БЛОК ДЕТЕКТИРОВАНИЯ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ НА ОСНОВЕ АЛМАЗНОГО ДЕТЕКТОРА

Полезная модель относится к полупроводниковым блокам детектирования ионизирующих излучений, в частности, к блокам детектирования заряженных частиц космического излучения, и может использоваться в приборах регистрации ионизирующего излучения, работающих в жестких условиях радиационного фона и повышенных температур.
Основными отраслями применения блока детектирования ионизирующих излучений на основе алмазного детектора являются космическая и ядерная.
В настоящее время алмаз является перспективным материалом для создания термостойких и радиационно-стойких блоков детектирования ионизирующих излучений, способных работать при температурах до 250°С, в условиях высокого радиационного фона. Такие возможности алмазных детекторов объясняются большим значением ширины запрещенной зоны (5.47 эВ) и большой энергией, необходимой для смещения атома углерода из узла кристаллической решетки алмаза (более 45 эВ).
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату к заявляемой полезной модели является устройство блока детектирования ядерных излучений, содержащее алмазный детектор с инжектирующим и коллекторным контактами. [Патент США №3668400, МПК Е05В 3/10; G01T 1/24; H01L 31/00; H01L 31/09; H01L 31/115, опубл. 06.06.1972 г. - прототип].
Устройство включает алмазный детектор, состоящий из алмазной пластины с нанесенными на ее грани инжектирующим и коллекторным контактами, источника напряжения, усилителя сигнала и регистрирующей аппаратуры. Алмазная пластина закреплена со стороны инжектирующего электрода на основание, которое через изолятор крепится к корпусу, при этом инжектирующий контакт алмазного детектора соединен с источником напряжения металлическим проводом через основание детектора, а вход усилителя соединен с коллекторным контактом алмазного детектора коротким металлическим проводником.
При попадании ионизирующей частицы в алмазную пластину в пластине образуются свободные заряды. Заряды под действием электрического поля, создаваемого источником напряжения, движутся к контактам, в результате чего возникает импульс электрического тока. Импульс электрического тока усиливается с помощью усилителя сигнала и фиксируется регистрирующей аппаратурой.
Количество электронно-дырочных пар и, соответственно, амплитуда выходного сигнала алмазного блока детектирования пропорциональна энергии, переданной ионизирующей частицей алмазной пластине.
Существенным недостатком прототипа является наличие краевых эффектов.
Так как космическое излучение изотропно, то ионизирующие частицы космического излучения попадают в алмазную пластину блока детектирования под разными углами. При этом часть ионизирующих частиц, попадая на края алмазной пластины, вылетает из нее через торцевые грани. В этом случае энергия, передаваемая алмазной пластине ионизирующей частицей, оказывается меньше, чем энергия, которая передается ионизирующей частицей, пролетающей через всю толщину алмазной пластины. Такое уменьшение энергии приводит к уменьшению амплитуды выходного сигнала усилителя и, соответственно, к возникновению дополнительных погрешностей определения энергии зарегистрированной частицы. Учитывая, что на практике число частиц пролетающих через торцевые грани алмазного детектора, достигает 20%, наличие краевых эффектов приводит к значительному искажению результатов измерения энергетических спектров космического излучения.
Технической задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является повышение точности измерения энергетических спектров ионизирующих частиц космического излучения.
Поставленная техническая задача решается тем, что в блоке детектирования ионизирующих излучений на основе алмазного детектора, состоящем из алмазной пластины с инжектирующим и коллекторным контактами, усилителя сигнала, вход которого соединен с коллекторным контактом, источника напряжения, который соединен с инжектирующим контактом, согласно заявляемой полезной модели, коллекторный контакт выполнен в виде двух секций: центральной и периферической, а в блок детектирования дополнительно установлены вспомогательный усилитель сигнала, сумматор и ключ, причем вход усилителя сигнала соединен с центральной секцией коллекторного контакта, его выход соединен с первым входом сумматора и с управляющим входом ключа, вход вспомогательного усилителя сигнала соединен с периферической секцией коллекторного контакта, а его выход подсоединен ко второму входу сумматора, при этом выход сумматора подсоединен к линейному входу ключа.
Техническим результатом представленной полезной модели является повышение точности измерения энергетических спектров ионизирующих частиц космического излучения за счет отсутствия краевых эффектов.
Сущность полезной модели поясняется рисунками, где
на фиг. 1 представлен блок детектирования ионизирующих излучений на основе алмазного детектора;
на фиг. 2 представлена конструкция коллекторного контакта алмазного детектора, выполненного из двух секций;
на фиг. 3 показано сечение алмазного детектора и три варианта треков ИИ1, ИИ2, ИИ3 ионизирующих частиц космического излучения в объеме алмазной пластины, на рисунке условно показаны заряды, образующиеся вдоль треков ионизирующих частиц.
Рисунки на фиг. 1-3 включают следующие позиции:
1 - алмазная пластина,
2 - центральная секция коллекторного контакта,
3 - периферическая секция коллекторного контакта,
4 - инжектирующий контакт,
5 - источник напряжения,
6 - усилитель сигнала,
7 - вспомогательный усилитель сигнала,
8 - сумматор,
9 - ключ.
На рисунках также условно показаны треки ионизирующих частиц космического излучения - ИИ.
Блок детектирования работает следующим образом.
Если ионизирующая частица пролетает через центральную область алмазной пластины - трек ИИ1 фиг. 3, - заряды, которые образуются вдоль трека частицы, полностью собираются электрическим полем на центральную секцию коллекторного контакта 1 и подаются на вход усилителя сигнала 6. На выходе усилителя сигнала 6 образуется импульс выходного напряжения, который поступает на первый вход сумматора 8 и управляющий вход ключа 9, открывая его. Импульс выходного напряжения усилителя сигнала 6 без изменения амплитуды проходит на выход сумматора 8, так как выходной сигнал вспомогательного усилителя сигнала 7, подаваемый на второй вход сумматора 8, равен нулю. Так как ключ 9 открыт, на выходе ключа 9 появляется сигнал с амплитудой, равной амплитуде импульса выходного напряжения усилителя сигнала 6, которая пропорциональна энергии, потерянной ионизирующей частицей в объеме алмазного детектора.
Когда ионизирующая частица пролетает через центральную и периферическую области алмазной пластины - трек ИИ2 фиг. 3, - заряды, образующиеся вдоль трека частицы, собираются как на центральную секцию 2, так и на периферическую секцию 3 коллекторного контакта. На выходе усилителя сигнала 6 и вспомогательного усилителя сигнала 7 появляются импульсы выходного напряжения, которые поступают на сумматор 8. На выходе сумматора 8 образуется сигнал, пропорциональный сумме зарядов, собранных на центральной 2 и периферической 3 секциях коллекторного контакта. Выходной импульс усилителя сигнала 6 открывает ключ 9, при этом на выход ключа 9 с выхода сумматора 6 проходит сигнал, пропорциональный полному заряду, образовавшемуся в алмазной пластине 1, и, следовательно, энергии, потерянной ионизирующей частицей в объеме алмазного детектора.
Если ионизирующая частица пролетает через периферическую область алмазной пластины 1 - трек ИИ3 фиг. 3, - заряды, образующиеся вдоль трека частицы, собираются только на периферическую секцию 3 коллекторного контакта. На выходе усилителя сигнала 6 выходной сигнал будет отсутствовать, ключ 9 не будет открыт, и на выходе ключа 9 блока детектирования сигнал будет отсутствовать.
Таким образом, частицы, треки которых проходят через торцевые грани алмазной пластины, не будут регистрироваться блоком детектирования. Следовательно, блок детектирования не будет иметь краевых эффектов, что позволит повысить точность измерения энергии ионизирующих частиц космического излучения.