Мозаичный преобразователь жесткого ионизирующего излучения

и 766467 Союз СоветскмкСоциалистическиеРеспублми ИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(5 т)М, Кл,Н 01 1. 31/02 тееудэстееииьй кемитет СССР по делам изобретений и открытий(72) Авторы изобретения В. С. Мелихов и И. М. Рубинович Научно-исследовательский институт электронной интроскопиипри Томском дрдена Октябрьской Революции и ордена ТрудовогоКрасного Знамени политехническом институте им. С. М. Кирова(54) МОЗАИЧНЫП .ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ КЕСТКОГО ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ Изобретение относится к технике визуализации пространственно неоднородных потоков ионизирующих излучений и может быть использовано в интроскопии.Известны фоточувствительные матрицы на полупроводниковых элементах, используемые для преобразования и запоминания оптических изображений 1, состоящие из системы светочувстви-1 п тельных элементов, например, фотодетекторов, расположенных по строкам и столбцам, или иэ системы фотодетекторов и соответствующей им системы ИОП-транзисторов. 15 Недостаток укаэанных преобразователей заключается в том, что они выполнены на тонкой подложке и имеют небольшую глубину чувствительной об- то ласти, что значительно снижает их эффективность при регистрации рентгеновского и особенно жесткого излучения. Более эффективная регистрация жесткого излучения происходит в сцинтилляционных кристаллах 121, но вследствие того, что использование в интроскопической системе сцинтилляционного кристалла в сочетании с передающей телевизионной трубкой приводит к большим потерям информации, более предпочтительным оказывается использование мозаичных полупроводниковых преобразователей на основе структур МДПДМ с высокочастотным смещением, обеспечивающих до" полнительное усиление сигнала до вносящих помехи внешних цепей сканирования. Имеются преобразователи излучения, состоящие иэ набора фоторезисторов, а- также фотопроводящие матри" цы3 1 Все эти преобразователи имеют недостаточную" чувствительность к жесткому излучению.Наиболее близким решением из известных является мозаичный детектор76 б 467 3проникающего излучения4, содержащий набор МДПДМ-структур, подключенных к высокочастотному генератору и ориентированных длинной гранью параллельно потоку излученияКаждая ячейка этого детектора выполнена в виде металлической трубки, заполненной Фотопроводящим материалом,по оси которой проходит проволочныйэлектрод. Для увеличения эффективности регистрации трубчатый и проволочный электроды ориентированы параллельно потоку излучения.Однако при детектировании жесткого гамма-излучения с энергиями 10- 1530 МэВ эффективность регистрации подобным преобразователем остается низкой. Кроме того, при использованиив качестве элементарного датчикаМДПДМ-структуры на основе чистого 20полупроводника (кремния) стоимостьпреобразователя оказывается значительной,Целью настоящего изобретения является увеличение чувствительности 25преобразователя при уменьшении егостоимости, а также уменьшение искажений контраста.Поставленная цель достигаетсятеи, цто преобразователь выполнен в 30виде моноблока из тяжелого проводящего материала (например, свинца)с прямоугольными соосными сотамина передней и задней стороне, в каждой ячейке задних сот размещены подве МДПДМ-структуры, разделенныесигнальным электродом из тяжелогопроводящего материала, выход высокочастотного генератора подключенодним полюсом к моноблоку, а дру- аогим - к сигнальным электродам черезсопротивления нагрузки, причем толщины боковых стенок задних сот иэлектродов определены условиемЩдф д , где д- -см, у 1,2плотности материала моноблока иэлектрода в г/см. Дпя получения контрастной чувствительности передние и задние соты выполнены так, цто толщины их боковых стенок различны и их разницаопределена условием 051- ОпЕ"-2 сврЬ.Для 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 4 ОП 1 4Дно сот имеет толщину, равную оптимальной толщине переднего усиливающего экрана, По расцетам авторов оптимальная толщина переднего усиливающего экрана из свинца для кремниевого преобразователя равна 3 им. При этом отношение сигнал/шум увеличивается в К раз по сравнвнию со случаем без использования усиливающего экрана.На фиг, 1 показана зависимость К 11, дпя оптимальной толщины усиливающего экрана от толщины контролируемого поглотитепя 54 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 7 Увгдев - плотности материала эк 1рана и свинца, соответственно;д,д - оптимальные толщины усиливающих экранов из материала с плотностью уи из свинца,В литературе отсутствуют данные подействию боковых усиливающих экранов, в качестве которых функционируют боковые стенки сот предлагаемого преобразователя. Поэтому авторами были произведены расчеты действия боковых усиливающих экрановметодом Монте-Карло.На фиг, 2 приведены зависимостиотношения сигнал/шум (а ) и сигнала (б ) от толщины бокового усиливающего экрана из свинца для 53 дефекта и энергий излучения 10 и 20 МэВпри постоянном расстоянии между центрами соседних датчиков, т,е. при постоянном размере элемента изображения,Из графиков видно, что оптимальная толщина усиливающего экрана изсвинца составляет 0,3 мм, При использовании меньшей толщины усиливающегоэкрана меньшими оказываются сигнали отношение сигнал/шум. При большей:толщине усиливающего экрана отношение сигнал/шум уменьшаетгя нез766467 6толщиной для обоих МДПДМ-структур.помещенных в каждой ячейке сот.Описанный преобразователь можновыполнить из свинца, используя5 МДПДМ-структуры на основе кремния.Толщина переднего экрана 3 мм,боковых по 03 мм. Между моноблокоми сигнальными электродами приложеновысокочастотное напряжение.10 Расстояние между элементами изображения (5 мм) определяется необходимой разрешающей способностью. Толщина боковых стенок передних сот0,5 мм, задних 1,1 мм,15 Простой расчет показывает, чтоэкономия кремния при этом составитя 503, а возрастание отношения сиг,ал/шум происходит в 2-2,5 раза. Сигналусиливался при этом в 4-6 раз,ОД СОРИначительно, но сильно уменьшаетсясигнал. Усиление по сигналу приоптимальной толщине бокового экранаоколо 2, а по отношению сигнал/шумоколо 1,5. Выбор оптимальной толщиныбоковых усиливающих экранов из других тяжелых материалов можно провес"ти аналогично из условия постоянства массовой толщины, Полученные данные применимы для энергий излучения5"30 Мэ 8,Поскольку в описанной выше конструкции боковая стенка задних сот вьполняет роль бокового усиливающегоэкрана, причем действие она оказывает на обе прилежащие МДПДМ"структуры (см. Фиг. 3), то ее минимальнатолщина выбирается равной двойнойтолщине оптимального усиливающегоэкрана. юНа Фиг. 3 даны следующие обозначения: 1- моноблок; 2 - МДПДМ-структуры; 3 - сигнальный электрод,Передние соты применяются для ослабления расееянного излучения. Дляувеличения контрастной чувствительности целесообразно боковые стенки задних сот делать толще передних надвойную топщину оптимального бокового экрана. При этом произойдет несу . 30щественное уменьшение отношениясигнал/шум но уменьшатся контрастные искажения эа счет ослабленияизлучения в центральном слое между элементами изображения, который З 5вреден, т.е. действует одинаково надва датчика в соседних сотах, и повысится эффективность боковых экранов, так как они не будут заслоненыбоковыми стенками передних сот. 40Для улучшение усиливающего действия боковых экранов с обоихсторон от боковых стенок переднихсот целесообразно проделать канавки шириной, равной оптимальной толщи не бокового усиливающего экрана, Приэтом усиливающее действие последнего возрастает, так как он будет заслонен меньшей толщиной переднего эк- .рана. 50 Формула изобретения 1, Мозаичный преобразователь жесткого ионизирующего излучения, содержащий набор МДПДМ-структур, подключенных к высокочастотному генератору и ориентированных длинной гранью параллельно потоку излуцения, о т л иц а ю щ и й ся тем, что, с целью увеличения чувствительности преобразователя преобразователь выполнен в виде моноблока из тяжелого проводящего материала с прямоугольными соос= ными 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 условием55 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 9,2. - плотности материалов моноблока и электрода в г/см. 2. Мозаичный преобразователь по и. 1, о т л и ц а ю щ и й с я тем, что, с целью увеличения контрастной чувствительности, передние и задние соты выполнены так, что толщины их766467 ц боковых стенок различны и их разинца определена условием д - д =20Яцд ле р оР3 Мозаичный преобразователь по пп, 1 и 2, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью увеличения усиливающего действия боковых стенок задних сот, передние соты выполнены с в проходящими по дну ячеек вдоль боковых стенок передних сот прямоугольными канавками, ширина которых равна 4 рР 1 Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Зотов В. Д. Полупроводниковые устройства восприятия оптической информации, М., 1976, с, 86. 2. Патент США У 3531651кл. 250-71., опублик. 1970. 3 Патент США Н 33435222кл. 250-83,3, опублик. 1969,4. Авторское свидетельство СССРМф 470203, кл, С О 1 й 23/ОО, 1973766467 Составитель 10. АлешинТехред А, Бабинец, Корректор А . Ференц Редактор Н. Аристова Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 ЖЗаказ 10527/7 Тираж 761 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5