Детектор ионизирующего излучения

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 9 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТК АВТОРСНОЫУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ГОСУДАРСТ 8 ЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(71) Ленинградский институт ядерной физики им. Б,П. Константинова (72) В.В. Баублис, А.М. Мартюшов, В.Ф. Морозов и В.М. Самсонов (53) 621,387,462(088.8) (56) Дырнли Д. и Нортрон Д. Полупроводниковые счетчики ядерного излучения. -М.: Мир, 1966.У,Н. Танюг. "Кад 1 ай 1 оп Регесгоп", ВпйСегдоогйз, 1980, с. 21.Н. ЕзЪепзеп ай а 11. "РЪуз. Ееч.", ч. 188,3, 1039, 1978(54) (57) ДЕТЕКТОР ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ на основе полупроводникового кристалла с нанесенной на нем поверхностно-барьерной структурой, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с целью обеспечения работоспособности детектора на деформированном кристалле, последний изогнут так, что отношение его толщины к радиусу изгиба в любой точке не превышает 10 , причем детектор снабжен деформирующим приспособлением и закреплен в нем той частью, на которой отсутствует область р-пперехода поверхностно"барьерной структуры, РВИзобретение относится к полупро-водниковой технике и может быть использовано в ядерной физике и физике высоких энергий для определения типа и энергии частиц по их удельным 5 ионизационным потерям, а также может применяться во всех областях народного хозяйства, где требуется проведение анализа на активность образцов малых размеров и малой интенсив О ности (например, в геологии, атомной промышленности и т,д.).Известны полупроводниковые детекторы, предназначенные для идентификации ионизирующих частиц по их, удельным 35 ионизационным потерям (ЙЕ/йх - детекторы),Материалом для таких детекторов служат полупроводниковые кристаллы с малым количеством дефектов 20 ( 10 дисл/см). Выполнены они в виде плоскопараллельной пластины, на поверхность которой известным образом нанесена поверхностно-барьерная структура. 25 Если на такой детектор направить пучок ионизирующих частиц, то частицы, падающие на кристалл под углом 1 о ю(Яо Е Недостатком таких детекторов является то, что они не могут быть использованы для специальных измерений, а именно для идентификации ионизирующих частиц по типу движения через кристалл, т.е. не могут, например, выделять частицы, захваченные в режим каналировапия (каналирующие частицы). Такие частицы двигаются только между атомными плоскостями, 35 имеют малые удельные ионизационные потери, примерно в 2 раза меньшие по сравнению с остальньпчи частицами, проходящими через детектор, обладают большими длинами пробега в крис О талле. Указанный недостаток .вытекает из того, что при изготовлЕнии детектора кристалл вырезается произвольным образом относительно кристаллографических осей. 45 Другой недостаток этих детекторов заключается в том, что он обладает плохими характеристиками при спектральных исследованиях от источников 5 О ионизирующего излучения малых размеров и малой интенсивности. У таких детекторов ухудшается разрешение на малых расстояниях от источника за счет разных углов влета частиц в де. тектор либо надает светосила при применении коллиматоров с целью улучшения разрешения. Известны полупроводниковые дет кторы, предназначенные для измерения спектров от источников ионизирующего излучения малой интенсивности и малых размеров.Материалом для таких детекторов также служат полулроводниковые кристаллы с малым количеством дефектов ( С 10" дисл/см), Вырезаны они произвольным образом относительно кристаллографических осей в виде полого цилиндра, на поверхность которого нанесена поверхностно-барьерная структура.Недостатком этих детекторов является сложность их изготовления, заключающаяся в трудности обработки внутренних и внешних кривых поверхностей. При этом неизбежны большие . потери материала.Другим недостатком является то, что они не могут быть использованы, как и предыдущий аналог, для специальных измерений, а именно для идентификации ионизирующих частиц по типу движения через кристалл.Недостатком является и ограниченность их геометрических размеров, определяемая величиной существующих полупроводниковых кристаллов. Этот недостаток накладывает ограничения на размеры источников, которые можно исследовать с помощью этих детекто-ров.Наиболее близким техническим решением к изобретению является полупроводниковый детектор (дЕ/дх) ионизирующего излучения, позволяющий идентифицировать частицы по типу движения через кристалл (каналирующие и неканалирующне частицы) по величине их удельных ионизационных потерь.В этих детекторах поверхностнобарьерная структура. нанесена на плоскопараллельный полупроводниковый кристалл, вырезанный таким образом, чтобы определенное семейство крис-, таллографических плоскостей (обычно тлоскости (111), (110) или (100) и т,д.) было строго перпендикулярно к входной поверхности детектора (допуск на перпендикулярность 1-10).где 8 - критический угол захватаОв режиме каналирования;Ч - глубина потенциальнойоямы межплоскостного потенциала; 5Е - энергия ионизирующей частицы,будут захвачены в режим каналирования, Сильное различие в удельных ионизациойных потерях позволяет однозначно идентифицировать каналирующие и неканалирующие частицы и таким образом выделять иэ падающего пучка частицы с определенным углом влета в детектор. 15Таким образом, указанные полупроводниковые детекторы позволяют проводить отбор частиц цо типу движе. нияВозможность осуществления отбора частиц по типу движения, а также одновременный поворот их является важной задачей в физике высоких энергий. Известно, что деформирован ные кристаллы используются для управления траекториями ультрарелятивистских частиц (подобно сверхсильному магниту).Недостатком же плоского полупро 30 водникового детектора, выбранного в качестве прототипа, является то, что он обеспечивает возможность прово-, дить отбор частиц только в недеформированном кристалле.Этот недостаток можно было бы .преодолеть, если быимелась возможность создания полупроводникового детектора на деформированном кристалле, Известно, что работоспособность полупроводникового поверхностно-барьерного детектора определяется состоянием его кристаллической решетки.и качеством поверхностно-барьерной структуры, Однако в настоящее время нет ответа на такой вопрос, как может быть деформирован полупроводниковый кристалл с нанесенной на него поверхностно-барьернойструктурой, чтобы были сохранены все его технические характеристики, т.е. 50 чтобы он бып работоспособным (для целей регистрации ионизирующего излучения). Иными словами, в мировой практике не известны работоспособные; полупроводниковые детекторы ионизи рующего излучения, у которых поверхностно-барьерная структура находится на упруго деформированном кристалле,Цель изобретения - обеспечение работоспособности детектора на деформированном кристалле. Это позволяет регистрировать канайирующие частицы в деформированном кристалле по всему пути их следования через него, устраняет влияние геометрических факторов, на разрешение и повышает светосилу при регистрации ионизирующего излучения от источников малых размеров в малой интенсивности.Поставленная цель достигается тем, что в детекторе ионизирующего излучения на. основе полупроводникового кристалла с нанесенной на нем поверхностно-барьерной структурой последФний изогнут так, что отношение его толщины к радиусу изгиба в любой точке не превышает 10 (Тр ( 1 О ), причем детектор снабжен деформирующимприспособлением и закреплен в немтой частью, на которой отсутствуетобласть р - и-перехода поверхностнобарьерной структуры.Предлагаемое изобретение основанона неочевидном и неизвестном ранеефакте, заключающемся в том, что если кривизна кристалла при деформации Т/103,то поверхностно-барьерная структура, нанесенная на такой кристалл, остается работоспособной, Необходимость соблюдения такого условия быпа определена и доказана опытным путем. Условием, также обеспечивающим работоспособность детектора, является определенное закреп-.ление его в деформирующем приспособленин, а именно вне области р - и-перехода поверхностно-барьерной структуры (отсутствие контакта деформирующего приспособления с золотой обкладкой). Это условие было определено также опытным путем. На фиг. 1 представлен пример реализации полупроводникового поверхностно-барьерного детектора.на кристалле,изогнутом по цилиндру радиуса У и с р - и-переходом на выпуклой поверхности кристалла; на фиг. 2 - то же, на кристалле, изогнутом по ци".линдру радиуса Я и с р - и-переходом на вогнутой поверхности кристалла;На фиг. 1 и 2 изображены кристалл кремния и-типа 1; слой золота 2;слой алюминия 3; чувствительная зона 4; Т - толщина кристалла;- радиус изгиба кристалла.,1032951бсутствует поверхностно-барьернаяструктура, поэтому область р - и-перехода находилась в свободном состоянии. 5На фиг. 3-7 представлены примерыдеформационных приспособлений, обеспечивающих работоспособность поверхностно-барьерной структуры на деформированном (изогнутом) кристалле.На Фиг. 8 представлена основнаяхарактеристика полупроводниковогодетектора - зависимость величины обратного тока 1, от прИложенногонапряжения У для детектора на не-з,изогнутом кристалле с Т/10для детектора на изогнутом кристалле с Т/р с 1,1 10На Фиг. 9 представлен спектр ос -драч 241частиц от источника Рц + Аш 4 +2 ч 15+ Сш, измеренный детектором накристалле, изогнутом посредствомнаклейки на стеклянную цилиндричес -кую поверхность через алюминиевыйэлектрод. Разрешение детектора,"2021,7 кэВ; обратный ток 0,2 мА принапряжении 60 В.На фиг, 10 представлен спектрЙЕ/дх от протонов с энергией 1 ГэВ,снятый детектором на изогнутом кристалле. Пик малой амплитуды соответствует каналирующим частицам.Полупроводниковый детектор ионизирующего излучения состоит из деформированного полупроводникового кристал30ла. 1 и нанесенной на него поверхностно-барьерной структурой (слоями золота 2 и алюминия 3) (см. Фиг. 1,2).Деформирующее устройство представляет собой стеклянную цилиндрическуюповерхность 5, на которой закреплен,например, с помощью клея полупроводниковый кристалл 1, причем областьр - и-перехода находится в свободномсостоянии (см. Фиг. 3). Возможны другие виды деформирующих устройств,40обеспечивающих работоспособность поверхностно-барьерной структуры (см.фиг. 4,5,6,7).На фиг. 4 преДставлено деформирующее устройство, в котором полупро 45водниковый кристалл 1 зажимается между взаимно притертыми выпуклой 6 ивогнутой 7 цилиндрическими поверхностями. Область р - и-перехода находится в .свободно"; состоянии, это выполняется благодаря применению Фторпластовой прокладки 8.На Фнг, 5 представлено деформирующее устройство, в котором полупроводниковый кристалл 1 зажимается междувзаимно притертыми выпуклой и вогнутой цилиндрическими поверхностямитолько своими краями, на которых от. Полупроводниковый детектор ионизирующего излучения, предназначенный для поворота частиц и их регистрации вдоль всего деформированного кристалла, работает следующим образом.Пучок ионизирующих частиц (например, протоны) направляется нормальноторцу 9 деформированного полупроводникового кристалла 1, Если кристалл вырезан так, что атомная плоскость (110) (111) или (100) перпендикулярна к.торцу, то частицы, падающие на торец под углом 8В, будут захвачены в режим каналирования. Дальнейший путь каналирующих частиц определяется формой этих деформированных атомных плоскостей. При взаимодействии частиц с атомами образуются электронно-дырочные пары, которые регистрируются поверхностно- барьерной структурой. Поверхностно- барьернУю структуру можно наносить дискретно по всему пути следования частиц, благодаря чему также можно получить информацию о движении частиц на протяжении всего кристалла. Для детекторов, предназначенных для регистрации ионизирующих излуче в , ний от источников малой интенсивности и малых размеров, кристаллы выбирают с малым количеством дефектов и деФормируют в устройствах, представленных на Фиг, 6,7. Полупроводниковый кристалл 1 зажимается между взаимно притертыми выпуклой и вогнутой цилиндрическими поверхностями по всему своему периметру. Область р - и-перехода находится в свободном состоянии. Деформирующее устройство представляет собой стеклянную цилиндрическуюповерхность 5, на которой закреплен,например, с помощью клея полупроводниковый кристалл 1, причем областьр - и-перехода находится в свободномсостоянии,Ионизирующее излучение от источника малой интенсивности и малых размеров, установленного в Фокусе цилиндрической поверхности, по радиусу которой изогнут кристалл, падает навогнутую поверхность детектора. Этим103295 У Вт устраняются геометрические абберации и повышается светосила детектора.Соответствующий подбор толщины кристалла обеспечит нужный радиус изгиба кристалла . 5Работоспособность полупроводникового детектора, деформированного так, что отношение толщины кристалла к радиусу его изгиба не превышало 1 О была доказана опытным путем 1 ОНа фиг. 8 представлена, зависимость величины обратного тока от напряжения (основная техническая характеристика- полупроводникового детектора). Видим, что в случае нанесения поверхностно барьерной структуры на деформированный кристалл при соблюдении условия Т/Р с 10 , свойства детектора не изменяются по сравнению со случаем, когда поверхностно-барьерная структура находится на плоском кристалле (кривые 10 и 11 практически совпали), а при деформации, превышающей значение Тф ) 10 ,.детектор становится неработоспособным. 25Таким образом, обеспечение работоспособности поверхностно-барьерной структуры в деформированном кристалле позволяет непосредственно регистрировать и выделять каналирующие час-ЗО тицы по всему деформированному кристаллу (при вырезке его относительно кристалло-графических осей, как в прототипе, или устранить геометрические абберации и повысить светосилу детектора (условие на вырезку кристалла, как в первом аналоге) прн измерении спектров от источников малойинтенсивности и малых размеров путемпридания соответствующей формы кристаллу (цилиндр, сФера) упругим деформированием, а источник при этомпомещается в фокус относительно выбранной поверхности детектора.В лаборатории нейтронных исследований ЛИЯФ быпи созданы 15 опытныхобразцов детекторов на изогнутых,кристаллах. В качестве кристаллов вэтих детекторах использовались пластины, вырезанные из монокристаллического кремния п типа с сопротивлением 10 кОм и плотностью дислокацийменьше 10" дисл/см . В детекторах,предназначенных для выделения каналирующих частиц, кристалл вырезантак, чтобы плоскость (111) была перпендикулярна к входной грани детекто"ра. При этом на кристалле нанесенытри независимые поверхностно-барьерные структуры, которые могут датьинформацию о движении частиц в трехучастках кристалла. Радиус изгибакристаллов бып выбран 40 см и 2 см,а толщина пластин 0,4 мм.Проведенные измерения показали,что все детекторы обладают хорошими .рабочими характеристиками, полностьюработоспособны и обеспечивают выделение как каиалирующих частиц, так ихорошее разрешение от малоинтенсивных и небольших источников (см. фиг.9 и 10),1032951 Юк-фп ау г Фиг 50 4 Жлаглглигэ Составитель Б. РахмановТитова Техред В.Кадар Корректор И. Муска Редактор акаэ 659 Подпиного комитета СССРений и открытийушская наб., д. 4/5 оиэяодственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 Тираж 643 ВНИИПИ Государстве по делам иэобре 3035, Москва, Ж, Р