ДЕТЕКТОР СВЕРХКОРОТКИХ ИМПУЛЬСОВ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Полезная модель относится к твердотельным детекторам ионизирующих излучений. Твердотельные детекторы широко применяются в областях современной медицины, физике высоких энергий, системах безопасности и астрономии. Для детектирования быстро протекающих процессов необходимы устройства, обладающие высоким быстродействием.
Известны устройства детектирования с использованием газонаполненных или сцинтилляционных систем. Газонаполненные детекторы за счет малой плотности вещества не способны эффективно регистрировать рентгеновское излучение. Сцинтилляционный счетчик работает по принципу непрямой регистрации излучения, и коэффициент полезного действия таких устройств крайне мал.
Широкое распространение получили твердотельные детекторы на основе полупроводниковых материалов: кремния (Si), германия (Ge), арсенида галлия (GaAs). К основному недостатку Si детекторов относится низкая эффективность поглощения излучения при более высоких энергиях. Si детекторы (с толщиной 500 мкм) обеспечивают 90% эффективности поглощения до 12 кэВ, но их эффективность быстро падает с увеличением энергии излучения. Технология синтеза высокочистого германия (Ge) позволяет получать на его основе детекторные структуры. Серьезный недостаток Ge детекторов заключается в малой ширине запрещенной зоны (0,7 эВ), что приводит к невозможности эксплуатации в условиях комнатной температуры и требует охлаждения до температур жидкого азота. Наиболее перспективным материалом для создания детекторов сверхкоротких импульсов рентгеновского излучения является арсенид галлия. Высокое значение атомного номера позволяет эффективно регистрировать рентгеновское излучение с энергией до 90 кэВ, что намного лучше Si аналогов. Также известно, что высокое быстродействие устройств на основе GaAs обеспечивается за счет высокой подвижности электронов.
Известны детекторы с высокой стойкостью к дозовым радиационным нагрузкам на основе высокоомного арсенида галлия (J.C.Bourgoin, N. de Angelis, K.Smith, R.Bates, C.Whitehill, A.Meikle. // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 458 (2001) 344-347). В этих детекторах области преобразования энергии кванта (частицы) в неравновесные электронно-дырочные пары и последующего считывания носителей в виде тока пространственно совмещены, регистрируемые пороговые величины ионизирующих излучений, энергетическое разрешение и энергетические шумы определяются не только фоновыми ("темновыми") токами, но и тепловыми и генерационно-рекомбинационными шумами, чрезвычайно значительными при считывании токов, протекающих в компенсированных глубокими энергетическими центрами высокоомных материалах, так что считывание заряда во внешнюю цепь приводит к потере информационного сигнала.
7
9
Для работы детектора в условиях комнатной температуры, при которой уровень темнового тока не будет превышать регистрируемый сигнал, необходимо обеспечить высокое удельное сопротивление полупроводникового материала (10÷10 Ом⋅см). В настоящее время есть два пути, позволяющие получать полуизолирующие (HR - High Resistivity) GaAs структуры:
за счет контролируемого введения глубоких донорных уровней (EL2-центры);
путем компенсации акцепторными примесями.
Cr
d
f
d
f
В работах [1-4] разработан метод компенсации проводимости за счет введения в структуру глубоких акцепторов, в качестве которого выступает хром (Cr) с концентрацией: N>N>N, где N и N - концентрация мелких доноров и фоновых примесей, соответственно.
На основе компенсированного HR GaAs:Cr материала изготавливают детекторы, которые способны регистрировать короткие импульсы рентгеновского излучения, однако быстродействие таких детекторов определяется временем дрейфа электронов через чувствительную область, составляющую не менее 4-5 нс [5]. Детектор на основе HR GaAs:Cr структур [5] выбран в качестве наиболее близкого аналога (прототипа) заявленной полезной модели.
Недостатком прототипа является непригодность таких детекторных структур для регистрации быстропротекающих процессов (менее 4 нс), используемых на станциях синхротронного излучения, в условиях медицинской диагностики при исследовании биологических процессов и т.п.
Увеличить временное разрешение HR GaAs:Cr детекторов можно за счет уменьшения времени дрейфа электронов, например, за счет уменьшения толщины активной области детектора. Однако при этом происходит существенное увеличение емкости детектора, которое ограничивает рост быстродействия.
Технической задачей является разработка детектора на основе HR GaAs:Cr структуры, способного регистрировать сверхкороткие импульсы рентгеновского излучения (<4 нс) с энергией до 90 кэВ.
Поставленная задача решается тем, что в устройстве для регистрации сверхкоротких импульсов рентгеновского излучения, выполненном на основе высокорезистивного арсенида галлия, компенсированного хромом, чувствительный слой детектора выполнен из полупроводника, предварительно облученного электронами с энергией, формирующей однородное распределение радиационных дефектов по толщине чувствительного слоя при дозовых нагрузках не менее 100 кГр, позволяющей увеличить быстродействие детектора до уровня регистрируемых импульсов рентгеновского излучения за счет уменьшения времени жизни электронов.
В заявленной полезной модели технический результат достигается за счет нового способа формирования чувствительной области детектора. Использован альтернативный вариант увеличения быстродействия: снижение времени жизни электронов, а следовательно, увеличение быстродействия. Результат достигается тем, что путем воздействия ионизирующих излучений (протонов, нейтронов, электронов, гамма-частиц) в чувствительную область структуры HR GaAs:Cr вводят требуемые радиационные дефекты, которые служат центрами рекомбинации носителей заряда. Концентрация дефектов определяется поглощенной дозой. Изменяя дозовую нагрузку излучения, можно в широком диапазоне изменять концентрацию радиационных дефектов в структуре полупроводника и управлять временем жизни электронов.
Выбранная дозовая нагрузка 100 кГр обеспечивает время жизни электронов носителей заряда менее 4 нс. При этом необходимо выбрать такую энергию бета-частиц, которая позволяет генерировать радиационные дефекты однородно по всей толщине активной области HR GaAs:Cr детектора. Для разработанной конструкции заявленного детектора сверхкоротких импульсов рентгеновского излучения оптимальная энергия облучающих бета-частиц составляет 5.5 МэВ.
Техническое решение поясняется рисунками.
На фиг. 1 дано схематическое представление полупроводниковой детекторной структуры. Цифрами обозначены: 1 - облученный бета-частицами HR GaAs:Cr материал, 2 - адгезионный слой хрома, 3 - контактная площадка для ультразвуковой микросварки из алюминия, 4 - сплошной нижний контакт из алюминия, 5 - рентгенопрозрачные окна.
2
2
2
Детектор на основе облученного материала 1 представляет собой структуру металл/полупроводник/металл. Толщина активной области детектора не превышает 500 мкм. Для формирования контакта использованы следующие материалы: - слой хрома 2 толщиной 20 нм нанесен электронно-лучевым методом; - слои алюминия 3, 4 толщиной 1,5 мкм напылены магнетронным методом. Для уменьшения поглощения в слое алюминия верхний контакт 3 выполнен с окнами 5, через которые вводится излучение. Верхний контакт сформирован в виде сетки с использованием методов фотолитографии, площадь окон для ввода излучения составляла 70×70 мкм. Толщина металлических полос между ячейками 30 мкм. Общая площадь верхнего металлического контакта 0,12 мм. Нижний контакт 4 с площадью 0,16 мм выполнен методом сплошной металлизации.
На фиг. 2 показана схема облучения HR GaAs:Cr детектора. Цифрами обозначены: 6 -чувствительный элемент, 7 - контактные площадки, 8 - электроды, 9 - падающее излучение.
Изготовленная структура размещена в металлическом корпусе с целью экранирования внешних наводок. Сопряжение чувствительного элемента 6 с контактными площадками 7 произведено методом ультразвуковой микросварки. На корпус выведены два проволочных электрода 8 для подключения детектора к цепи измерительного тракта. Облучение детекторов производилось перпендикулярно поверхности верхнего контакта 3 (фиг. 1).
241
Проведено исследование эффективности сбора заряда облученных детекторов под действием гамма-квантов с энергией 60 кэВ в диапазоне напряжений смещения U=10÷150 В. Сигнал с облученного HR GaAs:Cr детектора поступал на измерительную часть экспериментальной установки, включающую зарядочувствительный предусилитель, усилитель-формирователь, осциллограф и аналого-цифровой преобразователь (АЦП). В качестве источника излучения использовался изотоп Am. На основе равнения Хехта [5] было рассчитано значение времени жизни электронов в облученном материале. Установлено, что доза облучения в 100 кГр позволяет уменьшить время жизни электронов приблизительно в 20 раз (таблица 1).
Исследование импульсных характеристик чувствительного элемента детектора выполнено на установке, показанной на фиг. 3. Сформированный в виде сетки контакт позволяет с помощью ИК-излучения имитировать поглощение рентгеновских квантов с низкой энергией. В качестве источника ИК-излучения использован импульсный полупроводниковый лазер с длиной волны 830 нм и длительностью импульсов не более 300 пс. На длине волны 830 нм обеспечено поглощение излучения на глубине 840 нм. Приповерхностное поглощение позволяет определять величину минимального временного разрешения для HR GaAs:Cr детектора с толщиной активной области 500 мкм. Установлено, что HR GaAs:Cr детекторы, облученные бета-частицами с дозой 100 кГр, имеют временное разрешение не более 700-800 пс на уровне полной ширины на полувысоте сигнала.
На фиг. 4 в качестве примера представлена импульсная характеристика заявленного детектора при напряженности электрического поля в активной области 4 кВ/см. График наглядно подтверждает решение поставленной задачи и достижение заявленного технического результата.
Источники информации:
1. Budnitsky D. [et al.], Chromium-compensated GaAs detector material and sensors // Journal of Instrumentation. - 2014. - V. 9 C07011.
2. Ayzenshtat G.I. [et al.], GaAs X-ray coordinate detectors // Nuclear Instruments and Methods. - 2001. - A466 162.
3. Tyazhev A. [et al.], Investigation of the current-voltage characteristics, the electric field distribution and the charge collection efficiency in X-ray sensors based on chromium compensated gallium arsenide // SPIE Conference Proceedings. - 2014. - 9213 9210G. Chsherbakov I. [et al.], GaAs:Cr X-ray sensors noise characteristics investigation by means of amplitude spectrum analysis // Journal of Instrumentation. - 2017. - V. 12 C02016.
4. Chsherbakov I. [et al.], Response of HR-GaAs:Cr sensors to subnanosecond X- and |3-ray pulses // Journal of Instrumentation. - 2019. - V. 14 C01026.
5. Толбанов О.П., Детекторы ионизирующих излучений на основе компенсированного арсенида галлия // Вестник Томского государственного университета. - 2005. - №285. - С. 155-160.