Brevet FR2067037A1 — publié le 19710813

La présente invention se rapporte à un détecteur pour le comptage de particules nucléaires et de rayons X, comportant un corps de base sensible aux rayonnements0 Les compteurs à scintillations et les tubes compteurs à gaz utilisés antérieurement pour déceler des rayonnements nucléaires ont été supplantés entre-temps presque entièrement par suite de la mise au point des détecteurs à se- miconducteurs à pouvoir de résolution élevé.L'utilisation de tels détecteurs à semiconducteur, en particulier en combinaison avec des circuits électroniques à faible taux de bruit, à ouvert de nouvelles voies à la spectroscopie t et la technique des traceurs ainsi qugà l'analyse par activation0 De tels détecteurs avec un corps semi- conducteur, par exemple en silicium, fonctionnent de façon analogue aux chambres d'ionisation remplies de gaz ; toutefois, le volume de comptage rempli de gaz est remplacé par le corps en silicium L'énergie d'ionisation dans le silicium est sensiblement plus faible que dans les gazO De ce fait, le rayonnement absorbé produit davantage de porteurs de charge et le signal électrique formé est en conséquence plus élevé, Le corps en silicium peut comporter une jonction pn à proximité en dessous de la surface irradiée, Cette couche dearret se trouve entre une couche extérieure conductrice en or et le silicium du type nO Une tension de polarisation appliquée établit une zone de char ge d'espacez Lorsque une particule ionisante pénètre dans le corps, elle produit des paires de porteurs de charge séparés par le champ dans la zone de charge d'espace0 Par le mouvement de ces porteurs de charge, une charge est induite dans les sur- faces de contact, produit un affaissement brusque de la tension de polarisation et engendre ainsi un signal électrique. De tels détecteurs superficiels au silicium sont sensibles à des particules chargées et peuvent fonctionner à la température ambiante. Toutefois, ils ne conviennent pas à la détection des rayons et des rayons X. On connaît également des détecteurs au silicium comportant des jonctions pn obtenus par diffusion ou d'une manière différente. Au lieu du silicium, on peut également utiliser du germanium. Toutefois, pendant le fonctionnement, les détecteurs au germanium doivent être maintenus à des températures basses sensiblement inférieures à la température ambiante. Par un processus de diffusion, on peut améliorer les propriétés d'absorption des détecteurs au sili cium et au germanium. A cet effet, on applique une couche de lithium sur la surface du corps semiconducteur, par exemple une mince couche d'une émulsion de lithium dans de l'huile, et on fait diffuser le lithium dans le corps semiconducteur à une température d'environ 4000C. I1 se forme ainsi une couche ayant une résistance élevée0 De telles diodes de comptage à diffu sion de lithium doivent fonctionner et doivent également être stockées à basse température, afin d'éviter une diffusion en sens inverse du lithium0 Dans certains domaines d'application de la technique de mesure de rayonnements, un fonctionnement à des:: températures élevées, d9au moins quelques 1000C, est cependant désirable, par exemple dans la technique des réacteurs pour l9 contrôle et l'analyse des produits provenant du combustible et des gaines, A l'aide de détecteurs appropriés, on peut déceler en temps utile et localiser d'éventuels dommages.En outre, un fonctionnement à température élevée est nécessaire dans l'as tronautiques en particulier au voisinage du soleil, ainsi que par exemple pour la mesure de rayonnements au cours de proces sus chimiques et technologiques0 La présente invention vise donc un détec- teur qui puisse fonctionner à des températures élevées et gui présente un rendement de comptage élevé, Par des considérations théoriques et éga lement des essais pratiques, on a déjà vérifié l'aptitude d'au tres matériaux à l'utilisation donnée ci-dessusO Cette aptitude est en particulier déterminée par la largeur de la zone inter- dite, par la mobilité des porteurs et par la durée de vie des que porteurs, ainsi/par le numéro d'ordre des atomes du corps de base. Certains des composés AIIIBV connus outs- pour des pro priétés électriques comparables, des numéros d'ordre plus éle vés ou une plus grande distance entre bandes que le silicium et le germanium et semblent pour cette raison convenir à l'utilisa- tion envisagées L'arséniure de gallium GaAs connu dans la technique des semiconducteurs ne peut etre produit que très difficilement avec le degré de pureté nécessaire à cet effet et /fa,erstaison pour laquelle ce composé ne semblait pas convenir jusqu'ici.L'antimoniure d'indium InSb présente, il est vrai9 un numéro d'ordre plus élevé, mais une plus petite distance entre bandes et donc également une plus faible intensité de champ de rupture et un plus faible volume de comptage0 En outre, ce composé exige un fonctionnement à basse température et ne con vient donc pas non plus à l'utilisation envisagée, Le tellurare de cadmium CdTe absorbe mieux que le silicium, mais pas beaucoup mieux que le germanium9 et son pouvoir absorbant ne peut pas être amélioré par le procédé connu de diffusion0 a température de fonctionnement ncest pas sensiblement supérieure à la température ambiante C'est la raison pour laquelle ce composé ne peut pas non plus satisfaire aux exigences mentionnées.Les autres éléments et composés également examinés n'ont pas non plus pu trouver d'application dans la technique de mesure de rayonnements nucléaires0 Les essais connus portaient sur des substances dont la technologie est au moins à peu près connue On a également supposé que les matières semiconductrices convenaient le mieux à cet effet, CQest la raison pour laquelle on nea fait porté les essais que sur des semiconducteurs dont la structure de liaison est analogue à celle des semiconducteurs silicium et germanium ainsi que des composés AIIIBV et AIIBVI. En outreS l'utilisation d'une matière ayant une trop grande distance entre bandes semblait exclue0 En effet, une très grande distance entre bandes donne à supposer qu'un tel corps de base renferme un si grand nombre de défauts à grande section efficace de capture que les paires de porteurs de charge ne peuvent pas autre col lectés O La présente invention est basée sur la constatation qu'il est possible d'utiliser comme corps de base non seulement les éléments et composés connus, mais également des matières qui, du point de vue de leur propriété physiques, sont proches des isolants, Selon 11 invention, il est possible de résoudre le problème mis en évidence ciwdessus par le fait que le corps de base est formé au moins partiellement dioxyde de plomb, En effet, on a constaté que la distance entre bandes de l'oxyde de plomb, par exemple de la modification crthorhom- bique appropriée de l'oxyde de plomb jaune, qui s'élève à 2,7eV, est si élevée que cette matière est proche des isolants, mais que cette matière présente en mEme temps, en raison de son volume de comptage élevé et de son numéro atomique, une constante d'absorption élevée et donne ainsi un rendement de comptage élevé. a constante d'absorption est sensiblement supérieure à celle du germanium et de plusieurs ordres de grandeur supérieure à celle du silicium0 Un avantage essentiel de 11u- tilisation de l'oxyde de plomb comme corps de base conforme à 12 invention réside dans le fait que ces détecteurs peuvent fonctionner à des températures de plusieurs centaines de degrés, en particulier au-dessus de 5000C0 La structure d'un tel détecteur ne se distingue pas sensiblement des détecteurs ayant des corps de base connus, Le corps de base plat en oxyde de plomb, de préférence monocristallin, est pourvu, sur la surface irradiée, d'une mince couche de matière conductrice9 de préférence d'or9 servant d'électrode.Cette couche peut, par exemple, être déposée par vaporisation et être pourvue d'un conducteur de connexion électrique, Le côté plat opposé du corps semiconducteur est également doté d'une couche conductrice servant de seconde électrode et fixée aussi bien au corps de base en oxyde de plomb qu'à la plaque-support de ce derniers Les deux couches électriquement conductrices9 rapportées sur les cotés plats du cristal d'oxyde de plomb, agissent de façon connue à la manière d'un condensateur9 le corps de base faisant office de diélectrique0 Pour l'élaboration électronique des impulsions, on peut prévoir de façon connue un préamplificateur sensible aux charges, avec un analyseur à canaux multiples0 Dans l'exemple de réalisation donné cidessus, on a décrit un agencement avec un corps de base plat en oxyde de plomb, Toutefois, l'invention est applicable également à des détecteurs dont le corps de base présente une autre forme, par exemple une forme cylindrique suivant le modèle d'u- tilité allemand n 1 979 210, De tels détecteurs en forme de barreau sont utilisés de façon connue dans la technique médica lep pour mesurer des rayonnements ionisants dans le corps humaint Un autre domaine dgapplication consiste dans les détecteurs dits de carottage. Le cas échéant, il peut titre avan- tageux de doter le corps de base en oxyde de plomb d'une addition d'une autre matière, de préférence d'une autre matière semiconductriceOEn outre, il peut être doté de façon connue par diffusion ou alliage. En dehors de la modification jaune de l'oxyde de plomb, on peut également utiliser la modification rouge pour la réalisation d'un détecteur conforme à 17invention. REVENDICATIONS 1. Détecteur pour le comptage de parti cules nucléaires et de rayons X, comportant un corps de base sensible aux rayonnements, caractérisé par le fait que le corps de base est formé au moins partiellement d'oxyde de plomb (PbO)o 2o Détecteur suivant la revendication 19 caractérisé par le fait que le corps de base est monocristallinO 30 Détecteur suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que le corps semiconducteur est constitué au moins partiellement par la modification orthorhombique de l'oxyde de plomb.