КОМБИНИРОВАННЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДЕТЕКТОР РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
SEMICONDUCTOR X-RAY COMPOSITE DETECTOR

Изобретение относится к технике регистрации ионизирующего излучения, в частности к детекторам рентгеновского излучения.
Известен Si детектор [1, 2], состоящий из чувствительного блока, состоящего из высокоомного Si (высокоочищенного или легированного литием), двух электродов, на которые через резистор подается высокое напряжение, предусилителя (ПУ), подключенного к этим электродам. Поглощение рентгеновского фотона в веществе детектирующего блока происходит в результате процессов фотопоглощения либо комптоновского рассеяния. В случае полного поглощения веществом детектора фотон регистрируется в пике полного поглощения. В результате фотопоглощения (см., например, [3]) ионизированный атом вещества детектирующего блока может испустить флуоресцентный фотон, либо разрядиться путем набора Оже переходов. В случае испускания флуоресцентного фотона последний может покинуть чувствительную область детектора. Оставшиеся в детекторе фото и Оже электроны затормозятся в веществе детектора, преобразуются в набор низкоэнергетических электронов и дырок и будут зарегистрированы в пике фотопотерь, с энергией, меньшей чем энергия фотона на величину энергии покинувшего детектор фотона.
Подобный эффект возможен и в случае комптоновского рассеяния, когда рассеиваемый фотон теряет в детекторе лишь часть энергии и покидает чувствительный объем детектора. В этом случае фотон будет зарегистрирован в «горбе потерь».
Недостатком кремниевого детектора является то, что вероятность регистрации в «горбе потерь» становится существенной при энергии фотона более 40 кэВ (см. фиг.2, либо [3]), что при наличии в спектре попадающих в детектор фотонов с энергией, большей указанной, приводит к увеличению фона в области низких энергий [4].
Известен Ge детектор [1, 2], конструкция которого отличается от Si детектора тем, что в качестве чувствительного элемента используется высокочистый или легированный Li, или Ge с внесенными радиационными дефектами.
Недостатком Ge детектора является высокая вероятность регистрации фотона с энергией, большей энергии К края поглощения (11 кэВ) в пиках К фотопотерь (до 20%), вследствие намного большего, чем у кремния, сбора флуоресценции (примерно 4,5% для Si и 53% для Ge). Этот процесс затрудняет в некоторых случаях расшифровку получаемых с помощью детектора спектров.
Известен полупроводниковый детектор ионизирующего излучения [5], детектирующий блок которого состоит из двух слоев - ближнего к источнику излучения слоя с малым атомным номером и дальнего от источника излучения слоя с большим атомным номером. Однако, поскольку взаимодействие фотона с веществом является процессом случайным, фотон может быть зарегистрирован как в области вещества с малым атомным номером Z, так и в области вещества с большим Z.
Недостатком является то, что процессы даже полного поглощения дадут импульсы разной амплитуды, что приведет к практической невозможности использования такого детектора в спектрометрических целях.
Известен полупроводниковый детектор ионизирующего излучения [6], состоящий из двух планарных диодов. При этом ближний к источнику излучения планарный диод детектирует альфа-излучение и низкоэнергетическое рентгеновское излучение, а дальний - высокоэнергетическое рентгеновское излучение. Однако никаких механизмов подавления пиков потерь или горба потерь не предусмотрено.
Известно устройство, включающее в себя два полупроводниковых детектора ионизирующего излучения с разными атомными номерами и чувствительной глубиной разной толщины [7]. В этом случае детекторы располагаются параллельно пучку падающего на них гамма-излучения. Толщины детекторов подбираются таким образом, чтобы «горб потерь» имел одинаковую интенсивность (что возможно, поскольку сечение комптоновского рассеяния в рассматриваемой области гамма-излучения слабо зависит от атомного номера). Результирующий спектр получается в результате вычитания спектра, полученного детектором с меньшим Z, от спектра детектора с большим Z. Недостатком является отсутствие возможности подавления пика фотопотерь Ge детектора.
Известен [8] гамма-спектрометр на основе сегментированного детектора из особо чистого германия с подавлением фона, в котором детектор выполнен имеющим планарную часть и коаксиальную части, два раздельных предусилителя для обоих частей детектора и схему, обеспечивающую режим суммирования амплитуды одновременно пришедших импульсов и режим запрета счета одновременно пришедших импульсов. Недостатком является отсутствие возможности подавления пика фотопотерь Ge детектора.
Прототипом является комбинированный детектор гамма-излучения и электронные схемы включения [9]. Комбинированный детектор гамма-излучения представляет собой два детектора, позволяющих суммировать амплитуды или запрещать счет одновременно регистрируемых импульсов, возникающих вследствие многократного комптоновского рассеяния гамма-фотона.
Недостатками прототипа в рентгеновской области излучения является использование одного материала детектора (Ge), а также то, что их конструкция оптимизирована для режекции импульсов, регистрирующихся в «горбе потерь». Механизмов подавления пиков К фотопотерь Ge детектора не предусмотрено.
Задачей предлагаемого изобретения является уменьшение вероятности регистрации излучения в пике фотопотерь Ge, при сохранении высокой вероятности поглощения в пике полного поглощения, характерного для Ge детектора в области высоких энергий излучения.
Сущность изобретения заключается в том, что для регистрации излучения (фиг.1) используются Si (1) и Ge (2) детекторы рентгеновского излучения, установленные друг за другом, соединенные с предусилителями 3 и электронной схемой 4. Ближним к источнику ионизирующего излучения является тонкий (порядка 0,5 мм) Si детектор, который выполняет роль основного детектора падающего излучения при энергиях излучения до 10 кэВ и роль детектора фотонов К фотопотерь Ge детектора при более высоких энергиях первичного излучения. Электронная схема может обеспечивать следующие режимы работы:
- с режекцией совпадающих по времени импульсов (схема антисовпадений);
- с суммированием амплитуд совпадающих по времени импульсов.
Поскольку используются два раздельных предусилителя для каждого из детекторов, возможно обеспечение режима, когда фотон одной и той же энергии, регистрируемый в первом и регистрируемый во втором детекторе, будет иметь одинаковую амплитуду напряжения на выходе предусилителей, что позволит использовать детектор в спектрометрических целях.
дет
0
0
На фиг.2 показана структура функции отклика Si детектора K(E, E), которая представляет собой вероятность регистрации попавшего в детектор фотона с энергией Е как фотона с энергией Е. При этом непрерывной линией выделен пик полного поглощения, пунктирной линией - «горб потерь», штрихпунктирной линией - пик К-фотопотерь.
Структура функции отклика Ge детектора показана на фиг.3, при этом пик полного поглощения показан непрерывной линией, «горб потерь» - пунктирной линией, пик К-фотопотерь и L фотопотерь Ge - штрихпунктирной линией.
Структура функции отклика комбинированного Si-Ge детектора приведена на фиг.4, при этом пик полного поглощения показан непрерывной линией, «горб потерь» - пунктирной линией, пик К-фотопотерь Si и пики К фотопотерь Ge - штрихпунктирной линией.
эфф
кп
фп
На фиг.5 показаны зависимости вероятностей р полного поглощения энергии фотона в детекторе - непрерывной линией, регистрации фотона в «горбе потерь» р - пунктирной линией, регистрации фотона в пике К-фотопотеръ р - штрихпунктирной линией для Si детектора толщины 0,6 мм от энергии фотона.
Эти же зависимости вероятностей регистрации фотона в разных частях функции отклика детектора для Ge толщиной 5 мм показаны на фиг.6 (типы линий соответствуют применяемым на фиг.5).
эфф
кп
фп
Зависимости вероятностей регистрации фотона в разных частях функции отклика комбинированного полупроводникового детектора рентгеновского излучения с толщиной Si детектора 0,5 мм и толщиной Ge детектора 5 мм показаны фиг.7, при этом вероятность р полного поглощения энергии фотона в детекторе - непрерывной линией, регистрации фотона в «горбе потерь» р - пунктирной линией, регистрации фотона р в пике К-фотопотерь Si - штрихпунктирной линией, регистрации фотона в пиках К-фотопотерь Ge - точечной линией.
дет
0
0
Функции отклика детектора К(Е, Е) представляет собой распределение вероятности регистрации попавшего в детектор фотона с энергией Е как фотона с энергией Е.
дет
det
det
det
При регистрации рентгеновского излучения в веществе детектора происходят фотопоглощение, когерентное и некогерентное рассеяние. При этом фотон, попавший в детектор с энергией E, может быть полностью поглощен, преобразовавшись в поток электронов, которые в дальнейшем дадут импульс тока с зарядом Q=C·E, (С - коэффициент пропорциональности) и будут зарегистрированы аппаратурой как импульс напряжения, соответствующий E.
det_out
det
det
det_out
В то же время фотон может быть некогерентно рассеян веществом детектора и покинуть его с энергией E, либо ионизировать атом детектора с последующим выходом флуоресцентного фотона из детектора. Тогда оставшиеся в детекторе свободные электроны будут зарегистрированы как фотон с энергией E'=E-E. В результате указанных процессов при некогерентном рассеянии образуется «горб потерь», а при фотопоглощении - пик фотопотерь (см. фиг.2-4).
Одновременная регистрация импульсов двумя детекторами означает, что был зарегистрирован процесс типа «фотопоглощение с дальнейшей флуоресценцией в Ge детекторе» и «поглощение флуоресцентного Ge фотона в Si детекторе». Такие импульсы можно либо отбрасывать, либо суммировать их амплитуду и учитывать в результирующем спектре.
Для численной оценки результатов многократных взаимодействий излучения с веществом детектора был применен метод Монте-Карло, см., например [4], который также позволяет учесть геометрические особенности детектора.
При расчетах спектров использовались сечения фотопоглощения [10], когерентного и комптоновского рассеяния [11] [12]. Величины сбора флуоресценции взяты согласно [13].
0
0
SiKa
0
комп_эл_max
0
Для Si детектора (фиг.2) в случае полного поглощения энергии фотона в веществе детектора он будет зарегистрирован в пике полного поглощения с энергией Е, в случае фотопоглощения с последующим выходом флуоресцентного SiKa фотона из детектора - в "пике фотопотерь c энергией Е-E, в случае выхода возникшего в образце электрона высокой энергии из чувствительной области детектора - в «хвосте» с энергией от 0 до Е, в случае комптоновского рассеяния с выходом рассеянного фотона из детектора - в «горбе» потерь в области энергией от 0 до максимальной энергии электронов отдачи E(E).
комп эл max
0
«Горб потерь» имеет продолжение в области энергии выше E(Е), поскольку в расчетах учитывается возможность выхода фотона после многократного комптоновского рассеяния.
Функция отклика Ge детектора (фиг.3) несколько отличается от функции отклика Si(Li) детектора:
- в области энергий фотонов выше К края поглощения Ge очень большая вероятность выхода флуоресцентного фотона Ge из детектора, вследствие большего, чем у Si, выхода флуоресценции. Это обуславливает очень большую вероятность (порядка 20%) регистрации фотона в пике К фотопотерь. При увеличении энергии фотона вероятность регистрации в пике К фотопотерь монотонно убывает, однако, до энергий порядка 50-60 кэВ составляет не менее 1%. Следствием этого в спектрах сигнала будут «линии», отличающиеся от ярких линий исследуемого спектра на энергию Ка и Kb флуоресцентных квантов Ge.
Отличием функции отклика комбинированного полупроводникового детектора рентгеновского излучения от предыдущих функций отклика является наличие пиков К-фотопотерь как Si, так и Ge.
При этом интенсивность Ge пика фотопотерь в комбинированном детекторе существенно ниже, чем для чисто Ge детектора. Это связано с тем, что флуоресцентные фотоны Ge, выход которых через входную плоскость детектора сопровождается появлением пика фотопотерь, эффективно поглощаются чувствительным слоем Si детектора.
эфф
кп
фп
На фиг.5 показаны зависимости вероятностей р полного поглощения энергии фотона в детекторе - непрерывной линией, регистрации фотона в «горбе потерь» р - пунктирной линией, регистрации фотона в пике К-фотопотерь р - штрихпунктирной линией для Si детектора толщины 0,6 мм от энергии фотона.
Эти же зависимости вероятностей регистрации фотона в разных частях функции отклика детектора для Ge толщиной 5 мм и комбинированного детектора с толщиной Si детектора 0,5 мм и толщиной Ge детектора 5 мм показаны на фиг.6 и фиг.7 соответственно.
Для комбинированного полупроводникового детектора рентгеновского излучения видны следующие преимущества:
- вероятность регистрации в пике полного поглощения при высоких энергиях излучения, близкая к таковой для Ge детектора.
- отсутствие провала эффективности при переходе через край поглощения Ge, поскольку, во-первых, провал эффективности обусловлен регистрацией фотона Ge детектором в пике К фотопотерь, во-вторых, регистрация большей части излучения для данной области излучения происходит в Si детекторе;
- меньшая интенсивность регистрации в «горбе потерь», чем для Si детектора. Это объясняется тем, что при высоких энергиях излучения регистрация фотонов происходит в основном в Ge детекторе.
- несмотря на то, что интенсивность пика фотопотерь Si в комбинированном детекторе не сильно отличается от таковой для Si детектора, она все равно существенно ниже, чем интенсивность пика фотопотерь Ge для Ge детектора; интенсивность пиков К фотопотерь Ge для Si-Ge детектора на несколько порядков ниже, чем для Ge детектора.
Оценка толщины Si детектора, устанавливаемого перед Ge детектором, может быть выполнена следующим образом:
- во-первых, эффективность Si детектора на линиях К флуоресценции Ge должна быть близка к единице, что обуславливает толщину Si детектора не менее 0,2 мм;
- во-вторых, должен быть обеспечен спад эффективности Si детектора в области энергий более 20 кэВ, в которой становится значимым регистрация излучения в «горбе потерь» вследствие комптоновского рассеяния. Это требование обуславливает максимальную толщину Si детектора не более 1 мм.
В предлагаемом изобретении для регистрации излучения использованы Si и Ge детекторы рентгеновского излучения, расположенные непосредственно друг за другом. Ближним к источнику ионизирующего излучения является тонкий (порядка 0,5 мм) Si детектор, который выполняет роль основного детектора падающего излучения при энергиях излучения до 10 кэВ и роль детектора фотонов К фотопотерь Ge детектора при более высоких энергиях первичного излучения (фиг.1).
В комбинированном полупроводниковом детекторе регистрация фотона низкой энергии (до 8-20 кэВ в зависимости от толщины используемого Si детектора) осуществляется Si детектором, имеющим низкую вероятность регистрации фотона в пике фотопотерь. При большей энергии фотона (диапазон 8-40 кэВ в зависимости от толщины Si детектора) регистрация фотонов происходит как в Si, так и в Ge детекторе. При этом существует практически 100% вероятность того, что флуоресцентный фотон Ge детектора, выходящий через входную плоскость детектора (случай, когда для одиночного Ge детектора фотон будет зарегистрирован в пике фотопотерь), будет зарегистрирован Si детектором. Эти два события (регистрация Ge детектором фотона в пике фотопотерь и регистрация Si детектором флуоресцентного фотона Ge) будут зарегистрированы как практически одновременные события, что предполагает два варианта работы электронной схемы, аналогичной прототипам [8] [9]:
- с суммированием амплитуд импульсов, что должно позволить получить полную энергию попавшего в комбинированный полупроводниковый детектор рентгеновского излучения флуоресцентного фотона;
- с запрещением работы схемы регистрации (схема антисовпадений).
При энергиях излучения, больших 40 кэВ, большая часть рентгеновских фотонов будет регистрироваться в Ge детекторе, что обусловливает высокую вероятность регистрации в пике полного поглощения, характерную для Ge детектора в этой области.
Техническим результатом является уменьшение вероятности регистрации излучения в пике фотопотерь Ge, при сохранении высокой вероятности поглощения в пике полного поглощения, характерного для Ge детектора в области высоких энергий излучения.
Литература
1. Improvments in or relating to a radiation detector comprising a semiconductor device. Патент GB 1278444, 1972.
2. Ю.К.Акимов, О.В.Игнатьев, А.И.Калинин, В.Ф.Кушнирук. Полупроводниковые детекторы в экспериментальной физике. М., Энергоатомиздат, 1989, 344 с.
3. Портной А.Ю., Павлинский Г.В., Духанин А.Ю., Зузаан П., Эрдемчимег Б. // Журнал аналитической химии. 2004. Т.59. №11. С.1171.
4. Портной А.Ю., Павлинский Г.В., Духанин А.Ю., Зузаан П. // Журнал аналитической химии. 2009. Т.64 №5. С.511.
5. Semiconductor radiation detector. Патент JP 63145985, 1988.
6. Semiconductor radiation detector. Патент JP 63156368, 1988.
7. Pair of semiconductor radiation detectors having different atomic numbers and sensitive regions of different thickness. Патент UK 3291992, 1966.
8. Гамма спектрометр на основе сегментированного детектора из особо чистого германия с подавлением фона. В.В.Кондратьев, А.Д.Соколов, A.Benoist, A.Gatot-Garbe, P.Lubczynnsky. Приборы и техника эксперимента, №4, 2002, с.130-134.
9. Composite solid state radiation detector. UK patent 1233607, 1968.
10. Tinh T.P., Leroux J. New basic empirical equation for computing of X-ray mass attenuation coefficients // X-ray spectrometry. - 1979. - V.9, №2. - p.85-91.
11. Hubbell J.H., Veigele Wm.J., Braggs E.A., Brown R.T., Cromer D.T., Howerton R.J. Atomic Form Factors, Incoherent Scattering Functions, and Photon Scattering Cross Sections // J. Phys. Chem. Ref. Data. - 1975. - V.4, N3. - P.471-538.
12. Бахтиаров А.В. Рентгеноспектральный флуоресцентный анализ в геологии и геохимии. - Л.: Недра, 1985. - 144 с.
13. Bambynek W, Crasemann В., Fink R.W., Freund H.U., Mark H., Swift C.D., Price R.E., Venugopala P. X-ray fluorescence yields, Auger and Coster-Kronig transition probabilities // Reviews of modern physics. - 1972. - V.44, №4.