ДЕТЕКТОР ИМПУЛЬСНОГО ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ Советский патент 1996 года по МПК G01T1/24 H01L31/04 

Изобретение относится к области регистрации импульсного ионизирующего излучения (ИИИ) и может быть использовано при исследовании формы импульса и распределения заряда, образованного импульсным излучением по сечению пучка, например при исследовании ИИИ с ускорителей.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей детектора путем обеспечения регистрации пространственного распределения заряда, образованного ИИИ по сечению пучка.

Цель изобретения в детекторе ИИИ, содержащем ЧЭ из теллурида кадмия, обработанного по способу порошковой технологии, на противоположных плоскопараллельных сторонах которого расположены металлические электроды, достигается тем, что в объем ЧЭ введены металлические полоски, параллельные друг другу, плоскость полосок параллельна металлическим электродам, торцы полосок расположены на боковой поверхности ЧЭ.

Сущность изобретения заключается в использовании различия времени жизни дырок и электродов, характерное для CdTe, что обеспечивает минимальную взаимную рекомбинацию дырок и электронов, рожденных ИИИ, в результате чего на полосках происходит накопление носителей одного знака (электронов) и возможность их снятия сканированием электронным лучом, т.е. реализация функций ПЧД.

Импульсный аналоговый режим обеспечивается путем дрейфового сбора носителей заряда, образованных под действием ИИИ в области между полосками, на контакты детектора, а теллурид кадмия имеет достаточно низкую твердость, чтобы реализовать детектор по способу порошковой технологии со свойствами структуры, облегчающими реализацию импульсного детектора.

Конструкция детектора ИИИ представлена на чертеже.

ЧЭ 1 изготовлен способом порошковой металлургии на основе CdTe и представляет собой параллелепипед, на противоположные стороны которого нанесены металлические электроды 2. В тело ЧЭ впрессованы металлические полоски 3, причем плоскости полоски расположены параллельно контактам ЧЭ. Контактные полоски впрессованы таким образом, чтобы они имели выход на поверхность ЧЭ. Полоски, впрессованные в теле детектора, в отличие от традиционного ПЧД с расположением их на поверхности являются коллекторами обоих типов носителей заряда. Результирующий заряд, снимаемый с полосок после прекращения воздействия ИИИ, является разностью между суммарным зарядом электронов и дырок. В случае Si, Ge, как наиболее употребляемых полупроводников для детекторов ИИИ, подвижность электронов и дырок соотносится как 2:1, 3:1, т.е. в гипотетическом случае изготовления предлагаемого детектора из Si и Ge результирующий заряд электронов не превышает половины суммарного заряда электронов и дырок. В случае CdTe при соотношении подвижностей электронов и дырок 16:1 результирующий заряд электронов составляет >90% от суммарного. Данный принцип накопления результирующего заряда реализуется только в структурах с неполным собиранием заряда, к которым и относится структура предлагаемого детектора, изготовленная по способу порошковой технологии. В традиционных монокристаллических детекторах при полном собирании носителей происходит полная рекомбинация электронов и дырок при расположении полосок в объеме детектора. В предлагаемом детекторе из-за различной длины свободного пробега электронов и дырок, пропорциональной подвижности соответствующих носителей при неполном их сборе, и длине свободного пробега электронов порядка десятков микрон, что много меньше полной толщины детектора, взаимная рекомбинация частичная. Отсутствие подачи напряжения на впрессованные полоски препятствует компенсации нескомпенсированного заряда электронов на полосках путем экстракции положительного заряда из внешней цепи. Тем самым происходит накопление заряда на полосках. Сохранение заряда на полосках обеспечивается следующими условиями. Высота барьера между металлом полоски и полупроводником должна быть максимальной, чтобы обеспечить стеканию заряда за счет процессов переноса различного типа. Наиболее удачным материалом для полосок применительно к соединениям А^IIB^VI, в которых высота барьера сильно зависит от электроотрицательности заряда металла, является медь, которая, являясь пластичным материалом, что является определяющим фактором для процесса прессовки детектора, и имея высокую температуру плавления (1063^oC), позволяет проводить термический отжиг по способу, используемому для изготовления детектора (температура отжига до 900^oC). Структура прессованного CdTe из-за его полуизолирующих свойств также обеспечивает отсутствие стекания заряда. Чтобы полностью оптимизировать условия сохранения заряда, после прохождения импульса ИИИ и регистрации его электрического аналога на аппаратуре напряжение с детектора снимают. Тем самым на полоски, на которых накоплен заряд, уже не воздействует электрическое поле детектора, которое облегчает инжекцию накопленных носителей в объем полупроводника, т.е. потерю заряда. Помимо этого снятие напряжения способствует уменьшению шумов детектора, которые резко сужают динамический диапазон работы ПЧД. Снятие заряда с полосок осуществляется электронным лучом, диаметр сечения которого не должен превышать ширины полосок, чтобы не снимать заряд с соседней, тем самым ухудшая пространственное разрешение ПЧД в целом.

Принцип действия детектора заключается в следующем. ИИИ, попадая в объем ЧЭ, образует электронно-дырочные пары, которые под действием электрического поля, приложенного к электродам ЧЭ, как показано на чертеже, рассасываются по (против) электрическому полю. Те носители, которые находятся в области силовых линий электрического поля, проходящих между полосками 3, беспрепятственно дрейфуют к соответствующим электродам 2, давая вклад в полезный сигнал, который представляет собой электрический аналог формы ИИИ. Другие носители, образованные в области (II), ограниченной проекцией полосок на электроды, дрейфуют по (против) направлению поля, попадая на металлические полоски, "залипают", поскольку энергия электронов и дырок E ≈1 КэВ недостаточна, чтобы преодолеть потенциальный барьеp полупроводник металл с учетом толщины контакта <0,1 мм. Длина свободного пробега в меди электрона с Е=1 КэВ <1 мкм. Величина заряда, накопленного на полосках, пропорциональна эквивалентной емкости, равной сумме емкостей, образованной каждой отдельной полоской, и соответствующей площади проекции полоски на один и другой электроды. Заряд, накопленный на полосках, считывается электронным лучом путем сканирования им по боковой поверхности в направлении от полоски к электроду с выводом на регистратор. Если торцы полосок не выведены на поверхность, съем заряда путем сканирования электронным лучом не обеспечивается из-за того, что порошковый CdTe, подвергнутый обработке по способу [2] является полуизолирующим материалом, стекание заряда с полосок минимально и съем заряда с ним путем сканирования не представляет сложности. Впрессованные полоски могут быть практически с любым шагом и любого размера (вплоть до 0,1х1 мм). На плоскости не прикладывается потенциал, в противном случае встроенное электрическое поле притягивает (отталкивает) носители не только в области II, но и в области I, тем самым искажая форму импульса ИИИ.

П р и м е р. ЧЭ детектора 5х5х1,5 мм, медные полоски размером 1х0,2х5 мм. Количество полосок три. Зазор между полосками 0,8 мм. U_раб=1500 В. S_γ(1 3)•10^-19 А• см²•c/квант, t_0,5 (1- 1,5)•10 ^-9 с. Заряд, снимаемый с трех полосок, составляет соответственно 6•10^-11 K, 7•10^-11 К, 5• 10^-11 К. Детектор располагался по геометрическому центру пучка. Таким образом обнаружена асимметрия пучка тормозного излучения ускорителя.

Таким образом, предлагаемый детектор, обладая достоинствами прототипа, заключающимися в возможности регистрации рентгеновского излучения и гамма-излучения значительных энергий нано- и субнаносекундного диапазона длительности, обладает по сравнению с ним преимуществом, заключающимся в возможности регистрации распределения заряда, образованного ИИИ по сечению пучка.

Использование: ускорительная техника - при исследовании формы импульса и распределения заряда, образованного импульсным излучением по сечению пучка. Сущность изобретения: в объем чувствительного элемента введены металлические полоски, плоскости которых параллельны металлическим электродам, торцы полосок расположены на боковой поверхности чувствительного элемента. Заряд, накопленный на полосках, считывается электронным лучом путем сканирования им по боковой поверхности в направлении от полоски к электродуге. Во время сканирования заряд с детектора снимают. 1 ил.

Детектор импульсного ионизирующего излучения (ИИИ), содержащий чувствительный элемент из теллурида кадмия, полученного методом порошковой технологии, на противоположных плоскопараллельных сторонах которого расположены металлические электроды, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей детектора путем обеспечения регистрации пространственного распределения заряда, образованного ИИИ по сечению пучка, в объем чувствительного элемента введены металлические полоски, плоскости которых параллельны металлическим электродам, торцы полосок расположены на боковой поверхности чувствительного элемента.