СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ ДЕТЕКТОР С ФОТОПРИЕМНИКОМ НА ОСНОВЕ GaAs

Полезная модель относится к области регистрации ионизирующих излучений и может быть использована для регистрации заряженных космических высокоэнергетических частиц, а также для регистрации заряженных частиц наземных источников.
В общем случае сцинтилляционный детектор состоит из сцинтиллятора, который выдает вспышку света под действием ионизирующего излучения, и фотоприемника для регистрации и преобразования этой вспышки в электрический сигнал для дальнейшей обработки. Большинство используемых в экспериментах сцинтилляторов имеют максимум свечения в видимой области спектра с длиной волны от 415 до 480 нм. Самыми распространенными фотоприемниками являются вакуумные фотоэлектронные умножители (ФЭУ). Достоинство их заключается в высокой чувствительности и в том, что максимум чувствительности совпадает с максимумом длины волны свечения сцинтиллятора. Однако ФЭУ имеет ряд существенных недостатков:
- необходимость высоковольтного питания;
- большие габариты;
- высокая стоимость;
- необходимость магнитного экранирования.
Полупроводниковые фотоприемники лишены данных недостатков.
2
6
Из существующего уровня техники известен детектор излучения, включающий в себя сцинтиллятор, вспышка света от которого принимается с помощью матрицы фотоэлектронных умножителей на основе кремния (SiPM) [Патент Российской Федерации №2524917, H01L 31/115, 2010]. В данном детекторе осуществлен переход от ФЭУ к полупроводниковому электронному умножителю на основе кремния, что позволило частично устранить недостатки ФЭУ. Недостатком данного детектора является то, что максимум спектральной чувствительности SiPM находится в инфракрасной области (800-1000 нм), что не согласуется с максимумом длины волны свечения сцинтиллятора. Так же серьезным недостатком SiPM является то, что каждый элемент матрицы работает в режиме 0/1, что ограничивает динамический диапазон измерений (<100 частиц). Динамический диапазон является важной характеристикой в исследованиях космических частиц с большим потоком (от 10 до 10 частиц).
Известно устройство считывания сцинтилляционного сигнала, содержащее светосборник в виде пластины из прозрачного материала, по крайней мере, одно светопереизлучающее волокно, два фотодиода и электронную плату с двумя усилителями-дискриминаторами [Патент Российской Федерации на полезную модель №77053, G01T 1/02, 2008]. Данное устройство предназначено для замены ФЭУ в сцинтилляционных детекторах. Недостатками данного устройства являются его габаритные размеры и сложность исполнения.
Известен сцинтилляционный детектор, включающий в себя сцинтиллятор, p-i-n фотодиод, кабельный канал и блок обработки сигналов [Патент Российской Федерации №2297015, G01T 1/20, 2006]. Недостатком прототипа является использование в качестве фотоприемника кремниевого p-i-n фотодиода, имеющего максимум спектральной чувствительности в инфракрасной области. Для улучшения работы прототипа применяется сместитель спектра, установленный между p-i-n фотодиодом и сцинтиллятором.
Известен детектор нейтронов, состоящий из сцинтиллятора на основе ZnS и двух ФЭУ, находящихся по обоим сторонам сцинтиллятора [Патент США №US2014021359 Al, G01T 3/06, 2014]. В данном детекторе используются ФЭУ, которые обладают перечисленными выше недостатками.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели является детектор нейтронов, состоящий из сцинтиллятора на основе гадолиния и по меньшей мере двух фотодиодов на основе широкозонного полупроводника InGaP [Патент США № US 2014264057 A1, G01T 3/06, 2014]. Недостатком данного детектора является то, что фотодиоды изготавливаются из InGaP. Получение качественных эпитаксиальных пленок, а, следовательно, и приборов на основе этих материалов является затруднительным. Это связано с тем, что фосфор - очень летучий компонент, и это усложняет получение пленок требуемого качества и точного стехиометрического состава. Кроме того, стоит отметить высокую стоимость подложек InP.
Данная полезная модель устраняет недостатки аналогов и прототипа.
Техническим результатом полезной модели является согласование максимума спектральной чувствительности полупроводникового фотоприемника с максимумом спектра излучения сцинтиллятора, расширение динамического диапазона работы, исключение высоковольтного питания и магнитного экранирования, повышение радиационной стойкости и срока службы фотоприемника.
x
1-x
Технический результат достигается за счет того, что фотоприемник изготовлен на основе широкозонных полупроводников. Путем изменения ширины запрещенной зоны AlGaAs слоя широкозонного окна эмиттера можно добиться оптимального соответствия спектра свечения сцинтиллятора и спектра чувствительности фотоприемника. Полупроводниковые фотоприемники обладают линейностью в широком диапазоне, что обеспечивает расширение динамического диапазона работы, не требуют высоковольтного питания и не чувствительны к магнитным полям. Использование GaAs позволяет повысить радиационную стойкость и увеличить срок службы фотоприемника.
Фотоприемник позволяет регистрировать видимое излучение электромагнитного спектра в диапазоне от 400 до 700 нм. Максимум спектральной чувствительности фотоприемника находится в диапазоне от 430 до 470 нм, что позволяет использовать его практически с любым сцинтиллятором. Максимальная токовая чувствительность фотоприемника достигает 0,35 А/Вт при рабочем напряжении от 0,2 до 0,9 В, а темновой ток при этом не превышает 100 пА.
Сущность полезной модели поясняется на фиг. 1 и фиг. 2.
На фиг. 1 представлен вид сверху сцинтилляционного детектора, состоящего из сцинтиллятора 1, в котором протравлены канавки для спектросмещающих волокон 2, по которым свет вспышки от сцинтиллятора передается на фотоприемник 3.
+
12
-3
+
+
x
1-x
На фиг. 2 изображен схематический разрез фотоприемника. Фотоприемник состоит из n подложки GaAs 4, сверху которой выращен i-слой GaAs 5 с остаточной концентрацией примеси порядка 10 см, сверху которого выращен слой p-GaAs базы 6, поверх которого выращен слой n AlGaAs широкозонного окна эмиттера 7. Протравленная мезаструктура пассивируется полиимидом 8. Омические контакты 9 нанесены к n подложке GaAs 4 и широкозонному окну эмиттера 7.
Фотоприемник изготавливается на основе интегрированной гетеробиполярной структуры GaAs, которая представляет собой p-i-n фотодиод и n-p-n фототранзистор. Причем фотоприемник может быть как дискретный, так и многоэлементный, если необходимо изучение пространственно-временных вариаций какого-либо физического явления. В данном случае центры концов спектросмещающих волокон подводятся к центру чувствительного элемента соответствующей ячейки фотоприемника.
+
19
-3
17
-3
x
1-x
x
1-x
Принцип работы сцинтилляционного детектора заключается в следующем. При прохождении ионизирующего излучения через сцинтиллятор возникает вспышка света, которая по спектросмещающему волокну приходит на слой n AlGaAs широкозонного окна эмиттера 7 с изменяющейся мольной долей алюминия x в пределах от 0,8 до 1, толщиной 100-120 нм с концентрацией носителей заряда 10 см. При данной толщине весь падающий свет проходит сквозь широкозонное окно эмиттера без поглощения. Коэффициент поглощения α для видимого света в AlGaAs (при значениях x от 0,8 до 1) на порядок меньше, чем в GaAs. Таким образом, свет проходит сквозь широкозонное окно эмиттера с минимальными потерями на поверхностную рекомбинацию. Далее свет через p-GaAs базу 6 толщиной 400-500 нм с концентрацией носителей 5·10 см проникает в сильно обедненный носителями заряда i-слой GaAs 5. Толщина i-слоя GaAs подбирается так, чтобы в ней поглощались все кванты света необходимой длины волны. Поглощенные кванты образуют электронно-дырочные пары, которые разделяются внутренним электрическим полем и дают вклад в фототок. Для обеспечения максимальной эффективности разделения светогенерированных носителей заряда и полного обеднения i-слоя GaAs на контакты 9 фотоприемника необходимо подать обратное смещение порядка 0,2-0,9 В.