АВТОНОМНЫЙ ПРИЕМНИК РЕНТГЕНОВСКОГО И УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
SELF-CONTAINED X-RAY AND ULTRAVIOLET RADIATION RECEIVER

Изобретение относится к интегрально-чувствительным приемникам оптического излучения и может использоваться для регистрации рентгеновского и ультрафиолетового излучения.
Известен автономный приемник рентгеновского и ультрафиолетового излучения, содержащий чувствительный элемент в виде пленок с аномальным фотонапряжением (АФН-пленок), металлические контакты создаются сплавом олова с примесью 1% сурьмы или 1% галлия и в качестве чувствительного элемента были использованы АФН-пленки из соединений CdSe или CdTe:Ag размером 4×2 мм [Рахимов Н.Р., Касымахунова A.M., Усманов Ш.Ю. Способ получения фотогенераторов / Патент РУз IAP 02610 от 25.02.2003 г.].
Недостатком этого автономного приемника рентгеновского и ультрафиолетового излучения является низкая чувствительность и недостаточно широкий диапазон частот регистрируемого излучения, особенно для регистрации рентгеновского и ультрафиолетового излучения в оптоэлектронных и робототехнических устройствах для приема различных световых потоков.
Известен автономный приемник рентгеновского и ультрафиолетового излучения на основе пленок с аномальным фотонапряжением (АФН-пленок), принятый за прототип, состоящий из металлического корпуса, стеклянной крышки, металлические контакты и фоточувствительной слой из АФН-пленки, нанесенной на прозрачную диэлектрическую подложку [Рахимов Н.Р., Серьезнов А.Н. АФН-пленки и их применение / монография. - Новосибирск: СибНИА, 2005].
Недостатком этого автономного приемника рентгеновского и ультрафиолетового излучения является низкая чувствительность из-за прохождения потока излучения через светочувствительный слой не более одного раза.
Заявляемое изобретение направлено на повышение чувствительности.
Указанный результат достигается тем, что между прозрачной диэлектрической подложкой и металлическим корпусом помещено отражающее покрытие, автономный приемник рентгеновского и ультрафиолетового излучения снабжен полусферической зеркальной крышкой, имеющей окно, прозрачное для рентгеновского и ультрафиолетового излучения.
На фиг.1 приведено изображение автономного приемника оптического излучения: 1 - фоточувствительный слой из АФН-пленки; 2 - прозрачная диэлектрическая подложка, 3 - металлические контакты; 4 - отражающее покрытие; 5 - полусферическая зеркальная крышка; 6 - металлический корпус; 7 - окно, прозрачное для рентгеновского и ультрафиолетового излучения. Отражающие покрытие (4) и полусферическая зеркальная крышка (5) выполнены из материалов осмий-кремний и осмий-скандий-кремний. Фоточувствительный слой выполнен как сцинтилляционный слой на основе АФН-пленок из ZnSe и CdTe.
На фиг.2 приведено изображение схемы сцинтилляционного фоточувствительного слоя на основе Te-ZnSe. На этом рисунке: 9 - слой из цинк-селена (ZnSe), 10 - слой из теллурида кадмия (CdTe), 11 - токопроводящие контакты.
о
Принцип действия автономного приемника рентгеновского и ультрафиолетового (фиг.1) заключается в следующем. Через окошко (7) поступает направленное излучение Ф от источника рентгеновского или ультрафиолетовая излучения. Попадая на фоточувствительный слой (1), это излучение частично преобразуется в фототек, а частично проходит этот слой насквозь, затем отражается от отражающего покрытия (4). Отраженная часть также проходит через фоточувствительный слой и частично преобразуется в фототок, а оставшаяся часть попадает на полусферическую зеркальную крышку (5). Это остаточное излучение, отражаясь от этой крышки, вновь попадает на фоточувствительный слой и преобразуется в фототок. За счет многократного переотражения эффективность преобразования рентгеновского или ультрафиолетового излучения в фототок существенно возрастает.
Таким образом, чувствительность автономного приемника рентгеновского и ультрафиолетового излучения возрастает.
Принцип действия фоточувствительного слоя заключается в следующем. Рентгеновское или ультрафиолетовое излучение проходит оба слоя, (10 и 9) сцинтиллятора (фиг.2), ионизирует атомы и молекулы и возбуждает их. Возбужденные атомы и молекулы, возвращаясь в исходное состояние, испускают свет, который попадает на слой из теллурида кадмия (10), представляющий собой АФН-пленку (CdTe). В этом слое (10) за счет накопления зарядов порождается фототок. При освещении чувствительного слоя потоками ультрафиолетового или рентгеновского луча порождается люминесценция в слое из цинк-селена (ZnSe) (9).
Ультрафиолетовый или рентгеновский луч, проходя через сцинтиллятор, переводит электроны из валентной зоны в зону проводимости или с глубоких уровней в зону проводимости. Возвращаясь в исходное состояние вследствие того, что происходит излучательная рекомбинация, эти атомы испускают фотоны света, которые попадают на АФН-пленку слоя (10) CdTe, при этом возникает фотосигнал, который снимают с контактов (11) и, например, регистрируют электрометром.
АФН-пленка CdTe детектирует люминесценцию цинк-селена с малыми потерями на отражение от границы ZnSe-CdTe.
Коэффициент отражения рассчитывают по формуле
<mrow><mi>R</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>n</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>n</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>n</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>n</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>3,4</mn><mo>−</mo><mn>2,6</mn></mrow><mn>7</mn></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>0,8</mn></mrow><mn>7</mn></mfrac><mo>≈</mo><mn>0,1</mn></mrow>
,
1
2
где R- коэффициент отражения от границы раздела между ZnSe и CdTe; n -показатель преломления ZnSe; n - показатель преломления CdTe.
0
Коэффициент отражения известных сцинтилляционных фотодетекторов учитывает отражение на границе ZnSe и воздуха (n=1), тогда R=0,5. В обсуждаемом случае потеря фотосигналов на отражение незначительна по сравнению с известными приемниками. Оценим изменение эффективности приемника с АФН-пленкой:
R
0
L=R·L,
R
0
L'=(R-ΔR)L,
0
где R - коэффициент отражения, L - интенсивность падающего света,
<mrow><mi>T</mi><mo>'</mo><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>L</mi><mn>0</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>L</mi><mi>R</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>L</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>−</mo><mi>R</mi></mrow>
,
где Т - коэффициент пропускания. Тогда
<mrow><mi>T</mi><mo>'</mo><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>L</mi><mn>0</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>R</mi><mo>−</mo><mi>Δ</mi><mi>R</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><msub><mi>L</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>L</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>−</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>R</mi><mo>−</mo><mi>Δ</mi><mi>R</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
,
<mrow><mi>x</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>T</mi><mo>'</mo></mrow><mi>T</mi></mfrac><mo>⋅</mo><mn>100</mn><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>R</mi><mo>−</mo><mi>Δ</mi><mi>R</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mi>R</mi></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mn>100</mn><mi>%</mi><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><mi>R</mi></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mi>R</mi></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><mn>100</mn><mi>%</mi></mrow>
<mrow><mi>Δ</mi><mi>x</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><mi>T</mi></mrow><mi>T</mi></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><mi>R</mi></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mi>R</mi></mrow></mfrac></mrow>
Отсюда
;
<mrow><mi>Δ</mi><mi>x</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>0,4</mn></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mn>0,5</mn></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>0,8</mn></mrow>
;
т.е. эффективность на 80% увеличивается.
Для определения значения фотосигнала фоточувствительный слой на основе АФН-пленки теллурида кадмия освещают ультрафиолетовым светом со стороны сцинтиллятора ZnSe и спектрометром СФ-26 измеряют фото-ЭДС, она была равна 200 мВ (без АФН-слоя - 120 мВ). Затем сцинтиллятор возбуждают мягким рентгеновскими лучами (УРС-60 с трубкой 0,4 ВСВ-4С, напряжение на трубке равно 20 кВ), при этом оказалось, что амплитуда сигнала равна 500 мВ (без АФН-слоя - 280 мВ). Фотосигнал между контактами измеряют электрометром.
Рентгеновское зеркало покрывает изнутри полусферическую зеркальную крышку (5). Также из рентгеновского зеркала изготавливается отражающее покрытие (4). Это рентгеновское зеркало имеет многослойную структуру (до нескольких сотен слоев), их производство требует особых условий. Материалы для создания отражающих покрытий должны иметь сверхвысокую чистоту и осаждаются на основу зеркала напылением в вакууме. Диапазон длин волн, в котором будет работать зеркало, и дополнительные условия и требования определяют выбор материалов. Например, это может быть осмий-кадмий и осмий-скандий-кремний. Коэффициент отражения таких материалов крайне высок.
-4
-5
Для получения АФН-пленок и отражающих поверхностей используется вакуумная установка ВУП-2к. В рабочей камере достигается вакуум порядка 10-10 мм рт.ст., температура подложки 410-480°С. В качестве подложек используются стеклянные пластины размером 4×20 мм, толщиной 2-5 мм. Перед началом процесса вакуумного испарения стеклянные подложки промываются 2-3 раза в кипящей дистиллированной воде в течение 20-25 минут и просушиваются в сушильном шкафу при температуре 150°С в течение 30 минут, затем обжигаются при 250-300°С в вакууме в течение 10 минут.
-4
-5
Первоначально для получения отражающего слоя проводится нанесение на противоположные стороны подложки отражающего слоя из материалов осмий-кремний и осмий-скандий-кремний. Процесс напыления проводится при вакууме 10-10 мм рт.ст., температура подложки 450°С.
При этом эффективная толщина пленок составляет ~1 мкм.
-4
-5
В последнем этапе изготавливается отражающая полусферическая крышка (интегрирующая полость) по той же технологии, что и отражающая подложка. Процесс напыления проводится при вакууме 10-10 мм рт.ст., температуре крышки 450°С.
Толщина отражающего покрытия также составляет ~1 мкм.
На основе полученных элементов можно разработать автономный приемник оптического излучения.
По мере развития рентгеновской оптики спектр применяемых материалов значительно шире, чем указанный выше, так, например, в длинноволновой части спектра мягкого рентгеновского излучения весьма эффективны композиции осмий-кремний и осмий-скандий-кремний, а в более жесткой части рентгеновского спектра весьма эффективен гафний и его композиции с другими элементами.
16
19
Рентгеновское излучение и оптическое имеют родственную природу. Оба типа излучения являются электромагнитным излучением. Рентгеновские лучи испускаются при участии находящихся в атомах, либо свободных электронов. Фотоны рентгеновского излучения имеют энергию от 100 эВ до 250 КэВ, что соответствует излучению с частотой от 3×10 Гц до 6×10 Гц (то есть с длиной волны 0,005-10 нм). Мягкое рентгеновское излучение характеризуется наименьшей энергией фотона и частотой излучения (и наибольшей длиной волны), а жесткое рентгеновское излучение обладает наибольшей энергией фотона и частотой излучения (и наименьшей длиной волны). Жесткое рентгеновское излучение используется преимущественно в промышленных целях.
Таким образом, предлагаемый приемник может обеспечивать прием как рентгеновского, так и ультрафиолетового излучения.
Поэтому остаточное рентгеновское или ультрафиолетовое излучение, которое не преобразовалось по пути через фоточувствительный слой (1) в фототок, будет отражено сначала от отражающего покрытия (4), затем от полусферической зеркальной крышки (5), после чего вновь попадет на фоточувствительный слой (1). Это увеличивает часть света, которая преобразуется в фототок. Пропорционально увеличится и сам фототок, то есть при той же самой величине рентгеновского или ультрафиолетового излучения, попавшего в окно (7) фотоприемника, фототок, порождаемый этим излучением, увеличится. Следовательно, увеличится чувствительность приемника, поскольку она определяется как отношение фототока к световому потоку, который этот фототек вызвал.
В результате поставленная задача решена.
Фоточувствительный слой (1) может быть сделан, как в прототипе, в виде АФН-пленок из кристаллического теллурида кадмия [Рахимов Н.Р., Ушаков O.K. Оптоэлектронные датчики на основе АФН-эффекта / монография. - Новосибирск: СГГА, 2010 г.]. Отражающее покрытие (4) и полусферическая зеркальная крышка (5) выполнены из материалов осмий-кремний и осмий-скандий-кремний. Остальные элементы могут быть выполнены по традиционным технологиям, как в прототипе. Прозрачная диэлектрическая подложка (2) может быть выполнена, например, из стеклянной пластинки. Металлический корпус (6) может быть выполнен как в прототипе, или, например, в форме неглубокого стакана, снабженного кронштейном для закрепления.