ДЕТЕКТОР ИЗЛУЧЕНИЯ

Полезная модель относится к устройствам контроля радиационной обстановки и предназначена для обнаружения, измерений и обработки результатов измерений. Детектор - чувствительный элемент, служащий для преобразования явлений, вызываемых радиоактивными (ионизирующими) излучениями в электрический или другой сигнал.
Известны, например, германиевые детекторы, обладающие, в основном, нужными качествами, охлаждают до температуры жидкого азота. Кремниевый детектор содержит, при нормальных условиях, нежелательно много собственных свободных электронов. Для повышения чувствительности, необходимо увеличивать объем полупроводника, чтобы повысить вероятность попадания и рассеяния в нем, например, гамма - кванта и, соответственно повысить скорость счета частиц радиационного потока. Но с ростом объема, пропорционально увеличивается и число собственных носителей, на фоне которых добавочные носители, вызванные действием кванта излучения, становятся малозаметными и выделение их оказывается непростой задачей, и требует привлечения криогенной техники, прецизионных усилительных устройств или непосредственного лавинного усиления сигнала в сильном электрическом поле, чтобы регистрировать события проникающей радиации.
1-x
x
1-x
x
Известен арсенидгаллиевый детектор ионизирующих излучений, содержащий подложку с контактом, граничащий с ней полуизолирующий арсенидгаллиевый слой и барьерный контакт, отличающийся тем, что введены изолирующий слой GaAlAs, имеющий общую границу с полуизолирующим арсенидгаллиевым слоем, нелегированный слой арсенида галлия, имеющий общую границу с изолирующим слоем GaAlAs, область р-типа проводимости, выполненная в нелегированном арсениде галлия и изолирующем GaAlAs слоях, вплоть до полуизолирующего арсенидгаллиевого слоя, и высокоомная область, окружающая барьерный контакт по периферии (RU N 2307426).
Известен способ изготовления детектора излучения включающий создание в приповерхностной области кремниевой пластины множества геометрически упорядоченных по поверхности пластины областей со слоем химического соединения металл-полупроводник, образующего с материалом подложки р-n переходы, путем вплавления в приповерхностный слой кремниевой пластины нанесенного на поверхность слоя платины высокой чистоты. Слой платины высокой чистоты наносится методом магнетронного распыления на предварительно очищенную в вакууме поверхность кремниевой пластины и последующее вплавление выполняется без промежуточного выноса подложки на воздух при температуре, при которой слой силицида платины образует монокристаллическую структуру (RU N 2006137980).
Важным достоинством поверхностно-барьерной технологии, принятой в данном аналоге, является отсутствие в ней высокотемпературных обработок пластины кремния, что исключает возможность загрязнения чувствительного объема детектора быстро диффундирующими примесями. Однако эта технология обладает рядом недостатков, существенно ограничивающих характеристики таких детекторов и возможность их применения. К недостаткам относятся: высокие темновые токи детектора; сложность и ненадежность контактирования по технологии "bump bonding" с чипом электроники в силу высокой чувствительности поверхностно-барьерного контакта к любым механическим воздействиям; низкая стабильность свойств межсегментного промежутка, в котором поверхность кремния не защищена от внешней среды. В результате межсегментное сопротивление уменьшается во времени, и его величина оказывается чувствительной, например, к изменению влажности; технологические ограничения для изготовления детекторов с малым размером (в десятки микрон) сегментов-пикселей в силу сложности фотолитографических процессов.
15
16
-2
Известен способ изготовления детектора короткопробежных частиц, включающий окисление пластины кремния, создание химическим травлением окон в окисном слое, соответствующих топологии р-n перехода и омического контакта, легирование ионной имплантацией в окна поверхностного слоя кремния на стороне р-n перехода примесью p-типа, а на омической стороне примесью n-типа дозой 10-10см при энергии ионов 500-2000 кэВ, отжиг имплантированных слоев при температуре 850-950°С в течение 1-2 ч, химическое травление кремния в окне на омической стороне на глубину среднего пробега имплантированных в кремний ионов и металлизацию контакта напылением в вакууме (RU N 2378738).
Известен детектор ионизирующего излучения с нанотрубками в качестве чувствительного элемента, который включен в электрическую цепь, содержащую электронный блок управления, отличающийся тем, что содержит корпус из материала, прозрачного к измеряемому ионизирующему излучению, матрицу чувствительных элементов, расположенных в корпусе в m рядов n столбцов, где m и n - целые числа, каждый из чувствительных элементов содержит по меньшей мере одну нанотрубку и два электрода, причем концы нанотрубок каждого чувствительного элемента соединены с соответствующими электродами так, что минимальное расстояние между осями нанотрубок равно сумме двух радиусов соседних нанотрубок, а минимальное расстояние между чувствительными элементами выбрано таким образом, чтобы отсутствовал электрический контакт между чувствительными элементами, пленки из изолирующего материала, размещенные попарно на противоположных сторонах рядов и столбцов чувствительных элементов и предназначенные для размещения контактных элементов и электрической разводки, по которым осуществляется электрическое соединение электродов чувствительных элементов с блоком электронного управления, при этом упомянутый блок электронного управления предназначен для подачи напряжения на электроды чувствительных элементов и детектирования импульсов тока, возникающих в чувствительных элементах при образовании свободных электронов и дырок в момент прохождения через чувствительные элементы ионизирующего излучения, для определения траектории ионизирующей частицы и для определения направления на источник излучения и энергии ионизирующей частицы путем компьютерной обработки импульсов тока, поступающих от чувствительных элементов (RU N 2311664).
Известна двухмерная (2D) система детекторов, пригодная для использования в многосрезных сканерах СТ «Solid State X-Radiation Detector Modules and Mosaics Thereof, and an Imaging Method and Apparatus for Employing Same» («Твердотельные модули детекторов рентгеновского излучения и мозаичная мишень из них и способ и устройство получения изображений для применения таковых»). Модули детекторов в такой системе включают в себя сцинтиллятор в оптической связи с матрицей фотодиодов. Слой металлизации, имеющий множество металлических площадок, расположенных на неосвещаемой стороне матрицы фотодиодов, обеспечил электрический контакт с различными фотодиодами. Площадки приведены в соответствие шагу и расстановке фотодиодов. Следовательно, площадки, в свою очередь, были присоединены пайкой к отдельной несущей подложке. Несущая подложка, в свою очередь, включила в себя множество проводящих слоев, скомпонованных в рисунок схемы и присоединенных к контактным площадкам на другой стороне подложки. Контактные площадки обеспечивают точки соединения для электроники считывания. В еще одном раскрытом варианте осуществления ASIC (специализированная интегральная схема), имеющая входные соединения, которые соответствуют шагу и расстановке фотодиодов, были присоединены непосредственно к площадкам. Некоторое количество модулей детекторов было собрано, с тем чтобы формировать мозаичную 2D-матрицу (US №6510195).
Несмотря на то, что такая система детекторов действительно эффективна, остается место для улучшения. Например, остается желательным дополнительно снижать себестоимость детектора, упрощать производственный процесс и улучшать гибкость и надежность детекторной конструкции.
Известен детектор излучения, содержащий сцинтиллятор, матрицу фотодетекторов, содержащую полупроводниковую подложку, включающую в себя множество фотодетекторных элементов в оптической связи с сцинтиллятором; металлизацию, сформированную на стороне полупроводниковой подложки, противоположной сцинтиллятору; электронику сигнальной обработки, несомую на стороне матрицы фотодетекторов, противоположной сцинтиллятору; при этом металлизация включает в себя первое множество контактов, электрически присоединенных к фотодетекторным элементам, и второе множество контактов в электрической связи с первым множеством контактов и электроникой сигнальной обработки (RU N 2408110, прототип).
Недостатками известных детекторов являются высокая себестоимость, сложность компоновки на малогабаритных объектах, низкие ударная прочность и вибрационная устойчивость, а также большие габариты и значительное потребление энергии, не приемлемые для мобильных карманных радиоустройств, таких, как мобильный телефон, смартфон.
Технической задачей полезной модели является создание эффективного детектора излучения, пригодного для использования в составе мобильных устройств, и расширение арсенала детекторов излучения.
Технический результат, обеспечивающий решение поставленной задачи состоит в снижении себестоимости, уменьшении габаритов и потребления энергии, обеспечение достаточной надежности за счет высокой ударной прочности и вибрационной устойчивости, а также компоновочных возможностей для создания детектора, пригодного для использования в составе мобильных устройств с обеспечением надежного выявления излучения. Все эти результаты неразрывно связаны между собой и обеспечиваются одной и той же совокупностью признаков.
Сущность полезной модели состоит в том, что детектор излучения, выполнен в виде сотовой структуры из параллельно включенных своими парными электродами чувствительных элементов из кристаллического кремния, нанесенных на общую подложку с высокими сопротивлением изоляции, электрической и механической прочностью и низкой диэлектрической проницаемостью, например, из керамики.
Предпочтительно чувствительные элементы выполнены в форме прямоугольных параллепипедов из кремния, а оба электрода выполнены напыленными на одной стороне (поверхности) каждого чувствительного элемента с возможностью подключения к средствам усиления микроэлектронной пайкой (золотыми волосками).
2
Предпочтительно чувствительные элементы выполнены из особочистого кремния в форме кубиков, которые окислены с пяти сторон с образованием изолирующей пленки окиси кремния (SiO), а на шестую сторону нанесены электроды.
Предпочтительно чувствительные элементы выполнены из пластины особочистого кремния по планарной технологии.
На чертеже фиг.1 изображена принципиальная схема чувствительного элемента заявляемого детектора, на фиг.2 - принципиальная схема включения группы чувствительных элементов детектора, на фиг.3-вид сверху по фиг.2.
2
На чертежах обозначены чувствительный(ые) элемент(ы) 1 - выделенный объем полупроводника (Si) с собственной проводимостью; напыленные электроды 2; изолятор 3 (SiO), подложка 4, плата 5 усилителя с транзисторами (не обозначены), компьютер 6. Компьютер 6 выполнялся с платой АЦП (Innovative); HDD 160 Гбайт; софтом для обработки.
Каждый чувствительный элемент 1 детектора представляет собой объем V чистого (нелегированного) кремния.
При этом детектор выполнен в виде сотовой структуры (многокамерная или ячеистая конструкция - cellular construction) из параллельно включенных своими парными электродами 2 чувствительных элементов 1 из кристаллического кремния.
Чувствительные элементы 1 выполнены в форме прямоугольных параллепипедов из кремния, а оба электрода 2 выполнены напыленными на одной стороне (поверхности) каждого чувствительного элемента 1 с возможностью подключения к средствам усиления на плате 5 микроэлектронной пайкой (золотыми волосками).
2
Из пластины особочистого кремния (Electronic Grade Silicon) вырезаются кубики (или параллелепипеды) со стороной 1 мм. С пяти сторон (граней) они окисляются (образуется изолирующая пленка /слой/ SiO) - изолятор 3, на шестую сторону (грань) напылением наносятся электроды 2, которые микроэлектронной пайкой (золотыми волосками) соединены с усилителем платы 5.
Чувствительные элементы 1 наклеены на общую подложку 4 с высокими сопротивлением изоляции и электрической и механической прочностью, низкой диэлектрической проницаемостью, например, из керамики (например, из поликора), ситалла.
2
Чувствительные элементы 1 могут быть также выполнены из пластины особочистого кремния (Electronic Grade Silicon) по достаточно распространенной планарной технологии, в данном случае, путем глубокого окисления кремния. При этом на отдельных участках материал делается пористым и туда проникает кислород для получения из кремния Si слоя изолятора 3 в виде окиси кремния SiO. Планарная технология обеспечивает возможность одновременного изготовления в едином технологическом процессе огромного числа дискретных полупроводниковых чувствительных элементов 1 на одной подложке, что позволяет существенно снизить их стоимость. Также в случае изготовления на одной пластине чувствительных элементов 1 параметры всех чувствительных элементов 1 оказываются близкими.
Детектор радиоактивного излучения выполнен с возможностью измерения альфа, бета, гамма и нейтронного излучения, а также солнечной радиации.
Техническое решение настоящей полезной модели основано на том, что предлагается электрически выделить каждый объем чувствительного элемента детектора излучения, содержащий количество тепловых электронов, соизмеримое с тем дополнительным количеством электронов, которые образуются в одном акте рассеяния кванта излучения. В этом случае удается относительно легко, без привлечения криогенной техники, прецизионных усилительных устройств или непосредственного лавинного усиления сигнала в сильном электрическом поле, регистрировать единичные события рассеяния квантов проникающей радиации в каждом чувствительном элементе. Создавая ударопрочный и виброустойчивый массив параллельно работающих элементарных чувствительных элементов (датчиков) из кремния, т.е. сотовую структуру детектора 8 в целом, можно достичь требуемой суммарной чувствительности для контроля излучения. При этом целесообразно расположить оба электрода каждого чувствительного элемента на одной поверхности (грани) чувствительного элемента. Для работы такого детектора не требуется высокое (сотни вольт) напряжение, требуемое, например, для работы газоразрядных детекторов.
Каждый чувствительный элемент 1 подключен на плате 5 ко входу отдельного транзистора (усилителя), характеризующегося своей входной емкостью.
2
-1
2
Таким образом, создан массив параллельно работающих чувствительных элементов 1, как элементарных датчиков, т.е. сотовую структуру, которым достигается требуемая суммарная чувствительность детектора в целом. Так, если на 1 см изготовить, например, 100 параллельно работающих чувствительных элементов 1, то средняя частота счета составит уже 0.2 с, не требуя высокого напряжения. Дополнительная стоимость в этом случае практически будет определяться только стоимостью дополнительной площади кремния (стоимость кремниевой пластины диаметром 300 мм составляет примерно $ 100, соответственно стоимость 1 смсоставляет примерно $ 0.15).
Детектор излучения работает следующим образом.
При включении в работу активизируется полупроводниковый чувствительный элемент 1 детектора, который работает подобно ионизационной камере с тем отличием, что ионизация происходит не в газовом промежутке, а в толще кристалла кремния. К полупроводниковому кристаллу прикладывается напряжение, что обеспечивает сбор всех зарядов, образованных частицей в объеме чувствительного элемента 1 детектора.
Заряженная частица, проникая в полупроводниковый материал (кремний) чувствительного элемента 1 детектора, создает электронно-дырочные пары, которые под действием электрического поля перемещаются к электродам 2.
0
0
0
10
-3
5
Каждый чувствительный элемент 1 детектора представляет собой объем V чистого (нелегированного) кремния с собственной концентрацией (свободных электронов) носителей n=1.5·10 см, чему соответствует собственное удельное объемное сопротивление ρ=2.3·10 Ом·см. В среднем, в этом выделенном объеме, будет находиться N=n·V 'электронов.
0
Средняя относительная величина флуктуаций количества электронов пропорциональна , соответственно среднеквадратичная амплитуда флуктуаций количества электронов δN в объеме V, будет равна;
3
7
4
0
0
Сделаем численные оценки. Пусть V=1 мм. Тогда N=1.5·10и δN=1.2·10.
Среднеквадратичная амплитуда тепловых флуктуаций напряжения δV на сопротивлении R в полосе частот Δν может быть оценена по формуле Найквиста:
где k - постоянная Больцмана, Т - температура.
2
6
Пусть объем полупроводника V имеет вид куба высотой h=1 мм и площадью основания S=1 мм. Тогда его электрическое сопротивление R=2.3·10 Ом, а емкость С=0.12 пФ. К полупроводнику приложено напряжение U=1 В.
e
e
h
h
e
4
-6
6
-4
-10
В этом случае напряженность электрического поля в объеме куба составит величину Е=U/h=10 В/см. Дрейфовая скорость основных носителей тока - электронов в поле Е составит величину V=µ·E=1.3·10 см/с. Соответственно время t пересечения электроном межэлектродного промежутка h составит величину t=h/v=8·10с. При этом все связанные с переносом носителей процессы должны укладываться в полосу частот Δν=1·10 Гц. Отсюда можно оценить среднеквадратичную амплитуду тепловых шумов δV=3.5·10 В. Соответствующие среднеквадратичные тепловые флуктуации тока составят величину δI=1.5·10 А.
eγ
Пусть налетающий γ-квант с энергией 0.5 МэВ выбил в объеме V комптоновский электрон, который создал N электронов проводимости.
eγ
k
eh
Количество выбитых γ-квантом электронов проводимости N можно оценить как отношение энергии комптоновского электрона E энергии образования электронно - дырочной пары Е.
eh
eγ
h
γ
eγ
h
4
-9
Учитывая, что для кремния E=3.8 зВ, следовательно, N=4.5·10 электронов проводимости. Эти избыточные электроны уйдут из объема полупроводника за время t, создав импульс тока амплитудой I=е·N/t,=0.9·10 А.
Измеряя величину заряда, образованного поглощенным квантом, можно определить его энергию.
вх
γ
eγ
вх
γ
γ
γ
вх
-14
Пусть, например, рассматриваемый полупроводник подключен ко входу транзистора с входной емкостью С=1.5 пФ. Заряд облака выбитых γ-квантом электронов составит Q=e·N=0.7·10К. Напряжение на входе транзистора, соответствующее выделившемуся на входной емкости С заряду Q, составит величину U=Q/ С=5 мВ.
-15
-14
3
Оценим характеристики излучения. Пусть мы имеем поток γ-квантов с мощностью экспозиционной дозы =100 мкР/час=7.2·10 Кл/г·с=1.7·10Кл/см·с.
m
eγ
eγ
3
5
3
5
В этих равенствах учтено, что удельная плотность кремния ρ=2.3 г/см, в системе СИ единицей измерения экспозиционной дозы является кулон, деленный на килограмм (Кл/кг). Внесистемная единица - рентген (Р), при этом 1 Кл/кг=3876 Р. Зная заряд электрона, можно определить объемную скорость ионизации в кремнии =1.1·10 1/см·с. Пусть энергия γ-квантов равна 1 МэВ. Тогда одному γ-кванту будет соответствовать N электронов, в данном случае N=1.2·10.
Скорости радиационной генерации электронов  соответствует скорость поглощения γ-квантов
γ
Плотность падающего потока γ-квантов j связана со скоростью их поглощения через величину их среднего пробега 1 или обратной величины этого параметра - µ,
γ
γ
2
3
При рассматриваемых значениях параметров получаем, что дозе 100 мкР/час соответствует поток излучения j=12 квантов/см·с. Далее можно оценить частоту отсчетов ν гамма квантов с энергией ~ 1 МэВ кремниевым чувствительным элементом объемом V=1 мм.
γ
-3
-1
Подставляя значения параметров, получаем, ν ≈ 2·10 с.
Частота отсчетов резко повышается за счет наличия сотовой структуры в виде группы чувствительных элементов 1.
Изначально слабый сигнал (создаваемый всего несколькими десятками тысяч электронов) отдельных чувствительных элементов 1 может усиливаться путем формирования лавин в сильном электрическом поле. Это решение наиболее просто, но такие экспоненциальные процессы не достаточно стабильны. По этому целесообразно полевое усиление в транзисторах на плате 5, обладающее большей стабильностью, линейностью, меньшим энергопотреблением и т.д.
Уже усиленные сигналы поступают на процессор компьютера 6.
Таким образом, в целом детектор пригоден для осуществления множества функций:
- определение уровня радиационного фона в окружающем пространстве.
- находит или выявляет предметы, представляющие радиационную опасность.
- определяет пригодность для употребления в пищу различных продуктов.
Энергопотребление собственно чувствительного элемента 1 при его сопротивлении порядка 1 Мом и приложенном напряжении порядка 1 В пренебрежимо мало, энергопотребление детектора и всей электронной схемы в ждущем режиме так же незначительно.
Линейность характеристики детектора и пропорциональность количества выбитых электронов энергии, например, γ-кванта, могут позволить определять энергетические характеристики излучения и по ним устанавливать источник проникающей радиации.
Малое энергопотребление позволяет использовать данный детектор как отдельный прибор, так в составе, например, сотового телефона в постоянно включенном состоянии (в режиме мониторинга). При этом кремниевый (на основе кремниевых чувствительных элементов 1) детектор не требует охлаждения.
По характеру использования подобных устройств, время его нахождения в каких-то помещениях может быть достаточно продолжительным (несколько часов). За это время может накопиться статистика срабатываний даже для весьма малых уровней мощности дозы.
При этом измерения реализуются без привлечения криогенной техники, прецизионных усилительных устройств или непосредственного лавинного усиления сигнала в сильном электрическом поле, с возможностью контроля радиационной чистоты и формирования соответствующей информации в доступном виде, пригодном для оперативного использования, при минимальной себестоимости детектора. Одновременно обеспечено сохранение малых геометрических размеров детектора, работающего при низких напряжениях, который позволяет освоенными стандартными средствами визуализировать полученные треки ионизирующего излучения, а также измерять плотности потока ионизирующего излучения и спектр энергий ионизирующих частиц.
Таким образом, создан эффективный, надежный и не дорогой детектор и расширен арсенал детекторов излучения.