Способ регистрации излучения

 

Изобретение относится к электронике. Способ регистрации излучения включает направление излучения на структуру, содержащую металлический слой, изолирующий слой в виде газового диэлектрика и широкозонный изолирующий полупроводниковый кристалл, к которой предварительно прикладывают постоянное электрическое напряжение U, и измерение амплитуды и числа токовых импульсов во внешней цепи упомянутой структуры. Новым является выбор прикладываемого к структуре напряжения U из соотношения: U≥(E_кр·d_о(1-ε₁·d_о/ε₀·d₁)/ (1+(1+ε₁·d_о/ε₀·d_о)/ (1+ε₀·d₁/ε₁·d_о)), где E_кр - критическая напряженность электрического поля в слое газового диэлектрика, В/м; d_о - толщина слоя газового диэлектрика, м; d₁ - толщина широкозонного изолирующего полупроводникового кристалла, м; ε₀ - относительная диэлектрическая проницаемость слоя газового диэлектрика; ε₁ - относительная диэлектрическая проницаемость широкозонного изолирующего полупроводникового кристалла. Технический результат изобретения заключается в обеспечении возможности регистрации интенсивности импульсного излучения наряду с измерением энергии (дозы) излучения. 3 ил.

Настоящее изобретение относится к электронике, а более конкретно, к способам регистрации интенсивности и энергии (дозы) электромагнитного, рентгеновского и ядерного излучений.

Известен способ регистрации энергии (дозы) падающего излучения путем направления излучения на структуру, содержащую металл-диэлектрик-полупроводник в виде изолирующего широкозонного кристалла (так называемая МДП-структура), к которой приложено постоянное электрическое напряжение, и регистрацию фотоответа, (см Зеленин И.А., Кашерининов П.Г., Харциев В.Е. - Новые приборы для управления энергией лазерного излучения // Письма в ЖТФ. - 1996. том 22, N 5, с.86-91.

Известный способ регистрации позволяет регистрировать энергию (дозу) излучения. Однако регистрация энергии (дозы) излучения носит не оперативный, а лишь разовый характер; необходимо последующее стирание накопленного в кристалле заряда для подготовки структуры к новому акту регистрации энергии, так как в процессе регистрации излучения в кристалле накапливается объемный поляризационный заряд, который изменяет напряженность электрического поля в кристалле. Известный способ также не обеспечивает точного измерения амплитуды следующих друг за другом импульсов в виду того, что величина фотоответа от каждого последующего импульса уменьшается со временем в процессе регистрации излучения.

Известен способ регистрации излучения, совпадающий с заявляемым способом по наибольшему числу признаков, принятый за прототип, включающий направление излучения на структуру, содержащую металлический слой, изолирующий слой в виде газового диэлектрика (ГД) и широкозонный изолирующий полупроводниковый кристалл (П) (так называемая М(ГД)П-структура), к которой прикладывают постоянное электрическое напряжение, и регистрацию фотоответа. (см. Кашерининов П. Г., Лодыгин А.Н. - Новые полупроводниковые приборы для регистрации энергии (дозы) электромагнитных и ядерных излучений на основе специального типа структур металл-диэлектрик-полупроводник. - Письма в ЖТФ, 1997, том 23, N 4, с. 23-29.

Известный способ позволяет оперативно регистрировать энергию (дозу) излучения, так как в процессе регистрации излучения имеет место циклическое перераспределение напряжения между слоями М(ГД)П-структуры. В такой структуре при регистрации излучения на границе раздела полупроводниковый кристалл-газовый диэлектрик образуется электрический заряд, вызывающий уменьшение напряженности электрического поля в кристалле и соответственно увеличение напряженности поля в диэлектрическом слое. Когда напряженность электрического поля в газовом диэлектрике достигнет критического значения, проводимость газового слоя скачком переключается в высокопроводящее состояние (газовый разряд). При этом накопленный в кристалле заряд вытекает из кристалла, вызывая появление токового импульса в электрической цепи структуры, после чего напряженность электрического поля в газовом слое уменьшается ниже критического значения, разряд прекращается, распределение поля в структуре возвращается к первоначальному состоянию и далее процесс повторяется. Однако недостатком известного способа является невозможность с его помощью точно определять величину амплитуды импульсов излучения при импульсном освещении структуры, так как имеющая место поляризация в процессе регистрации импульсов излучения искажает результаты измерений амплитуды импульсов излучения. Как показали исследования авторов, при облучении М(ГД)П-структуры регистрируемым импульсным излучением, испытывающим в кристалле фотоактивное поглощение, генерированные излучением фотоносители разделяются электрическим полем, при этом один тип носителей уносится из кристалла, а другой под действием электрического поля собирается у границы раздела кристалл-газовый слой, уменьшая напряженность поля в кристалле. В результате амплитуды последовательных токовых импульсов фотоответа, регистрируемые в интервале времени между двумя последовательными газовыми разрядами, уменьшаются со временем, так как после каждого поглощенного в кристалле импульса напряженность электрического поля в кристалле уменьшается и электрический заряд, созданный каждым последующим импульсом, будет собираться в кристалле под действием все меньшей напряженности электрического поля.

Задачей настоящего изобретения являлась разработка такого способа регистрации излучения с помощью М(ГД)П-структуры, который бы обеспечивал, наряду с измерением энергии (дозы) излучения, возможность регистрации интенсивности импульсного излучения.

Поставленная задача решается тем, что в способе регистрации излучения, включающем направление излучения на структуру, содержащую металлический слой, изолирующий слой в виде газового диэлектрика и широкозонный изолирующий полупроводниковый кристалл, к которой предварительно прикладывают постоянное электрическое напряжение U, и измерение амплитуды и числа токовых импульсов, прикладываемое к структуре напряжение U выбирают из соотношения: где E_кр - критическая напряженность электрического поля в слое газового диэлектрика, В/м; d₀ - толщина слоя газового диэлектрика, м; d₁ - толщина широкозонного изолирующего полупроводникового кристалла, м; ε_o - относительная диэлектрическая проницаемость слоя газового диэлектрика; ε₁ - относительная диэлектрическая проницаемость широкозонного изолирующего полупроводникового кристалла.

Величины критической напряженности электрического поля в слое газового диэлектрика E_кр известны и приведены, например, в книге: Богородицкий Н.П., Пасынков В. В. - Материалы в радиоэлектронике. - М.: - Госэнергоиздат, - 1961, с.351.

Как неожиданно было экспериментально обнаружено авторами, если прикладываемое к М(ГД)П-структуре постоянное электрическое напряжение удовлетворяет соотношению (1), то форма и величина фотоответа при регистрации интенсивности импульсного излучения не изменяется со временем, что позволяет использовать такие структуры в качестве неполяризующихся фотодетекторов для регистрации интенсивности импульсного излучения. Этот эффект связан с исходным распределением напряженности электрического поля в М(ГД)П-структуре. При величинах прикладываемого напряжения, не удовлетворяющих соотношению (1), напряженность электрического поля в кристалле в темноте значительно превосходит напряженность поля в кристалле в последний момент перед началом газового разряда. После каждого поглощенного в кристалле импульса излучения напряженность электрического поля в кристалле уменьшается и электрический заряд, создаваемый последующим импульсом излучения, будет, как указывалось выше при рассмотрении способа-прототипа, собираться в кристалле под действием все меньшей напряженности электрического поля. В условиях неполного сбора заряда в кристалле фотоответ от каждого из последующих импульсов излучения будет меньше предыдущего. При приложении к структуре напряжения, величина которого удовлетворяет соотношению (1), амплитуда токовых импульсов фотоответа от импульсов излучения остается неизменной.

Обнаруженный эффект неизвестен авторам из патентной и другой научно-технической литературы, что позволяет считать заявляемый способ регистрации излучения новым.

Обнаруженный авторами эффект не вытекает очевидным образом из уровня техники, в связи с чем заявляемый способ, по мнению авторов удовлетворяет критерию изобретательского уровня.

Заявляемый способ регистрации излучения поясняется чертежом, где: на фиг. 1 изображен один из вариантов принципиальной схемы установки для реализации заявляемого способа регистрации излучения (на структуру можно направлять излучение и в перпендикулярном направлении); на фиг. 2 - форма импульсов фототока во внешней цепи М(ГД)П-структуры при регистрации импульсного излучения ультрафиолетового (УФ)-лазера способом-прототипом (а - токовые импульсы фотоответа от импульсов излучения; в - токовые импульсы газового разряда); на фиг. 3 - форма импульсов фототока во внешней цепи М(ГД)П-структуры при регистрации импульсного излучения УФ-лазера заявляемым способом (а - токовые импульсы фотоответа; в - токовые импульсы газового разряда).

Установка для осуществления способа регистрации излучения включает М(ГД)П-структуру 1, включающую оптически прозрачные электроды 2, широкозонный изолирующий полупроводниковый кристалл 3 (в качестве которого могут быть использованы: алмаз, силикат висмута Bi₁₂SiO₂₀, германат висмута Bi₁₂GeO₂₀ другие ширикозонные изолирующие полупроводниковые кристаллы), слой газового диэлектрика 4 (в качестве которого может быть использован воздушный зазор), внешний источник постоянного напряжения 5, подключенный к электродам 1 через сопротивление 6, с которого снимают регистрируемый сигнал.

Заявляемый способ регистрации излучения осуществляют следующим образом. К электродам 2 М(ГД)П-структуры 1 от внешнего источника 5 подают постоянное напряжение U, выбираемое из соотношения (1). Структуру 1 облучают регистрируемым импульсным излучением со стороны слоя газового диэлектрика 4 и снимают сигнал фотоответа с сопротивления 6, который подают на измерительный осциллограф (на чертеже не показан).

Пример 1 Изготавливали М(ГД)П-структуру со слоем воздуха в качестве газового диэлектрика и кристалла природного алмаза, с удельным темновым сопротивлением ρ > 10¹⁵ Ом · см. Из кристалла вырезалась плоскопараллельная пластина с размерами 5х5х0,3 мм³. На одной из поверхностей кристалла 5х5 мм² размещалась пластина слюды размером 5х5 мм² и толщиной 50 мкм со сквозным отверстием диаметром 1,2 мм. Структура размещалась между стеклянными пластинками с нанесенными на их внутренние и внешние поверхности оптически прозрачными электродами из In₂O₃. К электродам М(ГД)П-структуры от источника постоянного напряжения подавали напряжение величиной 1200 В, удовлетворяющей соотношению (1). Структуру освещали ультрафиолетовым излучением азотного импульсного лазера ЛГИ-21 (длина волны - 0,3370 мкм, энергия излучения в импульсе - 7 мкДж, длительность импульса - 10 нс, диаметр пучка излучения - 3 мм, частота следования импульсов 10 имп/с. Форма и величина токовых импульсов фотоответа и токовых импульсов газового разряда приведена на фиг. 3.

Пример 2
Регистрацию импульсного излучения проводили так же, как в примере 1, за исключением того, что на электроды М(ГД)П-структуры подавали напряжение величиной 1100 В, не удовлетворяющей соотношению (1). Форма и величина токовых импульсов фотоответа и токовых импульсов газового разряда приведена на фиг. 2. В этом случае фотоответ от каждого из последующих лазерных импульсов оказывается меньше предыдущего.

Помимо амплитуды импульсного излучения заявляемый способ регистрации позволяет определять энергию q излучения коротких импульсов. При известной энергии переключения падающего излучения Q М(ГД)П-структуры (когда происходит газовый разряд), энергия падающего излучения от одного импульса будет определяться количеством импульсов фотоответа во внешней цепи структуры N за время между двумя последовательными импульсами газового разряда:
q = Q/N (2)
Таким образом, заявляемый способ регистрации излучения позволяет определять, кроме суммарной энергии (дозы) излучения, амплитуду и энергию каждого импульса излучения.

Формула изобретения

Способ регистрации излучения, включающий направление излучения на структуру, содержащую металлический слой, изолирующий слой в виде газового диэлектрика и широкозонный изолирующий полупроводниковый кристалл, к которой предварительно прикладывают постоянное электрическое напряжение U, и измерение амплитуды и числа токовых импульсов во внешней цепи упомянутой структуры, отличающийся тем, что прикладываемое к структуре напряжение U выбирают из соотношения

где E_кр - критическая напряженность электрического поля в слое газового диэлектрика, В/м;
d₀ - толщина слоя газового диэлектрика, м;
d₁ - толщина широкозонного изолирующего полупроводникового кристалла, м;
ε₀ - относительная диэлектрическая проницаемость слоя газового диэлектрика;
ε₁ - относительная диэлектрическая проницаемость широкозонного изолирующего полупроводникового кристалла.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3