Детектор ионизирующего излучения
ДЕТЕКТОР ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ на основе полупроводникового кристалла с нанесенной на нем поверхностно-барьерной структурой, о т л ичающийся тем, что, с цепью обеспечения работоспособности детектора на д ор1«1рованном 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. 00 IND со СП
СОЮЗ СОВЕТСНИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСНОЫУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
ГОСУДАРСТ8ЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР
ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3365774/18-25 (22) 15. 12. 81 (46) 07. 12.86. Бюл. 9 45 (71) Ленинградский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова (72) В.В. Баублис, А.М. Мартюшов, В.Ф. Морозов и B.М. Самсонов (53) 621.387.462(088.8) (56) Дырнли Д. и Нортрон Д. Полупроводниковые счетчики ядерного излучения. -М.: Мир, 1966.
M.Í. Tait "Radiation Detection", Butterioorths, 1980, с. 21.
Н. Esbensen at all. "Phys. Rev.", v. 188, ff 3, 1039, 1978
- SU.„10 951 (51}4 Н 01 L 31/04 G 01 Т 1 24 (54) (57) ДЕТЕКТОР ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ на основе полупроводникового кристалла с нанесенной на нем поверхностно-барьерной структурой, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью обеспечения работоспособности детектора на деформированном кристалле, последний изогнут так, что отношение его толщины к радиусу изгиба в любой
-э точке не превышает 10, причем детектор снабжен деформирующим приспособлением и закреплен в нем той частью, на которой отсутствует область р-п- . перехода поверхностно"барьерной
1032951
Изобретение 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 ионизационным потерям, а также может применяться во всех областях F(aродного хозяйства, где требуется проведение анализа на активность образцов малых размеров и малой интенсив- 10 ности (например, в геологии, атомной промь(шленности и т.д.).
Известны полупроводниковые детекторы, предназначенные для идентификации ионизирующих частиц по их, удельным ионизационным потерям (dE/dx — детекторы) .
Материалом для таких детекторов служат полупроводниковые кристаллы с малым количеством дефектов ро
4 ((1С 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 о ю(g о Е
Недостатком таких детекторов является то, что они не могут быть использованы для спе(ц(альных измерений, а именно для идентификации ионизирующих частиц по типу движения через кристалл, т.е. не могут, например, выделять частицы, захваченные в режим каналировапия (каналирующие частипь() . Такие частицы двигаются только между атомными плоскостями, 35 имеют малые удельные ионизационные потери, примерно в 2 раза меньшие по сравнен(по с остальньп(и частицами, проходящ((ми через детектор, обладают больными длинами пробега в крис- 4О 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 oF(обладает плохими характеристиками при спектральных исследованиях от источников 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- 55. 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 струк-. тура.
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 детекторов.
Наиболее близким техническим решением к изобретению является полупроводниковый детектор (dE/dx) ионизирующего излучения, позволяющий идентифицировать частицы по типу движения через кристалл (каналирующие и неканалирующне частицы) по величине их удельных ионизационных потерь.
В этих детекторах поверхностно> барьерная структура . нанесена на плоскопараллельный полупроводниковый кристалл, вырезанный таким образом, чтобы определенное семейство крис-. таллографических плоскостей (обычно (лоскости (1 1 1) q (1 10) или (100) и т.д.) было строго перпендикулярно к входной поверхности детектора (допуск на перпендикулярность 1-10) .
1032951
4 где 8 — критический угол захвата
О в режиме каналирования;
V — глубина потенциальной о ямы межплоскостного потенциала; 5
Š— 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. 15
Таким образом, указанные полупроводниковые детекторы позволяют проводить отбор частиц цо типу движе° ния..Возможность осуществления отбора частиц по типу движения, а также одновременный поворот их является важной задачей в физике высоких энергий. Известно, что деформирован- 5 ные кристаллы используются для управления траекториями ультрарелятивистских частиц (подобно сверхсильному магниту).
Недостатком же плоского полупро30 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 бы имелась 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-барьерной структурой, 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- 55 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 последI ний изогнут так, что отношение его толщины к радиусу изгиба в любой точке не превышает 1О (Т/р < 1О ), причем детектор снабжен деформирующим приспособлением и закреплен: в нем той частью, на которой отсутствует область р - и-перехода поверхностнобарьерной структуры.
Предлагаемое изобретение основано на неочевидном и неизвестном ранее факте, 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 обкпадкой). Это условие было определено также опытным путем.
На фиг. 1 представлен пример реализации полупроводникового поверхностно-барьерного детектора.на кристалле,изогнутом по цилиндру радиуса
Р и с р — п-переходом на выпуклой поверхности кристалла; на фиг. 2— то же, на кристалле, изогнутом по ци-. линдру радиуса Р и с р — n-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 вЂ” толщина кристалла; р - радиус изгиба кристалла..
1032951 б сутствует поверхностно-барьерная структура, поэтому область р — n — перехода находилась в свободном состоянии.
На фиг. 3-7 представлены примеры деформационньгх приспособлений, обес
1 печивающих работоспособность поверх ностно-барьерной структуры на дефор мированном (изогнутом) кристалле.
На фиг. 8 представлена основная характеристика полупроводникового детектора — зависимость величины обратного тока I g от прилох<енного напряжения U для детектора на не-з. изогнутом кристалле с Т/ 5 10 для детектора на изогнутом кристалле с Т/12 с 1,1 10
На фиг. 9 представлен спектр о —
23Ч 241 частиц от источника Pu + Am24 +
244 15
+ Cm, измеренный детектором на кристалле, изогнутом посредством наклейки на стеклянную цилиндричес— кую поверхность через алюминиевый электрод. Разрешение детектора,"
21,7 кэВ; обратный ток 0,2 мА при напряжении 60В.
На фиг. 10 представлен спектр
dE/dx 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 кристал30 ла. 1 и нанесенной на него поверхностно-барьерной структурой (слоями золота ? и ал|оминия 3) (см. фиг. 1,2).
Деформирующее устройство представляет собой стеклянную цилиндрическую поверхность 5, на которой закреплен, например, с помощью клея полупроводниковый кристалл 1, причем область р — n-перехода находится в свободном состоянии (см. фиг. 3). Возможны другие виды деформирующих устройств, 40 обеспечивающих работоспособность поверхностно- барьерной структуры (cM. фиг. 4,5,6, 7) .
На фиг. 4 преДставлено деформирующее устройство, в котором полупро45 водниковый кристалл 1 зажимается между взаимно притертыми выпуклой б и вогнутой 7 цилиндрическими поверхностями. Область p — и-перехода находится в .свободно"; состоянии, это выпол- 0 няется благодаря применению фторпластовой прокладки 8.
На фнг. 5 представлено деформирующее устройство, в котором полупроводниковый кристалл 1 зажимается между взаимно притертыми выпуклой и вогнутой цилиндрическими поверхностями только 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 нормально торцу 9 деформированного полупроводникового кристалла 1. Если кристалл вырезан так, что атомная плоскость (110), (111) или (100) перпендикулярна к. торцу, то частицы, пад ающи е на т ор ец п од угл ом 9 < В, 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 поверхностнобарьерной структурой. Поверхностнобарьерную структуру можно наносить дискретно по всему пути следования частиц, благодаря чему также можно получить информацию о движении час— тиц на протяжении всего кристалла.
Для детекторов, предназначенных для регистрации ионизирующих излуче †. 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 цилиндрическую поверхность 5, на которой закреплен, например, с помощью клея полупроводниковый кристалл I, причем область р — n-перехода находится в свободном состоянии.
Ионизирующее излучение от источника малой интенсивности и малых размеров, установленного в фокусе цилиндрической поверхности, по радиусу которой изогнут кристалл, падает на вогнутую поверхность детектора. Этим
1032951
9 tan
Фиа J
Фиа Я устраняются геометрические абберации и повышается светосила детектора.
Соответствующий подбор толщины кристалла обеспечит нужный радиус изгиба кристалла. 5
Работоспособность полупроводникового детектора, деформированного так, что отношение толщины кристалла к ра-3 диусу его изгиба не превышало 1О была доказана опытным путем. 10
На фиг. 8 представлена .зависимость величины обратного тока от напряжения (основная техническая характеристикаполупроводникового детектора) . Видим, что в случае нанесения поверхностно- !5 барьерной структуры на деформированный кристалл при соблюдении условия
Т/P < 10, свойства детектора не изменяются по сравнению со случаем, когда поверхностно-барьерная структу-20 ра находится на плоском кристалле (кривые 10 и 11 практически совпали), а при деформации, превышающей значение Т/Р»), 10,.детектор становится неработоспособным. 25
Таким образом, обеспечение работоспособности поверхностно-барьергой структуры в деформированном кристалле позволяет непосредственно регистрировать и выделять каналирующие час-щ 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 малой интенсивности и малых размеров путем придания соответствующей формы кристаллу (цилиндр, сфера) упругим деформированием, а источник при этом помещается в фокус относительно выбранной поверхности детектора.
В лаборатории нейтронных исследований ЛИЯФ быпи созданы 15 опытных образцов детекторов на изогнутых . кристаллах. В качестве кристаллов в этих детекторах использовались пластины, вырезанные из монокристаллического кремния п типа с сопротивлением 10 кОм и плотностью дислокаций меньше 10" дисл/см . В детекторах, предназначенных для выделения каналирующих частиц, кристалл вырезан так, чтобы плоскость (111) была перпендикулярна к входной грани детектора. При этом на кристалле нанесены три независимые поверхностно-барьерные структуры, которые могут дать информацию о движении частиц в трех участках кристалла. Радиус изгиба кристаллов бып выбран 40 см и 2 см, а толщина пластин 0,4 мм.
Проведенные измерения показали, что все детекторы обладают хорошими . рабочими характеристиками, полностью работоспособны и обеспечивают выделение как каналирующих частиц, так и хорошее разрешение от малоинтенсивных и небольших источников (см. фиг.
9 и 10).
1032951 гор. г
Фиг. 7 зи п, мамютл
Фиа Ю
4Ж е, ланкл
Фиа 9
Редактор С. Титова
Заказ 6590/1
Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4
Ф
1м
4 о т
Составитель Б. Рахманов
Техред В.Кадар Корректор И. Муска
Тираж 643 Подписное
ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий
113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5
