Детектор рентгеновского излучения

 

Изобретение относится к регистрации излучений и может быть использовано для регистрации жесткого рентгеновского излучения на фоне гамма-излучения. Цель изобретения - снижение чувствительности к смешанному излучению при обеспечении высокой избирательности к жесткому рентгеновскому излучению и максимального линейного тока детектора. Цель достигается тем, что детектор содержит чувствительный элемент, выполненный слоистым из чередующихся в нем слоев окисла MgO и теллурида кадмия, расположенных асимметрично и перпендикулярно относительно оси. Изобретение обеспечивает снижение чувствительности без уменьшения внешних габаритов детектора при сохранении высоких значений избирательности на фоне гамма-излучения, максимального линейного тока, временного разрешения. 1 ил.

Изобретение относится к регистрации ионизирующих излучений, в частности к избирательной регистрации жесткого рентгеновского излучения. Цель изобретения снижение чувствительности детектора к смешанному излучению и повышение избирательности к жесткому рентгеновскому излучению. Сущность предложения заключается в том, что между слоями прессованного теллурида кадмия расположены слои окисла, например MgO, коэффициент термического расширения которого α_o>α_CdTe, где α_CdTe коэффициент термического расширения слоя из теллурида кадмия. Фронтальный и тыльный слои чувствительного элемента выполнены из CdTe, слои CdTe и MgO осесимметричны и расположены перпендикулярно центральному электроду, толщина слоев CdTe 0,5 мм. Существо изобретения заключается в том, что смешанное жесткое рентгеновское излучение (ЖРИ) и гамма- излучение, проходя через чередующиеся слои СdTe и MgO, поглощается, образуя электронно-дырочные пары, которые в слоях CdTe собираются при приложении электрического поля на центральный и внешний электроды, а в слоях MgO, как в материале, не имеющем токового механизма переноса заряда, рекомбинируют, не внося вклада в полезный сигнал. В результате уменьшается чувствительность детектора в целом, без изменения его габаритов, при сохранении высоких значений максимального линейного тока, временного разрешения и избирательности к ЖРИ. На чертеже схематично представлен предлагаемый детектор. Он содержит внешний цилиндрический электрод 1, например медный, центральный электрод 2, промежуток между центральным и внешним контактами заполнен слоями прессованного порошка окисла MgO 3 и теллурида кадмия CdTe 4. Как видно из чертежа, фронтальный и тыльный слои детектора выполнены из теллурида кадмия, слои CdTe и MgO осесимметричны и расположены перпендикулярно детектору. Толщина слоев из CdTe выбирается α ≥ 0,5 мм. Это связано с механической прочностью сформированного прессованного слоя. Ниже 0,5 мм слои механически непрочны, а из-за различия твердости между CdTe и MgO внедряются в порошок, образуя переходный слой глубиной 0,15 мм с каждой стороны. При меньших толщинах возможен разрыв электрической цепи по слою CdTe. Увеличение толщины слоя CdTe много больше 0,5 мм нецелесообразно ввиду увеличения чувствительности. Материал окисла, выполняющий в детекторе функцию пассивного слоя, выбирают исходя из следующих соображений. Термическая устойчивость выбирается такой, чтобы при изготовлении при температуре обжига обеспечивалась неизменяемость электрических свойств окисла. Микротвердость выбирается такой, чтобы окисел возможно было отпрессовать, не подвергая порче пресс-форму (≅ 5-6 по Моосу). Высокое удельное сопротивление необходимо, чтобы не было электрических пробоев и высоких токов утечки при подаче электрического поля. Диэлектрическая проницаемость должна быть меньше, чем у CdTe, чтобы не ухудшить временное разрешение. Малый эффективный атомный номер необходим для малого поглощения ЖРИ по избежание искажения спектра излучения; малый коэффициент выхода вторичных электронов "вперед" и "назад" на энергиях гамма-квантов К 1 МэВ. Одним из основных требований, предъявляемых к окислу, является коэффициент теплового расширения (КТР), точнее разница между КТР CdTe и окисла. Чем больше разница, тем большие напряжения возникают в пограничных слоях CdTe окисел, особенно с учетом того, что при прессовке из-за различия твердости окисла и CdTe первый проникает в более мягкий материал CdTe, образуя переходной слой толщиной 0,15 мм (определено экспериментально) с каждой стороны. После термического отжига различие в КТР приводит к микротрещинам в объеме слоев как CdTe, так и окисла, что в значительной степени обуславливает резкое снижение сбора носителей заряда из объема слоя CdTe, т. е. уменьшение чувствительности. Экспериментально установлено, что уменьшение чувствительности по этой причине в 8-9 раз. Для расчета чувствительности детектора необходимо ввести поправочный коэффициент (0,11-0,12). Наиболее приемлемым окислом, удовлетворяющим всем вышеперечисленным требованиям, является MgO (КТР 11,2·10^-6град^-1, КТР 4,5· 10^-6град^-1. Предложенный детектор работает следующим образом. Смешанное гамма-рентгеновское излучение, падающее в направлении оси детектора, поглощается в слоях CdTe и MgO, образуя электронно-дырочные пары. Причем из слоя CdTe носители выводятся по токовому механизму переноса на центральный и внешний контакты в соответствии с полярностью прикладываемого напряжения к центральному и внешнему контактам. Носители, рожденные в диэлектрическом MgO, рекомбинируют, не внося вклада в полезный сигнал, что связано с экстремально низкими параметрами окисла (время жизни и подвижность), так как атомный номер MgO мал по сравнению CdTe, поглощением в нем смешанного излучения можно пренебречь. Низкий коэффициент диэлектрической проницаемости не вносит существенных ухудшений во временное разрешение детектора (R_нC_MgO ≅ R_нC_CdTe, где R_н сопротивление нагрузки; C_MgO, C_CdTe - емкости слоев MgO и CdTe). Временное разрешение определяется практически только слоями CdTe и емкостью корпуса детектора. Временное разрешение предлагаемого детектора выше, чем у детектора со сплошным заполнением теллуридом кадмия. Первый (фронтальный) слой состоит из CdTe, который имеет меньший выход "вперед" вторичных электронов при энергиях гамма-квантов Е 0,1 МэВ и больший выход на энергиях Е 0,1 МэВ, чем MgО, что улучшает соотношение S_ЖРИ/S_j, где S_ЖРИ, S_γ чувствительность детектора к ЖРИ и гамма-излучению. Тыльный слой выполняется также из CdTe, как имеющий больший выход "назад" вторичных электронов при энергии Е 0,1 МэВ, чем при Е 1 МэВ по сравнению с MgO. При любой другой очередности расположения слоев избирательность к рентгеновскому излучению ухудшается за счет влияния вклада вторичных электронов при энергии гамма-квантов с энергией Е 1 МэВ. Максимальный линейный ток детектора несколько ухудшается, оставаясь достаточным (в пределах 0,5 А) для уверенной регистрации сигнала. Это связано с тем, что за счет лучшей теплопроводимости MgO чем CdTe (0,14 кал/град·см·с у MgO и 0,015 кал/град·см·с у CdTe) происходит более быстрый подвод тепла к областям, примыкающим к центральному и внешнему контактам, что при кратковременности отжига обеспечивает лучшее спекание (т.е. лучший сбор носителей заряда), при этом не увеличивая чувствительность, поскольку за времена отжига весь объем чувствительного элемента не спекается достаточно полно. Смешанное ЖРИ и гамма-излучение, проходя через последующие чередующиеся слои CdTe и MgO, поглощается, образуя электронно-дырочные пары, которые в слоях собираются при приложении электрического поля на центральный и внешний контакты, а в MgO, не имеющем токовый механизм переноса заряда, рекомбинируют, не внося вклада в полезный сигнал. На этом принципе и основывается уменьшение чувствительности детектора в целом без изменения его габаритов. Расположение слоев перпендикулярно оси детектора необходимо для создания идентичных условий для всех слоев, как CdTe, так и MgO, при приложении электрического поля. Любое другое расположение слоев ведет к перераспределению электрического поля между слоями CdTe и MgO и нарушению замкнутости электрической цепи при воздействии ИМИ (образование зарядов, рассасываемых полем), поскольку MgO является диэлектриком рассасываемого заряда. Т.е. чувствительность при этом будет связана не со сбором носителей заряда, а с электромагнитными наводками и крайне мало вероятностным пролетом электронов через слой диэлектрика. Осесимметричность слоев CdTe и MgO связана с равными электрическими условиями функционирования всех слоев при подаче рабочего напряжения. В противном случае наблюдается искажение формы импульса и ухудшение временного разрешения, максимального линейного тока. Соотношение толщин слоев CdTe и MgO связано прежде всего с требуемым уменьшением чувствительности относительно сплошного заполнения теллуридом кадмия при учете минимальной толщины слоев CdTe (и MgO также по соображениям механической прочности), равным 0,5 мм. Увеличение толщины CdTe нецелесообразно из-за роста чувствительности, увеличение толщины слоев MgO связано только с требуемым временным разрешением (емкость корпуса детектора). С учетом всех вышеперечисленных описаний чувствительность детектора S_д можно рассчитать по формуле где S_п чувствительность детектора при полном заполнении межконтактного объема полупроводником; d_Σn суммарная толщина полупроводниковых слоев; d_Σ высота детектора; n число полупроводниковых слоев. П р и м е р 1. Применяют детектор с чувствительным элементом размером 5х5 мм, диаметр центрального электрода 1,8 мм, толщина внешнего электрода. Время отжига 40_" (2), n 3, d_Σn 1,6 мм, U_раб 1200 ±25 В, S_п (3,3,5)·10^-19 А·см²с/квант, S_д (7-8)·10^-21А ·см²с/квант, τ_0,5 0,25-0,30 нс, I_л.макс 0,50-0,53 А, S_E 100 кэВ, S_E=1 МэВ 15. Радиационная стойкость (1,8-2,0)·10¹⁴ н/см². П р и м е р 2. Время отжига 25^", S_п (0,67-0,90)·10^-19 А·см²·c/квант, S_д (1,5,2,0)·10^-21 А·cм²· c/квант, τ_0,5 0,20 нс, I_л.макс (0,4-0,43)А. Радиационная стойкость (2,3-2,5)·10¹⁴ н/см². Таким образом, уменьшение чувствительности детектора достигается без ухудшения других электрофизических параметров, что позволяет регистрировать высокоинтенсивное рентгеновское излучение на фоне гамма-излучения.

Формула изобретения

Детектор рентгеновского излучения, содержащий чувствительный элемент коаксиальной формы, выполненный из слоев теллурида кадмия и содержащий центральный и внешний электроды, отличающийся тем, что, с целью снижения чувствительности детектора к смешанному излучению и повышения избирательности к жесткому рентгеновскому излучению, между слоями прессованного теллурида кадмия расположены слои окисла MgO, причем фронтальный и тыльный слои чувствительного элемента выполнены из теллурида кадмия, слои CdTe и MgO осесимметричны и расположены перпендикулярно центральному электроду.

РИСУНКИ

Рисунок 1