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

Изобретение относится к области регистрации и измерения интенсивности -излучений, корпускулярных и космических излучений, рентгеновских лучей, а также измерения плотности нейтронов с помощью детекторов и может найти применение в устройствах дЛя регистрации этих излучений.

Широкое использование приемных устройств для регистрации ионизирующих излучений в космической и ядер-, ной промышленности, в медицине и .геологии, а также в специальных отраслях народного хозяйства предъявляет повышенные требования к дальнейшему улучшению чувствительности и надежности рёботы таких устройств.

Известны два типа подобных устройств, использующих различные принципы работы. Это полупроводниковые и сцинтилляционные детекторы ионизирующих излучений . В конечном итоге каждое из этих устройств на выходе должно обеспечить изменения электрического тока или напряжения, пропорцио нальные интенсивности (или энергии) ионизирующего излучения„ .что позволяет выход устройства согласовать со входом стандартных электроизмерительIных приборов. Каждое из известных устройств имеет свои достоинства и недостатки.

В полупроводниковых детекторах принцип действия основан на фотопро водимости - изменении сопротивления детектора под действием ионизирующе го излучения.

Это позволяет подключать измерительный прибор с источником напряжения непосредственно к выходу детектора и создавать надежные малогабаритные устройства для регистрации ионизирующих излучений,

Однако существенным недостатком полупроводниковых детекторов и устройств на их основе является низкая, по сравнению со сцинтилляционными детекторами, чувствительность. Этот нелостаток заложен в самом принципе ра боты устройства. Работа устройства заключается в том, что ионизирующее излучение, поглощаясь в кристалле, переводит электроны в возбужденное состояние. При этом часть п от общего числа N возбужденных электронов переходит в зону проводимости, что обеспечивает изменение проводимости кристалла 6 пеЛ, где е-- заряд электрона, (Ц - подвижность. В полупроводниковых детекторах всегда п« N, так как переход электрона в зону проводимости происходит только при выполнении законов сохранения энергии и импульса, т.е. условий:1Е„ йЕ Е, (1); К-,. к (2) где Еф, cf) энергия и волновой вектор падающих фотонов, E, К - энергия И волновой векТор возбужденного элект рона, Ео- ширина запрещенной зоны Условия (1, 2) описывают прямой переход возбужденного электрона в зо ну проводимости. Известно устройство, в котором в отличие от известных п-п детекторов повышена чувствительность регистрации за счет выбора полупроводника с такой структурой валентной и запрещенной зон, при которой осуществляется не только прямой, но и косой переход электронов в зону прово димости. Дополнительное число элект ронов Дп, попадающих в зону проводимости, удовлетворяет- условиям: . E.. . где gE, энергия и волновой вектор испускаемого электроном фотона, уносящего избыток поглощенной электроно энергии. В этом устройстве проводимость кристалла повышается на Ь(з йпе/Ц Однако и а этом устройстве п + Дп N, так как не все возбужден ные электроны попадают в зону проводимости. Достоинством полупроводниковых де текторов является их малый вес (100 без усилителя) и габариты см, однако диапазон применения ограничен низкой эффективностью регистрации. Известные сцинтилляционные детекторы имеют существенно более высокую эффективность регистрации по сравнению с полупроводниковыми, благодаря чему они нашли более широкое применение, в сцинтилляционных детекторах ионизирующее излучение, поглощаясь в кристалле, переводит электроны в возбужденное состояние. Возвращаясь в исходное состояние, часть п общего числа N возбужденных электронов излучает поглощенную энергию в видимом диапазоне. При этом п je N, так как ограничения для данного случая отсутствуют. Энергия частиц ионизирующего первичного излучения настолько высока, что каждая частица, может перевести в возбужденное состояние более одного электрона, т.е. число частиц падающего излучения и квантовый выход сцинтиллятора может превысить 100, а эффективность его излучения достигает 30 . Кристалл сцинтиллятора имеет габариты и вес, соизмеримые с габаритами и весом кристалла полупроводникового детектора. Однак о, в отличие от полупроводникового детектора, измерительный прибор, регистрирующий изменение электрических параметров, не может быть подключен прямо к кристаллу сцинтиллятора и необходимо использование промежуточного фотоприемного устройства. Приемник фотоизлучения, в качестве которого обычно используют фотоумножители (ФЭУ), обеспечивает преобразование энергии светового излучения в импульсы тока или напряжения. Его использование усложняет конструкцию и понижает ее надежность. Сам ФЭУ является достаточно сложным элементом, для его работы необходимо иметь ряд источников питания, в том числе высокого (до 1-1,5 кВ) напряжения. Ближайшим к заявляемому является устройство для регистрации ионизирующих излучений, содержащее выполненные из полупроводниковых соединений сцинтиллятор и фотоприемник. В этом .устройстве в к ачестве приемника фотоизлучения используют фотодиод. Использование фотодиода взамен ФЭУ понижает вес устройства с источниками питания от нескольких десягков килограмм до нескольких сот грамм. При этом значительно расширяются возможностиИспользования таких

устройств за счет упрощения конструкции. Например, они могут быть использованы в медицине и других отраслях для создания мозаичных экранов из нескольких десятков и сотен сцинтйлляторов, в которых использование системы сцинтиллятор - ФЭУ невозможно из принципиальных соображений. Между тем, создание таких экранов необходи МО для развития нового поколения уст ройств, существенно ускоряющих научно-технический прогресс. D качестве полупроводниковых фотоприемников в этих устройствах обыч но используют кремниевые фотодиоды. максимум фоточувствительности которых приходится на 900 нм, а в качестве сцинтилляторов - монокристаллы CsI:Te из соединений или CdS: ;Те из соединений А . Максимум спектра излучения их приходится на 5бО и 700-730 нм соответственно, он значительно смещен относительно максимума фоточувствительности приемника, что ухудшает эффективность регистрации светового излучения. Большим недостатком всех известных устройств, включающих систему сцинтиллятор-фотоприемник, является необходимость оптического согласования излучающего и принимающего свет элементов,а также их механическое соединение. Эти недостатки в равной мере присущи системе сцинтилляторФЭУ и сцинтиллятор - фотодиод Описанные устройства имеют еще и тот недостаток, что максимум спектра излучения сцинтиллятора практически никогда не совпадает с максимумом спект ра чувствительности фотоприемника, что приводит к дополнительному заметному снижению чувствительности устройства. Целью изобретения является получение интегральной конструкции и повышение чувствительности устройства для регистрации ионизирующих излучений, а также повышение надежности устройства, его стойкости к механическим, температурным и климатическим воздействиям при одновременном уменьшении его габаритов и веса. Поставленная цель достигается тем, что в известном устройстве для регистрации ионизирующих излучений, содержащем СЦИНТИЛЛЯТОР и фотоприемник, частью которого является фотоприемный элемент, спектр возбуждения фотопроводимости которого соответствует спектру излучения сцинтиллятора, фотоприемный элемент интегрально выполнен на материале сцинтиллятора в виде слоя твердого раствора соединений А толщиной 200-300 длин волн излучения сцинтиллятора 71И5Л, частью которого является подслой U1, причем 1 2 - З , 1 10 - 100U1, где А игл длины волны регистрируемого излучения, д - толщина подслоя, В качестве сцинтилляторз установ- . лен кристалл соединений л с изовалентным активатором, например CdS: :Те, CdS:Hg, ZnS:Te, ZnS:Te, CdSe:Te в качестве фотоприемника использован материал на основе соединений Л В , фоточувствительный в области максимума излучения сцинтиллятора, а соединение сцинтиллятора с фотоприемником выполнено в виде твердого раствора обоих материалов, материал фотоприемника подбирается таким образом, чтобы максимум его спектра фотопроводимости был близок к максимуму спектра излучения сцинтиллятора. В табл. 1 приведены соответствующие параметры этих материалов и указан рекомендуемый подбор пар сцинтиллятор-фотоприемник. Блок-схема -предлагаемого устройства представлена на фиг. 1. Сцинтиллятор 1 через слой 2 твердого раствора сцинтиллятора и фотоприемника соединен с кристаллом 3 Фотоприемника. Элементом k фотоприемника является подслой твердого раствора тощиной 1 (Л1«1). Через контакты 5 фотоприемник, состоящий из слоя 2 твердого раствора (частью которого является подслой этого слоя - элемент фотоприемника 4) и кристалла 3 фотоприемника, соединен с измерительным прибором 6. Толдина подслоя выбрана из зааисимости ul 2 - 3 игл Толщина соединяющего слоя 2 в 10-100 раз превышает тощину подслоя , На фиг. 2 приведены спектральные характеристики излучения сцинтиллятора (кривая 1), проводимости фотоприемника (кривая 2) и проводимости подслоя 4 твердого раствора (кривая 3). Благодаря полному согласованию спектральных характеристик излучения сцинтиллятора и фотопроводимости фотоприемника потери при преобразовании световой энергии в электрическую в предложенном устройстве практически отсутствуют, что ранее не могло быть постигнуто в известных устройствах. Предлагаемое устройство работает следующим образом. Радиационное излу чение Л попадает на кристалл сцинтиллятора 1, поглощается в его объеме, возбуждая в кристалле световое излучение В. Кванты световой энергии значение которой для каждого из пред лагаемых сцинтилляторов лежит вблизи значения, указанного в табл. 1, распространяются в объеме кристалла, от ражаясь от торца и боковых поверхнос тей, и проникают в слой твердого раствора 2, где и происходит поглощение (в подслое 4) при х, обеспечивающем совпадение максимумов фотопроводимости приемника и спектра излучения сцинтиллятора. Низкоэнергетйческий хвост излучения проникает вглубь фотоприемника и поглощается там по его толщине при Х(,х 0. Изменение фотопроводимости регистрируется измерительным прибором 6. В предлагаемом устройстве осуществляется двухступенчатое преобразование энергии. Вначале радиационное излучение, взаимодействуя с материалом сцинтиллятора, преобразуется в световое. Эффективность этого преобразования в соединениях А составляет , т.е. не уступает лучшим из известных, например NaI:Tl. На втором этапе световое излучение поглощается фотоприемным устройством Эффективность этого .преобразования благодаря подбору фотоприемника из соответствуюьчего монокристалла соединений А и соединения его слоем твердого раствора со сцинтилля тором близка к 100%. Наличие слоя твердого раствора толщиной мкм обеспечивает отсутствие отражений от границы сцинтиллятор-фотоприемнйк и повышение чyвcтвитeлbf ocти фотоприемника (частью которого является слой твердого раствора). Таким образом предлагаемое устройство по принципу работы отличается от всех ранее известных. Граница между сцинтиллятором и фотоприемником из пассивного элемента превратилась в активный, в котором происходит основное, преобразование энергии светового излучения в электрическую. Одновременно этот элемент (слой твердого раствора) обеспечивает интегральность конструкции и устраняет все элементы, служащие для механической фиксации сцинтиллятора относительно фотоприемника. За счет использования слоя твердого раствора на границе сцинтиллятор-фотоприемнйк полностью устраняются потери на паразитное поглощение и отражение в световом тракте, достигается полное согласование спектральных-;: характеристик излучения сцинтиллятора и фотопроводимости приемника. Это повышает чувствительность устройства, упрощает его конструкцию, повышает ее надежность, механическую прочность, стойкость к температурному и климатическому воздействию. В предлагаемом устройстве за счет принципиально нового решения достигнуто сочетание высокой чувствительности, характерной для сцинтилляторов, с малыми габаритами (03l,5 см) и весом (30 г), характерными для полупроводниковых детекторов. Наряду с этим предлагаемое устройство лишено недостатков обоих типов известных устройств, обусловленных принципом их работы. Испытания подтвердили высокие надежность, термо- и вибропрочность устройства. Т а б л и ц а 1

Продолжение табл.1

УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ, содержащее выполненные из полупроводниковых сое динений сцинтиллятор и фотоприемник, отличающееся тем, что, с целью повышения чувствительности и надежности устройства, фотоприемник интегрально выполнен на материале сцинтиллятора в виде слоя твердого раствора соединения .А , причем толдина слоя составляет 200-300 длин волн излучения сцинтиллятора.

700 950 500 900 850 1000

УРС-р,02 отсутств. Еб-ЗА УРС-60

УРС-0,02 усилит. Щ Й12

СДЛ-1 ко- (цифр, эфф.усил. вольтм)

700

1000

700

kSQ

1000

1000

Таблица 2

|C,0.

г53к1,5 30 г.

3

300

30x70x110 25 кг.с усилителем и питание

фотаяров

soa

ш

6oi

SOO Л, ни

700

Фиг.2