Полупроводниковый детекторионизирующих излучений

Союз Советскик Социалистических РеспубликОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ щ 701427(61) Дополнительное к авт. свид-ву(22) Заявлено 200378 (21592035/18-25с присоединением заявки ИЮ(51)М, Кл. Н 0131/02 Государственный комитет СССР но делам изобретений и открытий(54) ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДЕТЕКТОР ИОНИЗИРУКЦИИЗЛУЧЕНИЙ2 Изобретение относится к приборамдля физических измерений, в частности к полупроводниковым детекторамионизирующих излучений, работающимв токовом режиме и иснользуеьым дляизмерения временных параметров импульсных потоков излучения нано- исубнаносекундного диапазонов длительностей,10Детекторы, работающие в нано- и,субнаносекундном диапазонах, характеризуются высоким временным разрешением, которое определяется шири- .ной импульсной характеристики детектора на уровне 0,5,обычно эта характеристика несимметрична и ширина евна уровне 0,5 составляета =М +Ь (4)где дс т -"йнтервал времени, оттределяемый временем сбора неравно-весных носителей,образующихся в рабочем объеме чувствительного элемента детектора, 25ас -интервал времени, определяексмай постоянной времени ВС-.цепи на выходе детектора (ксопротивление нагрузки цепиразряда, С - емкость чувствительного элемента).,(Время сбора неравновесных носителей определяется выражением .где д - толщина рабочей областичувствительного полупроводникового элемента детектораЧ - скорость перемещения неравновесных носителей, котораяне превышает, 10 ф м/сек.Временное разрешение детектора можно улучшить, уменьшая Атото есть уменьшая О .и С. Емкость чувствительного элемента обратно пропорциональна толщине д и прямо пропорциональна площади чувствительного элемента 5 - СВ/д и, следоватвльноф. необходимо уменьшать . Однако с уменьшением площади 5 уменьшается чув ствительность детектора, которую мож но уменьшать только до некоторого предела, определяемого чувствительностью регистрирукщей аппаратуры (в частности, осциллографическив ре-. гистраторы, используемые в основном при проведении Физических экспериментов, характеризуются сравнительно низкой чувствительностью).Временное разрешение детектора значительно ухудшается если в вгО состав входит кабельная линия связидля передачи сигнала на значительные расстояния, что необходимо при про, ведении ряда физических экспериментов. Как известно, кабельная линия связи имеет ограниченную полосу пропускания и при передаче импульсов нано- и субнаносекундного диапазойов длительностей происходит значительное искажение их даже прн использовании широкополосных кабелей.Известен многоэлементный полупроводниковый детектор, обладающий высо- О кой чувствительностью, складывающейся из чувствительностей отдельных элементов, и приемпемым временным разрешением, определяемым временным разрешением отдельного элемента 1). 15Чувствительные элементы детектора представляют собой Отдельные полупроводниковые диоды, изолированные другот друга.Недостатком этого детектора является сложность технологии изготовления и малая надежность, так как в интенсивных полях нарушается изоляция между элементами, к тому же временное разрешение определяется временным разрешением отдельного элемента.Ближайшим к заявляемому является полупроводниковый детектор ионизирующих излучений, содержащий полупроводниковый чувствительный элемент и подключенную к нему кабельную линиюсвязи 2) .Конструктивно детектор выполнеНтаким образом, что корпус имеет коаксиальный разъем, к которому подключена коаксиальная кабельная линия З 5связи для подачи напряжения питанияна чувствительный полупроводниковый(кремниевый ри структуры) элементи снятия полезного сигнала.Максимальное временное разрешение 4 Одетектора без учета кабельной линииможет составлять О,В нс при чувствительности 510 с В типовыхО С Смфизических экспериментах кабельнаялиния имеет обычно длину 100 м. Приэтом за счет искажения при передаче,по кабельной линии кабель типа РК 75-9-12) коротких импульсов и временное разрешение ухудшается до 1,0 нс.При такой чувствительности детектора сигналы могут быть зарегистрированы скоростными регистраторами(например С 7-10) лишь при потоках излучения более 10 М с, Получение таких импульсных потоков в лабораторных условиях представляет большие 55трудности.Целью изобретения является увеличение временного разрешения и чувствительности детектора.Для достижения указанной цели вполупроводниковом детекторе, содержащем полупроводниковый чувствительныйэлемент и подключенную к немукабельную линию связи, к выходу чувствительного элемента параллельно ему подключен конденсатор, а к выходу кабельной линии связи подключен коротко- замкнутый отрезок кабеля, причем величина емкости конденсатора С длина с короткозамкнутого отрезка кабеля и толщина д чувствительного элемента удовлетворяют соотношениюаС с, )М Ч мггде- волновое сопротивлениекабельной линии,с - длительность импульса излуИчения;Ч - скорость распространенияполя в кабельной линиисвязи,Чс - скорость перемещения неравновесных носителей.На фиг. 1 представлена конструкция детектора. Она состоит из полупроводникового чувствительного элемента 1, соединенного с широкополосной кабельной линией 2, к точке соединения которых параллельно элементу 1 подкгпочен конденсатор 3, к выходу кабельной линии 2 подключен коротко- замкнутый отрезок кабеля 4.На фиг. 2 представлена эквивалентная схема детектора. Полупроводниковый чувствительный элемент 1 на основе кремния представлен в виде источника тока, емкости С, и емкости С р ВОднового сОпрОтивления Я ка бельной линии 2 и короткозамкнутого отрезка кабеля 4Детектор работает следующим образ ом.Излучение возбуждает в чувствительном элементе 1 импульс тока который заряжает суммарную емкость Ср = С + С - С, где С- емкость монтажа, в результате на вход кабельной линии 2 поступает импульс Г ( с ), который в общем виде описывается вы- ражениемЮ Х 1(С)И хит (.2) где 9(с) - импульсная характеристика чувствительного элемента 1 и конденсатора 3. Импульсная характеристика систеьн при выполнении условия(3) где си - длительность исследуемого импульса излучения, может быть записана в следующем виде: й,о+,о )1 рс, о где с - время сбора электронов;сд. - время сбора дырок, Мн - подвижность электронов Кр - подвижность дырок;А - константа.На фиг. 3 представлена импульсная характеристика системы. Анализ выражения (4 ) показывает, что эта характеристика имеет крутой фронт, определяемый временем сбора наиболее медленных носителей, крутизна которого меняется н точке с 4 , и практи". чески независяшую от времени вершину по сравнению с длительностью иь= пульса.Время сбора носителей уменьшается с увеличением кх скорости, которая зависит от напряженности электркческ ого поля, приложенного к полупроводниковому чувствительному элементу. Прк напряженностях 104-10В/смскорость достигает максимальной величины, конкретно определяемойматериалом полупроводникового чувствительного элемента к составляет всреднем 10 см/с, Время сбора электро.7нон и дырок определяемое толщиной 20чувствительного элемента при таккхллапряженностях практически одинаково к сравнительно невелико. Для сигналон длительностью с, удовлетворяющей соотношению 25ссг -( гр Са (5)импульсную характеристику в, первомприближении можно представить в виде0 с с 09(с) (6)30А 4 с)0Тогда сигнал на входе кабельнойли нки 2 будетоА,) 1 (с)дг с с сн3572 г )ссДалее импульс напряжения Г ( с ) покабельной линии 2 поступает на короткозамкнутый отрезок кабеля 4, Частотная характеристика сигнала Г(с) согласно (7) является более узкополосной, по сравнению с частотной характеристикой исследуемого импульса1(с), следовательно, прк передачеего по кабельной линии 2 он будет искажен значительно меньше. В точке ответвления короткозамкнутого отрезкакабеля 4 сигнал раздваивается и половина отражается от его короткозамкнутого конца, меняя полярность безизменения амплитуды, и возвращается к точке ответвления с задержкойЬс = 2 Юк,где с - длина короткозамкнутогоотрезка 4;скорость распространения поля в кабеле.В результате в точке ответвленияпроисходит сложение сигналов одинаковой амплитуды, разной полярности,задержанных друг относительно другана времяйги на выход идет сигналВ соответствии с теоремой о среднем интегральная функция в ограниченноминтервале может быть представлена ввиде и ( с ) = А 1( с ср ) ьс ( с 4 ь си ), гдвсср- момент времени в интервалес с + дс, а для малых интерваловдс С( си (9)эта функция будет иметь вид А- 1(с)с2 с с с 11си м, если принять.всв приведенные выше;допущения-, форма сигнала на выходе будет повторять форму импульса излучения, Уточним, далее, с какой степенью приближения могут быть соблюдены указанные выше условия и, следовательно, выполнена зависимость (10 ) . Рассмотрим возможность соблюдения условия с 5 ). Время сбора носителей заряда н полупроводниковом чувствительном Элементе с = дМ составляет примерно 0,1 нс для полупроводниковой пластины толщиной 10 мкм (минимальная толщина иэ усло" вий технологичности из готовления ) и максимальной скорости перемещения носителей 10 7 см/с длительность импульсов излучения ск составляет от 1 до.2 нс, постоянная времени )з Со можетбыть легко увеличена на порядок.сл для стандартного широкополосногокабеля РК-9-12 с )э = 75 ом приемкости Со = С+ С+ С,А = 300 пфбольше 20 нс. Таким образом условивсгси ( р Со легко соблюдается.Соблюдение условия (9) также нвпредставляет труда, так как для ка-,беля указанного выше типа ф=2 1 цм/сИ прк 0: 2 см д с у составляет.0,1 нс, что более чем на поряДокменьше,Так как всегда есть определеннаястепень приближения выполнениях твхили иных соотношений, импульсная характеристика системы "чувствительный элемент 1-конденсатор 3" практически всегда будет отличаться от ступеньки (соотношение (6 ) и иметь конечную длктельность фронта, которая нвпревысит времени сбора Носителей с(4). Отсюда из выражения 18) следуетчто временное разрешение детектораопределяется только временем сбораносителей, не зависит от емкости чувствительного элемента 1, фиг, 4, гдвприведена импульсная характеристика,детектора предлагаемой конструкцИ Исоставляет, 0,1 нс.так как временное разрешвнив двтектора предлагаемой конструкц ивзависит от емкости чувстнитвльнОгоэлемента, площадь его 52 мажет Йютьувеличина, и следовательно, улучивна чувствительность, которая наход 2ся в прямой пропорциональной эаасмости. Площадь чувствительного эдвМвф701427 Составитель Б.РахманоГ.Прусова Техреду, Ковалева Реда дписное 4/5 е Ю ае Е в Филиал ППП "П нану 4 нтск г, Уаг каэ 5805/42ВНИИПИ Госудапо делам из113035, Москв Тирак 784ственного ксмибретений и ст; Ж"35, Раушс тета С крщмй ая наб ,ЕвГ фф,д ород,. ул