Мозаичный преобразователь жесткого ионизирующего излучения Советский патент 1982 года по МПК H01L31/02 

Изобретение относится к технике визуализации пространственно неоднородных потоков ионизирующих излучений и может быть использовано в интроскопии. Известны фоточуаствительные матри цы на полупроводниковых элементах, используемые для преобразов.ания и за поминания оптических изображений jll состоящие из системы светочувствительных элементов, например, фотодетекторов, расположенных по строкам и столбцам, или из системы фото етекторов и соответствующей им системы МОП-транзисторов. Недостаток указанных преобразователей заключается в том, что они выполнены на тонкой подложке и имеют небольшую глубину чувствительной области, что значительно снижает их эффективность при регистрации рентгеновского и особенно жесткого излучения . Более Э(}х1 ективная регистрация жесткого излучения происходит в сцинтилляционных кристаллах 2j, но вследствие того, что использование в интроскопической системе сцинтилляционного кристалла в со тании (Г передающей телевизионной трубкой приводит к большим потерям информации, более предпочтительным оказывается использование мозаичных полупроводниковых преобразователей на основе структур МДПДМ с высокочастотным смещением, обеспечивающих дополнительное усиление сигнала до вносящих помехи внешних цепей сканирования. Имеются преобразователи излучения, состоящие из набора фоторезисторов, а также фотопроводящие матрицы Г ЗТ- Все эти преобразователи имеют недостаточную чувствительность к жесткому излучению. Наиболее близким решением из известных является мозаичный детектор 3Убб б проникающего излучения «Д , содержащий набор МДПДМ-структур, подключенных к высокочастотному генератору и ориентированных длинной гранью параллельно потоку излучения . s Каждая ячейка этого детектора выполнена в виде металлической трубки, заполненной фотопроводящим материалом, по оси которой проходит проволочный электрод. Для увеличения эффективно- Ю сти регистрации трубчатый и проволочиыи электроды ориентированы паралле но потоку излучения. Однако при детектировании жестко го гамма-излучения с энергиями 1030 МэВ эффективность регистрации по добным преобразователем остается ни кой. Кроме того, при использовании в качестве элементарного датчика МДПДМ-структуры на основе чистого полупроводника (кремния) стоимость преобразователя оказывается значительной. Целью настоящего изобретения является увеличение чувствительности преобразователя при уменьшении его стоимости, а также уменьшение искажений контраста. Поставленная цель достигается reiii, что преобразователь выполнен в виде моноблока из тяжелого проводящего материала (например, свинца) с прямоугольными соосными сотами на передней и задней стороне, в каж дой ячейке задних сот размещены по две МДПДМ-структуры, разделенные сигнальным электродом из тяжелого проводящего материала, выход высоко частотного генератора подключен одним полюсом к моноблоку, а другим - к сигнальным электродам через сопротивления нагрузки, причем толщины боковых стенок задних сот и электродов определены условием 4. где 2материала моноблока и плотности в г/смэлектродаДля получения контрастной чувст вительности- передние и задние соты выполнены так, что толщины их боко вых стенок различны и их разница определена условием d Для увеличения усиливающего действия боковых стенок задних сот -пе редние соты выполнены с проходящими по дну ячеек вдоль боковых стенок передних сот прямоугольными канавка ми, ширина которых равна d ptДно сот имеет толщину, равную оптимальной толщине -переднего усиливающего экрана. По расчетам авторов опт.имальная толщина переднего усиливающего экрана из свинца для кремниевого преобразователя равна 3 мм. При этом отношение сигнал/шум увеличивается в раз по, сравнению со случаем без использования усиливающего экрана, На фиг. 1 показана зависимость К для оптимальной толщины усиливающего экрана от толщины кoнтpqJ;)иpyeмoгo поглотителя S% дефекта и различных толщин кремния для излучения бетатрона с энергией 30 МэВ. Усиливающий экран в данном случае увеличивает контраст примерно во столько же раз, во сколько он увеличивает отношение сигнал/шум. Для случая использования других тяжелых материалов оптимальную толщину усиливающего экрана можно определить из условия Д , Рра плотности материала экрана и свинца, соответственно;d,djj - оптимальные толщины усиливающих экранов из материала с плотностью р и из свинца. В литературе отсутствуют данные по действию боковых усиливающих экранов, в качестве которых функционируют боковые стенки сот предлагаемого преобразователя. Поэт.ому авторами были произведены расчеты действия боковых усиливающих экранов методом Монте-Карло. На фиг. 2 приведены, зависимости отношения сигнал/шум (а ) и сигнала (б ) от толщины бокового усиливающего экрана из свинца для 5 дефекта и энергий излучения 10 и 20 МэВ при постоянном расстоянии между центрами соседних датчиков, т.е. при постоянном размере элемента изображения . Из графиков видно, что оптимальная толщина усиливающего экрана из свинца составляет 0,3 мм. При использовании меньшей толщины усиливающего экрана меньшими оказываются сигнал и отношение сигнал/шум. При большей толщине усиливающего экрана отношение сигнал/шум уменьшается незначительно, но сильно уменьшается сигнал. Усиление по сигналу при оптимальной толщине бокового экрана около 2, а по отношению сигнал/шум около 1,5- Выбор оптимальной толщины боковых усиливающих экранов из других тяжелых материалов можно провести аналогично из условия постоянства массовой толщины. Полученные данные применимы для энергий излучения 5-30 МэВ. Поскольку в описанной выше конструкции боковая стенка задних сот вы полняет роль бокового усиливающего экрана, причем действие она оказывает на обе прилежащие МДПДМ-структуры (см. фиг. 3), то ее минимальна толщина выбирается равной двойной толщине оптимального усиливающего экрана. На фиг. 3 даны следующие обозначе ния: 1- моноблок; 2 - МДПДМ-структуры; 3 - сигнальный электрод. Передние соты применяются для ослабления рассеянного излучения. Для увеличения контрастной чувствительно ти целесообразно боковые стенки задних сот делать толще передних на двойную толщину оптимального бокового экрана. При этом произойдет несу щественное уменьшение отношения сигнал/шум, но уменьшатся контрастные искажения за счет ослабления излучения в центральном слое между элементами изображения, который вреден, т.е. действует одинаково на два датчика в соседних сотах, и повысится эффективность боковых экранов , так как они не будут заслонены боковыми стенками передних сот. Для улучшение усиливающего действия боковых экранов с обоих сторон от боковых стенок передних сот целесообразно проделать канавки шириной, равной оптимальной толщи не бокового усиливающего экрана. При этом усиливающее действие последнего возрастает, так как он будет заслонен меньшей толщиной переднего эк рана. Исполнение преобразователя в виде описанного моноблока технологически удобно. Этот моноблок также является общим электродом для всех МДПДМ-структур. Сигнальный электрод также выполнен из тяжелого материала и является одновременно усиливающим боковым экраном с оптимальной толщиной для обоих МДПДМ-структур. помещенных в каждой ячейке сот. Описанный преобразователь можно выполнить из свинца, используя МДПДМ-структуры на основе кремния. Толщина переднего экрана 3 мм, боковых по 0,3 мм. Между моноблоком и сигнальными электродами приложено высокочастотное напряжение. Расстояние между элементами изображения (5 мм) определяется необходимой разрешающей способностью. Толщина боковых стенок передних сот 0,5 мм, задних 1,1 мм. Простой расчет показывает, что экономия кремния при этом составит 50%, а возрастание отношения сиг:1ап/ шум происходит в 2-2,5 раза. Сигнал усиливался при этом в k-6 раз. Формула изобретения 1 . Мозаичный преобразователь жесткого ионизирующего излучения, содержащий набор МДПДМ-структур, подключенных к высокочастотному генератору и ориентированных длинной гранью параллельно потоку излучения, о т л ич а ю щ и и ся тем, что, с целью увеличения чувствительности преобразователя, преобразователь выполнен в виде моноблока из тяжелого проводящего материала с прямоугольными соосными сотами на передней и задней стороне, в каждой ячейке задних сот размещены по две МДПДМ-структуры, разделенные сигнальным электродом из тяжелого проводящего материала, выход высокочастотного генератора подключен одним полюсом к моноблоку, а другим - к сигнальным электродам через сопротивления нагрузки, причем толщины боковых стенок задних сот и электродов определены условием ьал opt , где 61 P-J,- - плотности материалов моноблока и электрода в г/см/ 2. Мозаичный преобразователь по п. 1,отличающийся тем, что, с целЪю увеличения контрастной чувствительности, передние и задние соты выполнены так, что толщины их

боковых стенок различны и их разница определена условием

SOA «ep.V.

3. Мозаичный преобразователь по пп. 1и2, отличающийся тем, что, с целью увеличения усиливающего действия боковых стенок задних сот, передние соты выполнены с проходящими по дну ячеек вдоль боковых стенок передних сот прямоугольными канавками, ширина которых равна .

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Зотов В. Д. Полупроводниковые устройства восприятия оптической информации, М., 1976 с. 86.

2.Патент США № 3531651, кл. 250-71.5, опублик. 1970.

3.Патент США № 33 35222, кл, 250-8 3.3, опублик. 19б9.

4.Авторское свидетельство СССР № 70203, кл. G 01 N 23/00,1973

(прототип)

()oft Z

t2 2,0 W

и

1Л

и

15 KjCHFe

15 2Q

Фиг.1

10Мз1

0.1

ч

о 06 0,g

аг

20Мз8

0.2 av 0.6 0.6 lij, МП Pt

/