Полупроводниковый пиксельный детектор заряженных сильно ионизирующих частиц (многозарядных ионов)
SEMICONDUCTOR PIXEL DETECTOR OF CHARGED STRONGLY IONIZED PARTICLES (MULTICHARGED IONS)

Изобретение относится к измерению ядерных излучений, и в частности к измерению заряженных ионов с помощью полупроводниковых твердотельных детекторов ионизирующих частиц.
В современных полупроводниковых детекторах ионизирующих частиц [1] отклик на факт регистрации частицы происходит в виде электрического сигнала, в отличие от детекторов, формирующих визуальное изображение трека частицы (фотоэмульсии, камеры Вильсона и пузырьковые камеры).
Материал сенсора полупроводник (Si, GaAs, CdTe, CZT,…) должен удовлетворять следующим требованиям: иметь достаточно большое удельное сопротивление (r>10 kOм/см) и достаточно большое время жизни носителей, возникших в результате ионизации детектируемой частицей вещества сенсора. Выполнение этих требований позволяет создать в объеме сенсора путем нанесения металлизации на противоположные поверхности сенсора электродов и подключения к ним источника напряжения электрическое поле достаточной величины для направленного дрейфа свободных носителей, возникших в объеме сенсора, при прохождении через него частицы или гамма-кванта, к электродам и возникновения, в результате этого, импульса тока в цепи подачи напряжения на электроды детектора. Необходимо подчеркнуть, что требование создания в объеме любого сенсора электрического поля - есть одно из основополагающих требований к любому детектору, генерирующему электрический сигнал в качестве отклика на факт регистрации в нем частицы [1-10].
Известны координатные детекторы ионизирующих излучений, выполненные на кремнии. Известные детекторы на кремнии содержат рабочий объем сенсора из высокоомного материала (обычно n-типа проводимости с удельным сопротивлением 15 кОм/см) [1]. На одну поверхность рабочего объема сенсора нанесена сплошная металлизация на другую металлизация в виде параллельных полосок (стрипов) с заданным шагом или двумерной матрицы пикселей, каждый из которых соединен со входом микросхемы считывающей электроники. На описанные обкладки сенсора подается напряжение смещения.
9
Известны координатные детекторы ионизирующих излучений, выполненные на высокоомном арсениде галлия (GaAs:Cr). Детекторы на GaAs:Cr содержат рабочий объем сенсора из высокоомного GaAs:Cr [2] с удельным сопротивлением до 10 Ом/см. На одну поверхность рабочего объема сенсора нанесена сплошная металлизация, на другую - металлизация в виде параллельных полосок (стрипов) с заданным шагом или двумерной матрицы пикселей, каждый из которых соединен со входом микросхемы считывающей электроники. На описанные обкладки сенсора также подается напряжение смещения.
Недостатком таких детекторов является то, что для обеспечения работы всех этих детекторов требуется источник стабильного питания с напряжением в десятки (для кремния) и сотни (для GaAs:Cr) вольт, что существенно усложняет конструкцию детектора и повышает его вес.
Наиболее близкий аналог - патент пиксельного полупроводникового детектора элементарных частиц "Однослойный полупроводниковый детектор трехмерных изображений (3D)" [10].
Детектор состоит из монолитного слоя высокоомного полупроводникового материала (сенсора), в котором могут возникать заряды в результате взаимодействия частицы, которая будет зарегистрирована. Сенсор имеет сплошной внешний и пиксельный внутренний металлические электроды. К сенсору последовательно подсоединена регистрирующая матричная микросхема с коэффициентом усиления не менее 80 мВ/фКл. Микросхема пиксельной электроники считывания типа Timepix, регистрирует величину зарядов, образовавшихся и дрейфующих под действием приложенного электрического напряжения. Каждый пиксель микросхемы Timepix соединяется с соответствующим пикселем на внутренней поверхности сенсора с помощью метода перевернутого кристалла. На внешние и внутренние металлические электроды сенсора подается напряжение смещения.
Недостатком всех этих, а также и других известных твердотельных полупроводниковых детекторов сильно ионизирующих частиц (многозарядных ионов) является необходимость подключения источника напряжения смещения.
Технической задачей изобретения является устранение этого недостатка. Отсутствие необходимости в источнике напряжения позволит существенно упростить конструкцию детектора, уменьшить его вес, повысить надежность работы детектора и удобство его эксплуатации.
Решение технической задачи заключается в том, что в схему детектора добавлен резистор, который подключен к внешнему металлическому электроду сенсора и регистрирующей микросхеме.
-
В результате комбинированного эффекта большого энерговыделения (более 4 МэВ) в сенсоре из высокоомного полупроводника и высокой чувствительности современных пиксельных микросхем электроники (коэффициент усиления не менее 80 мВ/фКл при малом уровне шумов <75е) детектор регистрирует факт прохождения сильно ионизирующей частицы даже при полном отсутствии электрического напряжения смещения, подаваемого на электроды сенсора.
Существенный признак изобретения - включение в схему детектора резистора позволяет отказаться от источника напряжения, подаваемого на металлические электроды сенсора, решает все поставленные технические задачи и открывает новые возможности использования подобных детекторов в условиях ограниченного пространства, энергопотребления и необходимости длительной автономной работы.
Перечень фигур
Фиг. 1 Принципиальная схема пиксельного полупроводникового детектора элементарных частиц (прототип).
Фиг. 2 Принципиальная схема полупроводникового матричного детектора сильно ионизирующих заряженных частиц (многозарядных ионов).
Фиг. 3 и 4 Примеры реализации предлагаемого детектора.
Описание фигур:
На Фиг. 1 представлена принципиальная схема пиксельного полупроводникового детектора элементарных частиц в соответствии с прототипом [10], где:
1 - Монолитный слой высокоомного полупроводникового материала (сенсора);
2 - Сплошной внешний металлический электрод;
3 - Пиксельный внутренний металлический электрод;
4 - Регистрирующая пиксельная микросхема;
5 - Трек заряженной частицы;
6 - Источник напряжения смещения;
На Фиг. 2 представлена принципиальная схема полупроводникового матричного детектора сильно ионизирующих заряженных частиц (многозарядных ионов), где:
1 - Монолитный слой высокоомного полупроводникового материала (сенсора);
2 - Сплошной внешний металлический электрод;
3 - Пиксельный внутренний металлический электрод;
4 - Регистрирующая пиксельная микросхема;
5 - Трек заряженной частицы;
7- Резистор;
На Фиг. 3 представлен пример реализации предлагаемого детектора, а именно факт регистрации ионов криптона (84 Кr) после замены источника питания на сопротивление, где:
- По оси X - номер пикселя вдоль оси X,
- По оси Y - номер пикселя вдоль оси Y,
- Цветовая шкала справа (Е) - энергия, зарегистрированная в пикселе в относительных единицах.
Пример регистрации 16 ионов криптона (84Кr) с энергией 240 МэВ, прошедших за время экспозиции 50 мсек в пучке тяжелых ионов в Лаборатории Ядерных Реакций ОИЯИ через детектор с сенсором из кремния (толщиной 300 мкм) и чипа микроэлектроники Timepix после замены источника питания на сопротивление. Цвет пикселя соответствует энергии, зарегистрированной в данном пикселе (отн.единицы) в соответствии с приведенной цветовой шкалой.
На Фиг. 4 представлен более подробно пример регистрации одного иона криптона (84Кr) с энергией 240 МэВ в пучке тяжелых ионов в Лаборатории Ядерных Реакций ОИЯИ в детекторе с сенсором из кремния (толщиной 300 мкм) и чипа микроэлектроники Timepix после замены источника питания на сопротивление. Цвет пикселя соответствует энергии, зарегистрированной в данном пикселе (отн. единицы) в соответствии с приведенной цветовой шкалой.
- По оси X - номер пикселя вдоль оси X,
- По оси Y - номер пикселя вдоль оси Y,
- По оси Z - энергия (Е), зарегистрированная в пикселе в относительных единицах.
Изобретение может быть использовано в ядерной технике на ускорителях тяжелых ядер и, особенно, при создании установок для регистрации тяжелых ядер в космическом пространстве мало чувствительных к фону от релятивистских однозаряженных частиц (протонов и электронов) и гамма квантов. Для установок, входящих в состав космических аппаратов особенно важно отсутствие в таких детекторах источников постоянного напряжения, что позволит существенно снизить вес и энергопотребление такой аппаратуры.
Источники информации
1. J. Bouchami et al., Fast neutron detection efficiency of ATLAS-MPX detectors for the evaluation of average neutron energy in mixed radiation fields. NIM A 633 (2011)S226-S230.
2. Lukas Tlustos, Georgy Shelkov, Oleg P. Tolbanov. Characterisation of a GaAs(Cr) Medipix2 hybrid pixel detector. NIM A 633 (2011) S103-S107.
3. Прайс В. Регистрация ядерного излучения. «Издательство иностранной литературы», Москва, 1960.
4. Л.К.Л. Юан и Ц. By. Принципы и методы регистрации элементарных частиц. Изд. Иностр. Литературы, Москва 1963 г.
5. Д. Ритсон. Экспериментальные методы в физике высоких энергий. М.: Наука, 1964.
6. К. Кляйнкнехт. Детекторы корпускулярных излучений. М.: Мир 1994.
7. L.Rossi, P.Fischer, T.Rohe, N.Wermes. Pixel Detectors.
Springer ISSN 1611-1052 2006.
8. C. Teyssier, et al., Performance of the Medipix and Timepix devices for the recognition of electron-gamma radiation fields. Nucl.Instrum.Meth. A650 (2011) 92-97,
9. a) X. Llopart, R. Ballabriga, M. Campbell, L. Tlustos, W. Wong - Timepix, a 65k programmable pixel readout chip for arrival time, energy and/or photon counting measurements. NIM A 581 (2007) 485-494,
б) T. Poikela et al., Timepix3: a 65k channel hybrid pixel readout chip with simultaneous toa/tot and sparse readout, Journal of Instrumentation 9 (2014) C05013.
10. Патент США US9297912 "Однослойный полупроводниковый детектор трехмерных изображений (3D)" от 29.03.2016.