Полупроводниковый сцинтилляционный материал

(5 ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОВЕДОМСТВО СССР(ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН ВТ Р ВИДЕТЕЛЬСТВУ,Г, НоИН основе добави ч а ю- шения ьнонарные соицу соотноравнении с 25 Я для добавкой и мещающей троотрицавки и заме-5; для аемого комподбора активиительно замещаиз компонентов и механизма извых сцинтиллятозирующего излуолняют образуюирующей добавки ;, Чд, ЧВ, располо(21) 2585061/26(54)(57) ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙТИЛЛЯЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ насоединения А В с активирующейВкой одного иэ компонентов, о т лщ и й с я тем, что, с целью повыэффективности и расширения спект Изобретение относится к сцинтилляционным на основе неорганических веществ материалам радиационных детекторов, используемых для регистрации ионизирующих излучений. Эти материалы находят широкое применение в дефектоскопии, ядерной и космической промышленности, при геологоразведочных работах, а также в специальных отраслях хозяйства,Цель изобретения - повышение эффективности и расширениеспектральногодиапаэона люминесценции полупроводникового сцинтилляцион ного материала,Цель достигается тем, что полупроводниковый сцинтилляционный материал с активирующей добавкой одного из компонентов дополнительно содержит вторую добавку одного из компонентов, образующую с исходным материалом твердый раствор замещения, при этом в качестве активатора и замещающей добавки выбраго диапазона люминесценции, материал дополнительно содержит вторую добавку одного из компонентов, образующую с исходным соединением твердый раствор замещения, при этом в качестве активатора и замещающей добавки выбраны компоненты, образующие бинарные соединения А В и имеющие разницу соотношений параметров решетки в сравнении с исходным соединением А В25 оь для соединения с активирующей добавкой и5для соединения с замещающей добавкой, а разницу между электроп роницательностью активирующей добавки и замещаемым компонентом10 О/ и5для эамещающей добавки и замецаемого компонента,ны компоненты, образующие б единения А В и имеющие разЧ шений параметров решетки в И исходным соединением А В соединения с активирующей 15; для соединения с з добавкой, а разницу между эле тельностью активирующей доба щаемым компонентом10% и замещающей добавки и замещпонента.В ы бор к рите риев длярующей добавки и дополнющей добавки одногообусловлен особенностямлучения в полупроводникорах,При воздействии ионечения носители заряда запщиеся при введении активизлучательные уровни, А;, Вженные внутри запре,ценной эоны Ея, на расстоянии Л Е = Е - Е края зоны проводимости (или валентной зоны) с энергией излучения Е, ( = 1 - 4 у соо"ветствующих уровней,Эта энергия соответствует длине волны максимума спектра излучения, Дополнительное введение второй изовалентной добавки одного из компонентов приводит к смещению края запрещенной зоны и, соответственно энергии Е идгины волны излучения. Например, в системе ог 1-х 7 ПХЯ при изменении х от 0 до 1 присходит расширение запрещенной зоны и, возрастание энергии излучения более, чем на 1,2, эВ, Этого достаточно для смещения спектра излучения из красной в синою область спектра, чтобы добиться эффективного согласования с фотоприемными устройствами.Как обнаружено авторами данного изобретения в полупроводниковых сцинтилляУ торах на основе соединений А В преобладает излучение на собственных дефектах. Введение активатора способствует образованию требуемой концентрации центров излучения на собственных дефектах, стабилизации концентрации и эффективности излучения этих центров (их "замораживанию") с повышением температуры до комнатной.Для того, чтобы активатор обеспе ивал создание и "замораживание" дефектной структуры, необходимо существенное раз- ЛИЧИЕ Р ПОСТОЯ ННЬХ РЕШЕТКИ СОЕДИНЕНИЯ С участием активатора по сравнению с соединением основного вещества. Для соединения А В, имеоьцих 2 постоянные решеткиЧс (вдоль Осив) и а (в базисной плоскости), УДОбньм критерием различия ЯвлЯетсЯ Отношене с/а, Нагример, посоянная решетки а в СОЯ (4,13 А) на 57;Д меньше аналогичной величины ь СОТе (а = 6,5 А) и, соответственно, введение двух атомов теллура создает условия для вытеснения одного атома серы в междуузлие, Различие Отношения с/а у Сг 5 (с/а = 1,63) и СбТе (с/а =- 1 - устойчива лишь сфалеритная модификация) около 39, По указанному признаку теллур может использоваться как активатор для сульфида кадмия,Для образования устойчивоо вьсоко- эффективного центра излучения, обусловленного введением изовалентного активатора, помимо соблюдения изложенного выше принципа объемной компенсации, необходимо выполнение также принципа частичной компенсации заряда, Это ДостигаетсЯ при использовании изовалентного активатора, существенно отличаю 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 щегося от замещаемого элемента не только ионным радиусом (что отражено в различии постоянных решетки), но и электроотрицательностью. При выполнении этого условия атом вводимого элемента частично компенсирует заряд образовавшегося точечного дефекта соответствующего знака и образует с ним комплекс (центр излучения), устойчивый до достаточно высоких температур,Авторами данного изобретения экспериментально установлено, что высокоэффективны такие полупроводниковые сцинтилляторы на основе соединений А В, в которых раз Иличие с/а равно или превышает 25 О, а электроотрицательностей равно или более 100(,Например, у соединения СОЯ-хТех различие с/а составляет 1,630. электроотрицательностеи 16%,Теллур может быть использован как изовалентный активатор для данного соединения,У соединения С 11-х 2 пхЗ различие с/а менее 0,6%, злекетроотрицательностей менее 0,5;ь,Цинк может быть использован в качестве изовалентного активатора.Используя приведенные выше критерии и зная спектр излучения основного вещества на собственных дефектах, можно предсказывагь сцинтилляционные характеристики ис- польэуЕМОГО МатЕрИаЛа, ПОдбИратЬ акиватор, способствующий образованию ен гров изучения на собственных дефектах,В табл, 1 приведены основные физические характеристики полупроводниовых .,цинтилляторов с активируоцей Добавкой одного из компонентов,Для достижения перестраиваемого диапазона излучения полупроводниковый сцинтилляционный материал наряду с изовалентным активатором, в соответствии с данным изобретением, дополнительно содержит вторую изовалентную добавку одного из компонентов. За счет использования второй добавки достигается изменение ширины запрещенной зоны материала и, соответственно, спектрального диапазона излучения (табл, 2),Критерии выбора изовалентной добавки противоположны требованиям к изовалентному активатору - постоянные решетки соединения с ее участием (и их соотношение), а также электроотрицательность должны незначительно отличаться от основного вещества. Введение изовалентной добавки не должно;риводить к созданию дополнительных дефектов, так как в этом случае резко возрастает вероятность без излуча8267 б 9 Таблица 1 35 Основные параметры разработанного полупроводникового сцинтиллятора с активирующей добавкойТаблица 2 Основные параметры разработанного полупроводникового сцинтиллятора с активирующей добавкой, дополнительно содержащего вторую добавку одного из компонентовтельных переходов и, соответственно, падает эффективность люминесценции.Экспериментально авторами установлено, что различие с/а для соединения с замещающей дополнительной добавкой должно быть равно или менее 15, а различие электроотрицательностей между указанной добавкой и замещаемым элеметом не должно превышать 5 ф. Для сульфида кадмия, активированного теллуром, в качестве дополнительной добавки одного из компонентов является цинк.Таким образом, полупроводниковый материал соединений А В, содержащей активирующую добавку одного из компонентов и дополнительно вторую добавку одного из компонентов, образующую с исходным материалом твердый раствор замещения, является эффективным сцинтиллятором в некотором спектральном диапазоне, перестраиваемом в зависимости от соотношения исходных компонентов,Получают предложенный материал следующим образом, используя изветные в технике выращивания монокристаллов приемы.В исходное ырье из синтезированного соединения А В, имеющее отклонение отстехиометрии, добавляют сырье, содержащее соединение с участием активирующей добавки одного из компонентов, а также сырье содержащее дополнительную, вторую добавку одного из компонентов. Активирующую добавку используют в коли естве 10 --э1 мольн.), вторую добавку одного из компонентов используют в количестве 1-99 (мольн,). После тщательного перемешивания 5 сырье термообрабатывают в кварцевой ампуле в протоке инертного газа в течение 30 - 50 часов при температуре 900 - 1100" С. Полученную смесь загружают в графитовый тигель, который протягивают через зону с повышен ной до 1450 - 1700 С температурой под давлением инертного газа 50-150 атм.Выращенные из расплава под давлением монокристаллы полупроводниковых сцинтилляторов после удаления загрязненных частей 15 кристалла и механической обработки дополнительно термообрабатывают в кварцевой ампуле в парах собственных компонентов при температуре 900 - 1300 С, в течение 30 - 50 ч.20 Полученные указанным образом кристаллы полупроводниковых сцинтилляторов имеют спектр излучения с максимумом в диапазоне 450 - 1000 нм, эффективностью из лучения 0,1-0,3, время высвечивания до 0,5мкс, Введение второй добавки одного из компонентов обеспечивает перестраиваемость диапазона спектра излучения в указанном интервале длин волн, что обеспечивает хорошее 30 оптическое согласование полупроводниковыхсцинтилляторовкакстрадиционнымиламповыми фотоприемниками, так и с разрабатываемыми полупроводниковыми.