ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДЕТЕКТОР ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ Советский патент 1996 года по МПК H01L31/203 

Изобретение относится к экспериментальной физике и может быть использовано для регистрации гамма-излучения в импульсных полях смешанного гамма-нейтронного излучений.

Цель изобретения повышение избирательности детектора к гамма-излучению в импульсных полях смешанного гамма-нейтронного излучения и улучшение временного разрешения.

На фиг. 1 представлена конструкция предлагаемого детектора; на фиг. 2 - распределение плотности ионизации по толщине чувствительного элемента в направлении падающего излучения.

Предлагаемый детектор имеет корпус 1, передний конвертер 2, чувствительный элемент 3, задний конвертер 4, разъем 5. Для изоляции чувствительного элемента от корпуса использован изолятор 6, токопроводящий электрод 7. Чувствительный элемент 3, например из кремния, с конвертерами 2 и 4 установлен в корпусе 1, например, из алюминия. Для изоляции кремниевого чувствительного элемента 3 от корпуса 1 использован изолятор, например фторопласт. Напряжение питания подается, а сигнал снимается с помощью токопроводящего электрода 7 через разъем 5. Критерием выбора материала конвертеров является выход вторичных электронов вперед и назад, который является функцией атомного номера материала. Для известного детектора с воздухоэквивалентным конвертером ( Z≈7), окружающим чувствительный элемент, суммарное число вторичных электронов на гамма-квант равно 8,75•10^-3 Наибольший выход вперед вторичных электронов характерен при воздействии гамма-излучения на передний конвертер, выполненный из легкого материала с Z₁≅7, например графита или бериллия. Выход вторичных электронов назад при воздействии гамма-квантов на задний конвертер увеличивается при увеличении атомного номера Z₂ материала заднего конвертера, но при Z₂ > 7 < 30 вклад вторичных электронов в выходной ток еще незначителен. Материал заднего конвертера с Z₂≥4O обеспечивает 10% увеличение вклада вторичных электронов в ток детектора по сравнению с прототипом. Толщина d₁, переднего конвертера выбирается не менее равновесной толщины l_1равн, равной пробегу электронов с максимальной энергией для данной энергии гамма-излучения. С ростом толщины переднего конвертера чувствительность к гаммаизлучению растет, проходит через максимум и начинает спадать. При этом избирательность к гамма-излучению продолжает расти из-за большего ослабления легким материалом нейтройного излучения, чем гамма-излучения. Критерием для максимальной толщины переднего конвертера является такая его толщина, при которой чувствительность предлагаемого детектора к гамма-излучению не менее чем у прототипа. Эксперименты показали, что это выполняется при толщине переднего конвертера меньшей длины свободного пробега гамма-квантов l_свγ. Таким образом, l_свγ ≥ d₁≥ l_1равн Толщина заднего конвертера d₂ выбрана не менее равновесной толщины для электронов, вылетевших назад из заднего конвертера l_2равн. Дальнейшее увеличение толщины не приводит к увеличению чувствительности к гаммаизлучению. В то же время рост толщины заднего конвертера из тяжелого материала приводит к увеличению чувствительности к нейтронам за счет реакций на материале конвертера с выходом гамма-квантов. Следовательно, с ростом толщины заднего конвертера избирательность детектора падает. Критерием для максимальной толщины заднего конвертера d₂ является такая его толщина, при которой избирательность уменьшается пренебрежимо мало ≈ на 0,01. Расчеты показали, что это выполняется при толщине заднего конвертера d₂, меньшей длины релаксации нейтронов L в материале конвертера. Таким образом, L ≥ d₂ ≥ l_2равн.

Ниже представлено обоснование расположения заднего конвертера прилегающим к р-слою чувствительного элемента. За счет электронов, вышедших из переднего конвертера и испытавших обратное рассеяние от заднего конвертера, а также электронов, вылетевших назад из заднего конвертера, в чувствительном элементе детектора происходит неравновесная ионизация. На фиг. 2 показано примерное распределение плотности ионизации по толщине чувствительной области. Расчетно-экспериментальная проверка подтвердила правильность профиля ионизации по толщине чувствительной области (d). Наибольшая плотность ионизации создается в детекторе у заднего конвертера из тяжелого материала. В этом случае временное разрешение детектора зависит от полярности приложенного напряжения питания. При подаче на задний конвертер отрицательного напряжения питания достигается меньшее временное разрешение по сравнению с прототипом с равномерной ионизацией чувствительного элемента. Электрический ток в детекторе создается электронами и дырками. Подвижность последних ниже. Преимущественная ионизация у отрицательного электрода позволяет сократить пути, проходимые дырками в чувствительном элементе, и тем самым уменьшить время собирания носителей, т.е. уменьшить временное разрешение детектора. Расчеты показывают, что для детектора с чувствительным элементом толщиной 300 мкм временное разрешение уменьшается ≈ в 1,2 раза по сравнению с прототипом.

Предлагаемый детектор работает следующим образом.

На детектор падает гамма-излучение. При взаимодействии гамма-квантов с материалом переднего конвертера 2 образуется вторичное электронное излучение, выходящее вперед. При взаимодействии гамма-квантов с материалом заднего конвертера 4 образуется вторичное электронное излучение, выходящее назад. Под действием падающего излучения происходит ионизация чувствительного элемента 3: во-первых, непосредственно под действием гамма-излучения прошедшего через чувствительный элемент; во-вторых, под действием вторичного электронного излучения, вышедшего вперед и испытавшего обратное рассеяние от заднего конвертера; в-третьих, под действием вторичных электронов, вышедших назад. Так как энергия обратно рассеянных электронов невелика, то наибольшая плотность ионизации реализуется у заднего конвертера 4. Под действием электрического поля, приложенного отрицательным потенциалом к токоведущему электроду 7, происходит собирание заряда. Выходной импульс тока детектора регистрируется, например, с помощью осциллографического регистратора (на фиг. 1 не показан).

Изобретение заключается в том, что дополнительный вклад в выходной ток вносят вторичные электроны, вылетающие назад, образовавшиеся при воздействии гамма-излучения на задний конвертер, при этом воздействие нейтронного излучения на чувствительный элемент ослабляется передним конвертером, а также в том, что неравновесная ионизация, происходящая в чувствительном элементе, в совокупности с описанным выше расположением р-n-структуры по отношению к заднему конвертеру позволяет уменьшить время собирания дырок. Изобретение может быть использовано в детекторах с полупроводниковым чувствительным элементом в виде пластины. Распределение плотности ионизации по толщине чувствительного элемента будет таким же, как представлено на фиг. 2. Существенным в этом случае является подача отрицательного напряжения на задний конвертер, что и приводит к улучшению временного разрешения.

В качестве примера можно рассмотреть детектор с кремниевым чувствительным элементом р-i-n-структуры. Размеры кремниевого чувствительной элемента D 6,0•0,2 мм. Передний конвертер изготовлен из бериллия Z₁ 4 толщиной 40 мм, задний из вольфрама Z₂ 74 толщиной О,4 мм. Для бериллия значение l_свγ ≈ 106 мм l_1равн ≈ 3 мм для вольфрама L ≈ 5 мм, L_2равн ≈ 0,3 мм. В таблице приведены результаты измерения чувствительности к гамма-излучению ⁶⁰Со и временного разрешения детектора по сравнению с прототипом, имевшим кремниевый чувствительный элемент того же объема.

Изобретение позволяет повысить чувствительность детектора в ≈1,4 раза и уменьшить его временное разрешение в ≈1,2 раза по сравнению с известным детектором. ТТТ1 ЫЫЫ2

Изобретение относится к полупроводниковой технике, а именно к полупроводниковым детекторам гамма-излучения. Цель изобретения - повышение избирательности детектора к гамма-излучению в импульсных полях смешанного гамма-нейтронного излучения и уменьшение временного разрешения детектора . Цель достигаются тем , что детектор содержит чувствительный элемент p-n р-i-n-структуры, передний конвертер из легкого материала Z₁ ≅ 7, задний конвертер из тяжелого материала Z₂ ≥ 40, установленный вплотную к р-слою чувствительного элемента. Конвертеры выполнены определенной толщины. Конструкция позволяет увеличить выходной ток не только за счет электронов, вышедших вперед из легкогo конвертера, но и за счет электронов, вышедших назад из заднего конвертера. Подача отрицательного потенциала на задний конвертер с учетом происходящей неравновесной ионизации позволяет улучшить временное разрешение за счет уменьшения времени сбора дырок. 1 табл, 2 ил.

Полупроводниковый детектор гаммаизлучения, содержащий чувствительный элемент p-n p-i-n-структуры, перед которым по отношению к падающему излучению установлен передний конвертер из легкого материала Z₁≅ 7, отличающийся тем, что, с целью повышения избирательности детектора к гамма-излучению в импульсных полях смешанного гамма-нейтронного излучения и уменьшения временного разрешения детектора, он содержит задний конвертер из тяжелого материала Z₂ ≥ 40 толщиной L≥d₂≥l_2равн, где L длина релаксации нейтронов, l_2равн длина пробега электронов, вышедших назад из заднего конвертера, с максимальной энергией для данной энергии гамма-излучения, причем задний конвертер установлен вплотную к p-слою чувствительного элемента, толщина переднего конвертера l_св ≥ d ≥ l_1равн, l_св длина свободного пробега гамма-квантов, l_1равн. длина пробега электронов с максимальной энергией для данной энергии гамма-излучения.