтилляторах,, которые we иуадаются в защите от атмосферного воздействия, входное окно предсташлявт из себя механически обрвботанну с требуемой точностью плоскость (как правило, торец цилиндра) мс«ок мсталла сцинтидлйторао

Предложенное устройство работает следующим образом

В исходном состоянии между полупроводником п-типа которым являются сцинтиллятор 1 и низкооммый слой 2 сцинтиллятора, и полупроводником ртипа, которым является фотоприемник 3, например ,GugSe, в слое ИХ твердого раствора формируется р-ппереходо При наличии контакта между полупроводниками с разным типом проводимости в переходном слое, в данном случае их твердого раствора А, устанавливается зарядо-равновеснье состояние между основными носителями заряда п- и р-слоев, то есть электронами и дырками. Это состояние

сопровождается возникновением потенциального барьера Ни р-п-переходе, который в нашем случае локализован в слое о В случае приложенного от источника 7 через сопротивление нагрузки 8 и контакты 5, 6 напряжения смещения обратной по отношению к ри Т1-выводам полярности еще более повышается величина потенциального барьера и, тем самым, запираюьцее действие гетероперехода о Поэтому в исходном состоянии ток через сопротивление нагрузки 8 отсутствует, падение напряжения на нем равно нулю„

Ионизируилчее излучение А попадая через входное окно 10 на кристалл сцинтиллятора 1, возбуждает в кристалле вспьйвки светового излучения В, распространя1сичвгося в объеке кристалла. Это излучение попадает на фотоприенник 3, где в слое k твердого раствора сцинтиллятора происходит поглощение света, сопровождаемое генерацией электронно-дырочных пар. Из 4eнem4e KOHineHTpat w носителей приводит к нарушение равновесного состояния тока нс1сителей заряда в р-п слое k между полупроводникани, низко(жнш4 слоем 2 и фотоприемником 3, что солров(Ж дается возн(4кмовением тока черея сопротивление нагрузки 8, мапрящения на сопротивлении 8 регистрируется измерительным прибором 9о После прекрацения воздействия потока фотонов на слой твердого раствора и фотоп|жемник 3 соответственно. nPeKpf aeTCfl генерация носителей , в области р-п-перехода восста навлиеается динамическое равновесие между дрейфовым током неосновных носителей и диффузионным током основных носителей, восстанавливается pskBHOBecHoe состояние, имевшее место до воздейстЕ ИЯ потока фотонов, ток во внешней гъепи через сопротивление нагрузки отсутствуете Быстродействие описанного процесса, протекающего в р-п-слое , составляет , что более, чем в tO раз, превышает быстродейст процесс ов, проходящих в высокочувствительном фоторезисторе.

Необходимым условием высокой эффективности работы описанного устройства является хорошее согласование спектра излучения сцинтиллятора со спектром фоточувстЕительности фотоприемника „ Отличительная особенность слоя тверлого раствора соединений Ak-x А СОСТОИТ в том,.что коэффициент поглощения К света в обля ти длин волн, излучаемых полупровод никовыми сцинтилляторами, очень высок, его значение не менее К SlO - 5-10 CMV В соответствии с этим интенсивность прошедшего через фотоприемник 3 света I пр по сравнению с интенсив ностью падающего I пад составляе1 «10% 1„д, пр - nq при средних значениях К 10 см и толщины слоя твердог раствора 41 0,3 мкм не менее 90 пбдаю1чего.света поглощается в слое Так как контакт 5, нанесенный из индия или алюминия к фотоприемнику дополнительно играет роль отражателя, практически полностью падающее на фотоприемник излучение ется в слое , вызывая генерацию электронно-дырочных пар Быстродействие устройства, т.ео длительность регистрируемого измерительным прибором 9 электрического импульса, определяется суммой времени разделения электронно-дырочных пар , в слое твердого раствора k и временем релаксации -г электрических процессов в регистрирующей цепи, состоящей из элементов 5-9, что, в свою очередь, зависит от значения RC этой цепи, где R значение нагрузочнрго соп|х тивле-. ния, С - распределенная в элементах 5-9 емкостьь Для твердого раствора io-e--ib- 2. В реальном случае составляет 10 - Таким образом, предложенное устройство По принципу работы существенно отличается от;ранее известных В отличие от прототипа благодаря выбору в качестве фотоприемника неизовалентного со сцинтиялятором материала слой твердого раствора на границе сцинтияпятор-фотоприемник представляет собой гетерогенный р-п-переход, а не фоторезистор, как было е прототипе. Принципиально отличаются как материал и параметры самого слоя -его толщина уменьшилась со 100-200 до 0,05-1 мкм, т.ео более, чем на 2 поря/ ка, а коэффициент поглощения в слое увеличился более, чем на порядка, - так и ха рактер протекающих в слое процессо Вместо изменения проводимости фотопроводящего слоя происходит генерация пар носителей противоположных знаков в сверхтонком слое р-п-переходас Время протекания этого процесса более, чем в 10 раз, ниже времени изменения проводимости фотопроводящего слоя, что позволяет производить измерения параметров коротковременных процессов, характерных для воздействия многих видов ионизир пои х излучений Фактически время срабатывания устройства ограничивается монтажной емкостью и составляет 1-10 МКС Время протекания процессов в р-п-слое твердого раствора в 10 раз меньше указанной величины, поэтому после преодоления технических трудностей, связанных с уменьшением переходной ем кости от фотоприемника к входу операционного усилителя, гремя срабатывания ус ройства может быть значительно понижено Дополнительным прег имув еством предлагаемого устройства является повышение его чувствительности примерно в 10 фаз по сравнению с прототипом В таблице представлены сравнительные данные по базовому объекту, устройству-прототипу и предложенному устройстбУо I Предложенное устройство, которое обладает всеми достоинствами прототипа (малые габариты, вес, высокая надежность работы) j. имеет повышенную чувствительность, которая не ниже, чем у базового устройства Время срабатывания предложенного устройства уменьшилось на три порядка по сравнению с прототипом и стало соизмеримо с временем срабатывания базового устройства Оно может быть ente уменьшено, так как определяется лишь постоянной времени монтан«ой емкости. Таким образ 1, предложенное устройство, сохраняя все преимущества прототипа, обладает более высокой чувствительностью и в 10 раз лучшим быстродействием, поэтому оно может быть использовано для регистрации и исследования импульсных и кратковременных процессов, что особенно важно для ядерной промышленности, в космических исследованиях, медицине, а также для работы в счетном режиме.

На основе Nal (Т1) с фотоумножителем (базовое устройство)

На основе полупроводникового сцимтиллятора с фоторезистовром из твердых растворов соединений А (прототип)

На основе полупроводникового сцинтиллятора с гетерогенным р-п-переходом из твердых растворов соединений А и А (предлагаемое устройство)

0.5-1

0,2-0,f 10-10

1-10

1-1,5

to6