Алмазный детектор ионизирующих излучений
DIAMOND IONIZING RADIATION DETECTOR

Устройство относится к алмазным детекторам для измерения характеристик (потока, мощности дозы, спектра) ионизирующих излучений и может использоваться в приборах регистрации ионизирующих излучений, работающих в жестких условиях радиационного фона и повышенных температур.
Основными отраслями применения блока детектирования ионизирующих излучений на основе алмазного детектора являются космическая и ядерная.
о
В настоящее время алмаз является перспективным материалом для создания термостойких и радиационно-стойких блоков детектирования ионизирующих излучений, способных работать при температурах до 200 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).
Известен алмазный полупроводниковый детектор ионизирующих излучений (ИИ) [Патент США № 5097133 на изобретение «Детектор излучения на синтетическом алмазе», МПК G01T1/02; G01T1/16; G01T1/24; G01T1/26; H01L31/09, дата публикации: 17.03.1992].
Известный алмазный полупроводниковый детектор ионизирующих излучений представляет собой алмазную пластину, на противоположные грани которой нанесены контактные электроды, на которые подается напряжение смещения и с которых производится съём сигнала.
Алмазный полупроводниковый детектор работает следующим образом: при попадании ионизирующей частицы в алмазную пластину детектора в пластине образуются свободные электроны и дырки, которые за счет электрического поля, создаваемого внутри алмаза напряжением смещения, движутся к контактным электродам. В результате возникает импульс электрического тока, регистрируемый электронной аппаратурой, подключенной к детектору.
Часть свободных электронов и дырок во время их движения через алмазную пластину захватывается ловушками. В результате образуется поляризационный заряд, который создаёт в алмазной пластине электрическое поле, направленное против поля смещения. Это, в процессе работы детектора,  приводит к заметному уменьшению эффективности сбора заряда алмазного детектора, что, в свою очередь, приводит к уменьшению амплитуды импульса электрического тока, возникающего при взаимодействии ионизирующей частицы с алмазной пластиной. Уменьшение амплитуды сигналов алмазного детектора приводит к увеличению погрешностей измерения характеристик ионизирующих излучениям.
Таким образом, для практического использования описанного алмазного детектора необходимо принимать меры для компенсации поляризационных эффектов.
Известен алмазный детектор ионизирующих излучений [Патент США № 7368723 B2 на изобретение «Алмазный детектор излучения», МПК G01T1/26, дата публикации: 06.09.2002], выполненный на монокристаллической алмазной пластине с низким содержанием примесного азота (прототип).
Низкое содержание примесей обуславливает низкую скорость накопления поляризационного заряда и, следовательно, медленное развитие поляризационных эффектов. Однако при регистрации ионизирующего излучения с высокой плотностью потока, либо с высокой линейной передачей энергии, либо при регистрации ионизирующего излучения, изменяющегося во времени, даже пониженная, за счет уменьшения содержания азота в кристалле, поляризация алмазной пластины заметно влияет на точностные характеристики детектора. Так, при регистрации тяжёлых заряженных частиц с использованием аналогичных алмазных детекторов на пластинах с содержанием примесного азота менее 5 ppm наблюдалась поляризация алмазных детекторов с уменьшением эффективности сбора заряда на несколько десятков процентов в течение одной минуты. Высокая скорость генерации носителей заряда при воздействии ионизирующих частиц с высокой линейной передачей энергии приводила к быстрому заполнению ловушек, росту поля поляризации и уменьшению эффективности сбора заряда. Таким образом, практическое использование известного алмазного детектора также требует принятия мер по противодействию эффектам поляризации.
Известен способ компенсации поляризационных эффектов, основанных на предварительном облучении алмазной пластины ионизирующим излучением (priming) [A. Fidanzio, G. Stimato, L. Azario, A. Piermattei. Investigation of natural diamond detector priming effect during electron beam irradiation // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. – 2006. – Vol. 245, Issue 2. – P. 421-426]. Предварительное облучение алмазной пластины обеспечивает эффективное заполнение ловушек. В дальнейшем приложенное поле смещения обеспечивает транспорт носителей заряда через алмазную пластину. Указанный способ имеет ряд недостатков. Во-первых, напряжённость поля смещения, которую необходимо приложить к контактным электродам алмазного детектора для получения заданного напряжения смещения, оказывается выше, чем при использовании детектора с неполяризованной алмазной пластиной. Таким образом, данный способ увеличивает энергопотребление детектора. Во-вторых, при долговременном воздействии ионизирующих излучений на алмазный детектор концентрация заполненных ловушек будет меняться за счёт конкурирующих процессов поляризации-деполяризации. При достижении равновесия между носителями заряда, образующимися под действием ионизирующих частиц, и заряженными и незаряженными ловушками поле поляризации стабилизируется, однако изменение плотности потока, энергии или вида воздействующего ионизирующего излучения приведёт к смещению равновесия и, следовательно, к изменению эффективности сбора заряда алмазного детектора. Таким образом, предварительное облучение не обеспечивает долговременную стабильность характеристик алмазного детектора.
Известен способ компенсации поляризационных эффектов, основанный на изменении полярности или снижении до нуля напряжения смещения, приложенного к контактным электродам алмазного детектора, находящегося под воздействием ионизирующего излучения [R.F. Ibragimov, E.M. Tyurin, V.V. Kadilin, V.A. Kolyubin, K.V. Zakharchenko, P.G. Nedosekin. Research of work stability of diamond detectors used in SCR DDIR // Journal of Physics: Conference Series. – 2016. – Vol. 675. – P. 042013]. Алмазный детектор может работать в двух режимах: в режиме измерения или в режиме деполяризации. В режиме измерения на алмазную пластину подаётся напряжение смещения, и происходит регистрация ионизирующих частиц, попавших в пластину. В режиме деполяризации напряжение смещения снижается до нуля, и счёт ионизирующих частиц не производится. При этом свободные электроны и дырки, генерируемые в алмазной пластине ионизирующими частицами, захватываются заряженными ловушками противоположного знака, что приводит к рекомбинации поляризационного заряда и уменьшению поля поляризации. Критерием компенсации поляризационных эффектов является восстановление эффективности сбора заряда алмазного детектора до уровня, соответствующего отсутствию поляризации. Согласно результатам экспериментов, длительность деполяризации, достаточная для восстановления эффективности сбора заряда алмазного детектора, составляет 20 – 25 % от длительности воздействия ионизирующего излучения при включённом напряжении смещения. Таким образом, указанный способ компенсации поляризационных эффектов обеспечивает долговременную стабильность характеристик алмазного детектора, однако при этом длительность регистрации ионизирующих излучений уменьшается на 20 – 25%. Это приводит к снижению точности измерения характеристик ионизирующих излучений.
Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение точности измерения характеристик ионизирующего излучения. Повышение точности измерения в заявляемом устройстве достигается за счет увеличения скорости компенсации эффектов поляризации в алмазном детекторе, что обеспечивает уменьшение «мёртвого времени» в работе детектора, которое тратится на деполяризацию алмазной пластины.  Соответственно,  увеличивается «живое время» работы детектора, в течение которого производится регистрация ионизирующего излучения. Увеличение «живого времени»  в цикле  измерения позволяет зарегистрировать большее количество частиц,  тем самым уменьшить статистическую погрешность измерения и, соответственно, повысить точность измерений характеристик ионизирующих излучений.
Поставленная задача решается тем, что в алмазном детекторе ионизирующих излучений, состоящем из алмазной пластины, двух контактных электродов, расположенных на гранях алмазной пластины, и выводов для подачи напряжения смещения и съёма выходного сигнала, согласно заявляемому изобретению, в непосредственной близости от алмазной пластины установлен источник света, оптически связанный с алмазной пластиной.
Техническим результатом является увеличение точности измерений характеристик ионизирующих излучений за счёт уменьшения времени деполяризации алмазной пластины в 5 – 10 раз. При этом обеспечивается увеличение «живого времени» алмазного детектора и, следовательно, увеличивается точность измерений характеристик ионизирующих излучений. Таким образом, на практике, удается увеличить точность измерений характеристик ионизирующих излучений на 10 – 20%.
Сущность изобретения поясняется рисунком (фиг. 1), где показано схематическое изображение предлагаемого алмазного детектора:
1 – алмазная пластина;
2 – нижний контактный электрод;
3 – верхний контактный электрод;
4, 4а – выводы для подачи напряжения смещения и съёма выходного сигнала;
5 – подложка;
6 – источник света, оптически связанный с алмазной пластиной и используемый для её деполяризации.
Алмазный детектор ионизирующих излучений (фиг. 1) состоит из алмазной пластины 1, двух контактных электродов 2 и 3, расположенных на гранях алмазной пластины, выводов 4 и 4а для подачи напряжения смещения и съёма выходного сигнала, подложки 5, на которой расположена алмазная пластина с контактами и выводами, и источника света 6, расположенного в непосредственной близости от алмазной пластины и оптически связанного с ней.
Алмазный детектор может работать в двух режимах: в режиме измерения и в режиме деполяризации. В режиме измерения на алмазный детектор подаётся напряжение смещения, при этом источник света отключён. Алмазный детектор регистрирует ионизирующие частицы, и в алмазной пластине накапливается поляризационный заряд. В режиме деполяризации напряжение смещения на алмазной пластине снижается до нуля, при этом включается источник света. Излучение источника света попадает в алмазную пластину. Поглощение света происходит с участием ловушек, уровни энергии которых расположены в запрещённой зоне алмаза. При поглощении света заряженные ловушки нейтрализуются с образованием электронов в зоне проводимости алмаза. Образовавшиеся электроны проводимости, дрейфуя в поле поляризации, рекомбинируют с положительно заряженными ловушками. Также излучение источника света поглощается электронами валентной зоны, при этом они переходят на уровни ловушек. Если электрон валентной зоны захватывается заряженной ловушкой, то ловушка нейтрализуется, а образовавшаяся дырка дрейфует в поле поляризации и рекомбинирует с отрицательно заряженной ловушкой. Если электрон валентной зоны захватывается нейтральной ловушкой, то ловушка заряжается отрицательно и образуется свободная дырка. Однако в этом случае благодаря отсутствию напряжения смещения не происходит разделение образовавшихся зарядов, и свободная дырка с высокой вероятностью рекомбинирует с образовавшейся заряженной ловушкой, нейтрализуя её.
В прототипе алмазного детектора отсутствует источник света. Согласно известным способам деполяризации, деполяризация алмазной пластины может проводиться при отключённом напряжении смещения за счёт воздействия регистрируемого ионизирующего излучения. Механизм деполяризации аналогичен описанному выше, с тем отличием, что при воздействии излучения источника света происходит возбуждение ловушек, тогда как при воздействии ионизирующего излучения в основном происходит биполярная генерация свободных носителей заряда. Образовавшиеся носители заряда дрейфуют в поле поляризации и рекомбинируют с заряженными ловушками.
Основным недостатком известных способов деполяризации является большая длительность процесса деполяризации. В настоящее время в блоках регистрации ионизирующих излучений на основе алмазных детекторов длительность деполяризации, необходимая для обеспечения работоспособности детекторов, составляет  не менее 20% от длительности измерений.
При деполяризации с использованием источника света есть возможность варьировать интенсивность света, тем самым управляя процессом деполяризации. Высокая интенсивность света обеспечивает высокую эффективность деполяризации по сравнению с деполяризацией ионизирующим излучением. Это позволяет значительно уменьшить длительность деполяризации за счёт использования источника света и, тем самым, увеличить длительность работы алмазного детектора в режиме измерения.
По результатам экспериментов даже в случае сильной поляризации (при уменьшении эффективности сбора зарядов алмазного детектора в два – три раза) алмазная пластина полностью деполяризуется под действием света в 5 – 10 раз быстрее, чем при воздействии регистрируемого ионизирующего излучения. Следовательно, использование источника света для деполяризации обеспечит увеличение длительности измерений алмазного детектора на 20 – 25%, что, в свою очередь, обеспечит увеличение точности измерений характеристик ионизирующих излучений на 10 – 20%.
Таким образом, предлагаемый алмазный детектор благодаря использованию излучения источника света для деполяризации алмазной пластины обеспечивает уменьшение длительности деполяризации и увеличение длительности измерений характеристик ионизирующих излучений. Это позволяет увеличить точность измерения характеристик ионизирующих излучений на 10 – 20% по сравнению с прототипом – алмазным детектором, в котором, согласно известным способам, деполяризация может проводиться путем снятия напряжения смещения за счёт воздействия регистрируемого ионизирующего излучения.