способ регистрации ионизирующих излучений

Формула изобретения

Способ регистрации ионизирующих излучений, основанный на эффекте ионизации, который заключается в том, что используют, по крайней мере, одну ионизационную ячейку, к электродам которой прикладывают разность электрических потенциалов, осуществляют регистрацию ионизирующих излучений путем непрерывного измерения электрического тока, протекающего через ионизационную ячейку, отличающийся тем, что объем V ионизационной ячейки выбирают из соотношений:

V^1/3>l_e,

N_e>k·(n ₀·V)^l/2,

где l_e - средняя длина пробега до ионизации носителей тока, выбитых квантом проникающего излучения;

N_e - среднее число носителей тока, выбитых квантом проникающего излучения;

n₀ - равновесная концентрация носителей тока в полупроводнике при заданной температуре измерения;

k - коэффициент, равный отношению амплитуды распознаваемого в зависимости от используемой аппаратуры и методов математической обработки сигнала к уровню шума,

а для последующей обработки производят независимое усиление сигнала от каждой ионизационной ячейки с использованием полевого эффекта.

Описание изобретения к патенту

Область техники

Изобретение относится к области детектирования ионизирующих излучений с использованием полупроводниковых устройств и может быть использовано в научно-исследовательском оборудовании и средствах радиационной защиты.

Уровень техники

Полупроводниковые детекторы ионизирующих излучений являются твердотельными аналогами газонаполненных ионизационных камер. Ионизирующая частица, попавшая в детектор, производит пары электрон-дырка, которые собираются электрическим полем, приложенным к электродам детектора. Величина соответствующего электрического импульса пропорциональна энергии, потерянной частицей или -квантом в детекторе. Важно, чтобы детектор собрал все образовавшиеся в нем заряды.

Полупроводниковые детекторы имеют ряд существенных преимуществ перед газонаполненными ионизационными камерами:

1. Энергия, необходимая для получения одной пары носителей в полупроводниковом детекторе, гораздо меньше (2,96 эВ в Ge и 3,66 эВ в Si), чем в газах, заполняющих камеры (~30 эВ). Поэтому число образовавшихся пар в детекторе соответственно больше и оно меньше подвержено статистическим флуктуациям.

2. Плотность материала полупроводникового детектора гораздо больше, чем плотность газов, заполняющих ионизационные камеры. Поэтому даже небольшие детекторы могут регистрировать частицы высоких энергий и -кванты.

Однако известные полупроводниковые детекторы и сами не лишены ряда недостатков. Основная проблема состоит в полупроводниковом материале, который сочетал бы в себе такие свойства, как большая ширина запрещенной зоны и высокая подвижность носителей. Это необходимо для того, чтобы, с одной стороны, уменьшить количество собственных (тепловых) электронов, присутствующих в полупроводнике и без воздействия излучения, так, чтобы появление добавочных электронов, вызванных излучением, было бы заметным. С другой стороны, выбитые квантами излучения электроны должны быть достаточно подвижны, чтобы создать заметный импульс тока. К сожалению, к настоящему времени неизвестны материалы, в полной мере удовлетворяющие указанным требованиям. Поэтому при проведении, например, физических экспериментов, германиевые детекторы, обладающие всеми нужными качествами, кроме наличия большой запрещенной зоны, охлаждают минимум до температуры жидкого азота.

Для повышения удельного электрического сопротивления детекторов были разработаны различные методы уменьшения числа носителей, вызванных наличием примесей в Si и Ge. Эти методы основаны на создании в детекторе p-n-перехода с малым количеством носителей.

Известны два основных типа детекторов на основе p-n-переходов:

1) диффузные и поверхностно-барьерные детекторы;

2) дрейфовые детекторы.

Диффузный детектор представляет собой p-n переход, включенный в обратном направлении. При этом образуется обедненная носителями область. Ионизация этой области частицей проникающего излучения приводит к формированию импульса тока. Поверхностно-барьерные детекторы похожи на диффузные, но обедненная область формируется на границе металл-полупроводник.

Дрейфовый детектор характеризуется тем, что обедненная область формируется путем легирования донорами (ионами лития) полупроводников (Ge или Si) p-типа. Отметим, что после появления технологии создания сверхчистых полупроводниковых материалов (Electronic Grade Silicon, High Purity Germanium Crystals) с плотностью примесей ~ 10¹⁰ см^-3 (примерно один примесный атом на миллиард атомов полупроводника), стало возможным их использование и в детекторах излучения.

Еще одной существенной проблемой является усиление слабого электрического сигнала, создаваемого отдельной частицей излучения в случае, если детектор предназначается для работы при относительно малых мощностях дозы излучения и представляет собой счетчик частиц.

Газоразрядные счетчики по конструкции похожи на ионизационную камеру, однако в них основную роль играет вторичная ионизация, обусловленная столкновениями первичных ионов с атомами и молекулами газа и стенок. Можно говорить о двух типах газоразрядных счетчиков: пропорциональных (в них газовый разряд несамостоятельный, т.е. гаснет при прекращении действия внешнего ионизатора) и счетчиках Гейгера-Мюллера (в них разряд самостоятельный, т.е. поддерживается после прекращения действия внешнего ионизатора).

В пропорциональных счетчиках рабочее напряжение выбирается так, чтобы они работали в области вольтамперной характеристики, соответствующей несамостоятельному разряду, в которой выходной импульс пропорционален первичной ионизации, т.е. энергии влетевшей в счетчик частицы. Поэтому они не только регистрируют частицу, но и измеряют ее энергию. В пропорциональных счетчиках импульсы, вызываемые отдельными частицами, усиливаются в 10³-10⁴ раз.

Счетчик Гейгера-Мюллера по конструкции и принципу действия существенно не отличается от пропорционального счетчика, но работает в области вольтамперной характеристики, соответствующей самостоятельному разряду, когда выходной импульс не зависит от первичной ионизации. Счетчики Гейгера-Мюллера регистрируют частицу без измерения ее энергии. Коэффициент усиления этих счетчиков достигает 10⁸. Для регистрации раздельных импульсов возникший разряд следует гасить. Для этого, например, последовательно включается такое сопротивление, чтобы возникший в счетчике разряд вызывал на сопротивлении падение напряжения, достаточное для прерывания разряда.

Подобное лавинное усиление сигнала используют и в полупроводниковых устройствах.

К настоящему времени разработано несколько основных типов фотоприемников с встроенным лавинным усилением сигнала:

- лавинный фотодиод;

- кремниевый фотоэлектронный умножитель

Сам по себе лавинный процесс - типичное явление для всех полупроводниковых приборов. Именно лавинный пробой является частой причиной выхода из строя транзисторов и диодов и прочих полупроводниковых устройств. Лавинные фотодиоды сохраняют все полезные свойства обычных кремниевых детекторов. Однако работа детектора в лавинном режиме предъявляет особые требования к стабильности рабочей точки, так как коэффициент лавинного умножения имеет сильную зависимость от напряжения и от температуры. Эти требования ограничивают применение лавинных детекторов.

Появление лавинных фотодиодов с отрицательной обратной связью, которая гасит лавинный процесс, позволило создать лавинный фотодиод, работающий в так называемой «гейгеровской» моде (APDg).

Как и газоразрядный счетчик Гейгера-Мюллера, который способен регистрировать только факт прохождения ионизирующей частицы, так и APDg способен регистрировать лишь факт рождения фотоэлектронов под действием внешнего света, но не их количество.

Подобную, но несколько усовершенствованную конструкцию имеют PIN фотодиод, и металл-диэлектрик полупроводниковый фотодиод.

С целью решения проблемы с регистрацией интенсивности излучения разработан другой тип фотодетектора - кремниевый микропиксельный лавинный фотодиод MAPD (Micropixels Avalanche PhotoDiode). Подобный прибор также называется также называется SiPM (Silicon PhotoMultiplier), MPPC (multi-pixel photon counter), SiФЭУ.

Данный вид детекторов представляет собой фотоприемник на основе упорядоченного набора (матрицы) пикселей (примерно 10³ мм^-2 ), выполненных на общей подложке. Каждый пиксель представляет из себя APDg, работающий в «гейгеровском» режиме, с коэффициентом умножения порядка 10⁶, но весь MAPD представляет собой аналоговый детектор, так как выходной сигнал MAPD есть сумма сигналов со всех пикселей, сработавших при поглощении ими фотонов.

Как правило, полупроводниковые устройства с лавинным усилением сигнала для целей детектирования -излучения используются совместно со сцинтилляторным модулем, преобразующим высокоэнергетические частицы (с энергией ~1 МэВ) в пучки квантов света (с энергией ~ 1 эВ). Это связано с тем, что чувствительные элементы полупроводниковых устройств являются достаточно тонкими и вероятность поглощения в ней -кванта мала. Между тем кванты света в p-n переходах поглощаются с высокой вероятностью, а сцинтилляторы, в принципе, могут иметь большие размеры, что, с одной стороны, является достоинством, а с другой - недостатком, когда размеры детектора имеют ограничения по габаритам.

Из уровня техники известен патент РФ № 2061282 от 30.11.1993 г., опубликованный 27.05.1996 г. «Полупроводниковый детектор ионизирующего излучения», в котором реализован способ регистрации ионизирующих излучений, основанный на эффекте ионизации, который заключается в том, что к электродам полупроводникового детектора прикладывают напряжение 50 В с целью формирования двух обратно смещенных p-n-переходов и соответственно двух областей пространственных зарядов. Падающее излучение, взаимодействуя с материалом полупроводника, вследствие Комптоновского рассеяния приводит к возникновению вторичных электронов, которые, в свою очередь, создают электронно-дырочные пары, что приводит к импульсу электрического тока, который можно регистрировать подключением к электродам измерительного прибора.

Способ регистрации проникающего излучения, реализованный в полупроводниковом детекторе ионизирующего излучения, является наиболее близким по технической сущности к предлагаемому и поэтому выбран в качестве прототипа.

Недостатком прототипа является низкая чувствительность к ионизирующему излучению.

Раскрытие изобретения

Решаемой задачей является создание способа регистрации ионизирующих излучений с расширенными функциональными возможностями.

Достигаемым техническим результатом является увеличение чувствительности детектора ионизирующих излучений с обеспечением возможности спектрометрии излучения путем регистрации единичных частиц ионизирующего излучения с возможностью определения их энергии.

Для достижения технического результата в способе регистрации ионизирующих излучений, основанном на эффекте ионизации, который заключается в том, что используют, по крайней мере, одну ионизационную ячейку, к электродам которой прикладывают разность электрических потенциалов, осуществляют регистрацию ионизирующих излучений путем непрерывного измерения электрического тока, протекающего через ионизационную ячейку, новым является то, что объем V ионизационной ячейки выбирают из соотношений:

V^1/3>l_e,

N_e>k·(n₀·V)^1/2

где l_e - средняя длина пробега до ионизации носителей тока, выбитых ионизирующей частицей;

N_e - среднее число носителей тока, выбитых ионизирующей частицей;

n₀ - равновесная концентрация носителей тока в полупроводнике при заданной температуре измерения;

k - коэффициент, равный отношению амплитуды распознаваемого в зависимости от используемой аппаратуры и методов математической обработки сигнала, к уровню шума,

а для последующей обработки производят независимое усиление сигнала от каждой ионизационной ячейки с использованием полевого эффекта.

Сущность изобретения состоит в том, чтобы выделить объем ионизационной ячейки в детекторе излучения, который содержит количество тепловых носителей тока такое, что флуктуации количества носителей будут соизмеримы с тем дополнительным количеством носителей, которые образуются в одном акте рассеяния ионизирующей частицы. В этом случае можно рассчитывать, что удастся относительно легко, без привлечения криогенной техники и непосредственного лавинного усиления сигнала в сильном электрическом поле (при напряжениях сотни вольт-киловольты), регистрировать с использованием полевого транзисторного усиления единичные события рассеяния квантов проникающей радиации. Далее, создавая по планарной технологии массив параллельно работающих элементарных датчиков, создавая сотовую структуру датчика в целом, можно достичь требуемой суммарной чувствительности устройства. Линейность характеристики детектора, обеспечиваемое использованием полевых транзисторных усилителей и пропорциональность количества выбитых электронов энергии ионизирующей частицы, позволят определять энергетический спектр излучения.

Рассмотрим выражение для электрического сопротивления R чувствительного элемента поперечным сечением S, длиной l, содержащий носители тока с концентрацией n, подвижностью µ и имеющие электрический заряд е.

Как отмечалось, для повышения чувствительности детектора необходимо повышение электрического сопротивления ионизационной ячейки. Подвижность носителей не может быть уменьшена ввиду необходимости обеспечения заметного ионизационного тока. Минимальная концентрация носителей при заданной температуре определяется свойствами полупроводника (шириной запрещенной зоны) и не может быть уменьшена. Однако уменьшая масштаб ионизационной ячейки устройства (пропорционально уменьшая все его размеры), согласно (1) мы повышаем величину R, т.к. при этом длина l уменьшается линейно, а площадь S - квадратично. Путем создания массива из подобных элементарных ионизационной ячеек каждая из которых подключена к отдельному усилителю сигнала (на основе, например, полевого транзистора), по существу конструируется новый материал с высоким электрическим сопротивлением и с высокой чувствительностью к проникающему излучению.

Из уровня техники неизвестны способы создания детекторов ионизирующих излучений с выбором выделенных объемов ионизационных ячеек на основе критерия соответствия числа носителей тока выбиваемых ионизирующей частицей, величине среднеквадратичной тепловой флуктуаций числа носителей тока в ячейке, с полевым усилением ионизационного сигнала каждой ячейки, следовательно, изобретение соответствует критерию "новизна".

Отсутствие отличительных признаков в известных аналогах говорит о том, что заявляемое изобретение очевидным образом не следует из аналогов и прототипа, ввиду чего оно соответствует критерию "изобретательский уровень".

Область промышленного применения заявляемого изобретения может быть весьма широкой - это как научно-исследовательское оборудование, так и средства радиационной защиты, в том числе бытовые. Последнее обстоятельство обусловлено тем, что устройства по заявляемому изобретению могут быть полностью выполнены с использованием микроэлектронных технологий, обеспечивающих при массовом изготовлении низкую стоимость изделий. Соответственно заявляемое изобретение соответствует критерию "промышленная применимость".

Заявляемый способ реализуется устройством, представленным на фигурах.

Перечень фигур чертежей

На фиг.1 представлен эскиз ионизационной ячейки. 1 - выделенный объем полупроводника с собственной проводимостью; 2 - изолятор; 3 - электроды.

На фиг.2 представлен ряд ионизационных ячеек, нагруженных на отдельные усилители, причем все устройство выполнено на одной полупроводниковой пластине. 4 - усилитель (на полевом транзисторе); 5 - подложка; 6 - устройство сбора, обработки и передачи данных: 7 - линия связи с внешними устройствами.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения.

Способ реализуется следующим образом.

Устройство регистрации квантов ионизирующих излучений содержит ионизационную ячейку, включающую в себя выделенный объем полупроводника с собственной проводимостью 1, окруженного изолятором 2, с нанесенными электродами 3. Объем полупроводника равен V. В качестве полупроводника 1 используется нелегированный кремний (Electronic Grade Silicon) с собственной концентрацией носителей n₀=1.5·10¹⁰ см^-3, чему соответствует собственное удельное объемное сопротивление =2.3·10⁵ Ом·см. В качестве изолятора - окись кремния SiO₂. Электроды 3 образуют с кремнием омические контакты.

В среднем, в этом выделенном объеме будет находиться N₀=n₀·V электронов. Средняя относительная величина флуктуаций количества электронов пропорциональна , соответственно среднеквадратичная амплитуда флуктуаций количества электронов N₀ в объеме V, будет равна;

Для обеспечения нормальной работы всей детектирующей системы число созданных ионизирующей частицей электронов проводимости N_e должно быть заметно на фоне тепловых флуктуаций количества электронов в объеме V - N₀. Возможности выделения полезного сигнала на фоне шумов определяются как используемой электронной регистрирующей аппаратурой, так и используемыми методами математической обработки сигнала. Задача здесь облегчается тем обстоятельством, что в принципе известно, какого типа сигнал следует искать. В таких условиях возможно выделение сигнала глубоко под уровнем шума. В целом, используя (2) данное условие, можно записать в следующем виде:

N_e - среднее число носителей тока, выбиваемых ионизирующей частицей, n₀ - равновесная концентрация носителей тока в полупроводнике при заданной температуре измерения, k - коэффициент, равный отношению амплитуды распознаваемого в зависимости от используемой аппаратуры и методов математической обработки сигнала к уровню шума.

Среднеквадратичная амплитуда тепловых флуктуаций напряжения V на сопротивлении R в полосе частот может быть оценена по формуле Найквиста:

где k - постоянная Больцмана, Т - температура.

Конфигурация объема полупроводника может оптимизироваться в каждом конкретном случае путем проведения численных расчетов.

Существенным условием оптимальной работы устройства является минимизация числа электронов лавины, инициированной ионизирующей частицей (например, -квантом), покинувших выделенный объем полупроводника 1. Если направление на источник излучения заранее не известно, то предпочтительно, чтобы размер объема 1 по всем трем осям координат был бы равный. Соответственно должно выполняться условие:

где l_e - средняя длина пробега до ионизации носителей тока, выбитых квантом проникающего излучения.

Пусть объем полупроводника V имеет вид куба высотой h=1 мм и площадью основания S=1 мм². Тогда его электрическое сопротивление R=2.3·10⁶ Ом, а емкость С=0.12 пФ.

К электродам 3 полупроводника 1 прикладывается напряжение U=1 В. В этом случае напряженность электрического поля в объеме куба составит величину Е=U/h=10 В/см. Дрейфовая скорость основных носителей тока - электронов в поле Е составит величину v_e=µ_e·E=1.3·10 ⁴ см/с. Соответственно время пересечения электроном межэлектродного промежутка h составит величину t_h=h/v_e=8·10 ^-6 с. При этом все связанные с переносом носителей процессы должны укладываться в полосу частот =1·10⁶ Гц. Отсюда можно оценить среднеквадратичную амплитуду тепловых шумов V=3.5·10^-4 В. Соответствующие среднеквадратичные тепловые флуктуации тока составят величину I=1.5·10^-10 А.

Пусть налетающий -квант с энергией 0.5 МэВ выбил в объеме 1 комптоновский электрон, который создал N_e электронов проводимости. В данном случае N_e =4.5·10⁴ (энергия образования электронно-дырочной пары в кремнии E_eh=3.8 эВ). Эти избыточные электроны уйдут из объема полупроводника за время t_h, создав импульс тока амплитудой I =e·N_e /t_h=0.9·10^-9 А. Отметим, что для V=1 мм³ имеем N₀=1.5·10 ⁷ и N₀=1.2·10⁴.

Электроды 3 полупроводника 1 подключены ко входу усилителя 4 на основе полевого транзистора с входной емкостью С_вх=1.5 пФ (например, типа BF998). Заряд облака выбитых -квантом электронов составит Q =e·N_e =0.7·10^-14 К. Напряжение импульсного сигнала на входе транзистора, соответствующее выделившемуся на входной емкости С_вх заряду Q составит величину U =Q /С_вх=5 мВ. Измеряя амплитуду сигнала чувствительного элемента, можно определить количество выбитых -квантом электронов и, соответственно оценить энергию -кванта. Соответственно усиленный сигнал поступает на устройство сбора, обработки и передачи данных 6, которое передает данные по линии связи 7 на внешние устройства дальнейшей обработки (измерения амплитуд сигналов), хранения данных, построения спектральных характеристик и визуализации.

При массовом производстве устройств регистрации квантов по заявляемому способу может оказаться экономически целесообразным изготавливать выделенные объемы 1, изоляторы 2, электроды 3, усилители 4, устройство сбора, обработки и передачи данных 6 на одной подложке 5 по единой микроэлектронной технологии.

Оценим характеристики излучения, воздействующего на чувствительный элемент. Пусть устройство регистрации на основе кремния находится в потоке -квантов с мощностью экспозиционной дозы . В этих равенствах учтено, что удельная плотность кремния _m=2.3 г/см³. Зная заряд электрона, можно определить объемную скорость ионизации в кремнии . Пусть, в среднем, энергия -квантов равна 1 МэВ. Тогда одному -кванту будет соответствовать N_e электронов. В данном случае N_e =1.2·10⁵. Скорости радиационной генерации электронов соответствует скорость поглощения -квантов

Плотность падающего потока -квантов j связана со скоростью их поглощения через величину их среднего пробега l или обратной величины этого параметра - µ.

При рассматриваемых значениях параметров получаем, что дозе 100 мкР/час соответствует поток излучения j =12 квантов/см²·с. Далее можно оценить частоту отсчетов гамма квантов с энергией ~1 МэВ кремниевым чувствительным элементом объемом V=1 мм³.

Подставляя значения параметров, получаем, 2·10^-3 с^-1.

Частоту отсчетов можно повысить, создав на поверхности кремниевой пластины ряд ионизационных ячеек. Их число N можно выбрать из следующих соображений. Пусть P₁ - зависящая от спектральных характеристик ионизирующего излучения вероятность регистрации единичной частицы одной ионизационной ячейкой, а Р - заданная суммарная вероятность регистрации частицы ионизирующего излучения. Тогда число ионизационных ячеек N выбирается из соотношения:

Так, если на 1 см² изготовить 100 параллельно работающих ионизационных ячеек, то средняя частота счета составит уже 0.2 с^-1. В одном детекторе излучения можно расположить несколько слоев пластин с ионизационными ячейками. Такое решение позволяет создать компактное устройство с высокой вероятностью регистрации частиц.

Дополнительная стоимость в этом случае практически будет определяться только стоимостью дополнительной площади кремния (стоимость кремниевой пластины Electronic Grade Silicon диаметром 300 мм составляет примерно $ 100, соответственно стоимость 1 см² составляет примерно $ 0.15). Устройства регистрации ионизирующих частиц по заявляемому способу может быть создано и на основе других широкозонных полупроводников - арсенида галлия (GaAs) и фосфида галлия (GaP) и т.д.

Таким образом, в заявленном изобретении обеспечивается возможность регистрации и измерения энергии отдельных частиц ионизирующих излучений ( -квантов, и -частиц), что решает поставленную техническую задачу повышения чувствительности детектора ионизирующих излучений с возможностью спектрометрии потока радиации.