АЛМАЗНЫЙ ДЕТЕКТОР ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

Полезная модель относится к алмазным детекторам для измерения линейной передачи энергии (ЛПЭ) тяжелых заряженных частиц космического излучения (ТЗЧ КИ). Основной областью применения алмазных детекторов для измерения ЛПЭ являются космическая отрасль.
Известен алмазный полупроводниковый детектор ионизирующего излучения (ИИ) [Патент США №5097133 на изобретение «Детектор излучения на синтетическом алмазе», МПК G01T 1/02; G01T 1/16; G01T 1/24; G01T 1/26; H01L 31/09, дата публикации: 17.03.1992]
Алмазный полупроводниковый детектор ионизирующего излучения (ИИ) представляет собой алмазную пластину толщиной 0,2 мм, на противоположные стороны которой нанесены контактные электроды, на которые подается напряжение смещения и с которых производится съем сигнала. При попадании ТЗЧ 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 электрический ток, регистрируемый электронной аппаратурой, подключенной к детектору. Количество электронно-дырочных пар и, соответственно, амплитуда выходного сигнала алмазного детектора Q пропорциональны энергии, переданной тяжелой заряженной частицей алмазной пластине (1) [В.И. Попов. Методы ЛПЭ - спектрометрии ионизирующих излучений. -М.: Атомиздат, 1978, -135 с.]:
где k - эффективность собирания заряда алмазного детектора;
-19
е=1,6·10 Кл - элементарный заряд;
0
0
Е - средняя энергия образования электронно-дырочной пары в алмазе по действием ионизирующего излучения, Е=13,2 эВ;
3
ρ - плотность алмаза, ρ=3515 кг/м;
d - путь, пройденный тяжелой заряженной частицей в активном алмазном слое;
L - линейная передача энергии частицы ИИ алмазу, зависящая от энергии частицы Е.
Из соотношения (1) следует, что при условии постоянства линейной передачи энергии при пролете ТЗЧ сквозь объем детектора выходной сигнал детектора будет пропорционален линейной передачи энергии частицы:
Таким образом, при выполнении условия постоянства линейной передачи энергии, при пролете ТЗЧ сквозь объем детектора, измерение линейной передачи энергии частицы можно проводить, измеряя амплитуду выходного сигнала детектора, используя выражение (2).
Следует отметить, что для большинства ТЗЧ условие постоянства линейной передачи энергии выполняется для толщины алмазного детектора не более 0,03 мм.
Таким образом, описанный алмазный детектор невозможно использовать для измерения линейной передачи энергии ТЗЧ космического излучения путем измерения амплитуды его выходного сигнала, т.к. он имеет толщину 0,2 мм.
Наиболее близким техническим решением к заявляемой полезной модели является тонкослойный алмазный детектор на основе алмазной пленки, полученной способом CVD осаждения на алмазную подложку, описание которого дано в [A. Balducci et al., Synthesis and characterization of a single-crystal chemical-vapor-deposition diamond particle detector // Applied Phys. Lett. - 2005. -№86. - P. 213507; А. Бальдуччи и др. Создание и исследование детектора частиц на основе монокристаллического алмаза, полученного методом химического осаждения из газовой фазы // Applied Phys. Lett. - 2005. - №86. - С. 213507 - прототип].
В известном тонкослойном алмазном детекторе (прототипе) регистрация тяжелых заряженных частиц производится в тонком слое алмазной пленки -активном алмазном слое. Используя CVD технологию, легко получить толщину активного слоя детектора 0,03 мм и менее, что позволяет проводить измерение линейной передачи энергии путем измерения амплитуды выходного сигнала детектора.
Прототип схематически изображен на фиг. 2. Прототип состоит из алмазной подложки 2.1, нижнего контактного электрода 2.2, активного алмазного слоя детектора 2.3, верхнего контактного электрода 2.4 и выводов 2.5 и 2.5а, соединенных с контактными электродами. На вывод 2.5 подается напряжение смещения, а вывод 2.5а подсоединяется к электронной аппаратуре регистрации и служит для снятия выходного сигнала алмазного детектора. На фиг. 2 показаны траектории ТЗЧ 2.6, проходящих через активный алмазный слой 2.3 под разными углами θ к оси симметрии алмазного детектора 2.7.
Недостатком прототипа является зависимость пути тяжелой заряженной частицы в активном алмазном слое от направления ее движения. Очевидно, что пути тяжелых заряженных частиц d в активном алмазном слое зависят от угла падения: d ~ 1/cosθ.
Вместе с тем, из формулы (2) видно, что значение линейной передачи энергии обратно пропорционально значению d. Таким образом, при использовании прототипа для регистрации линейной передачи энергии тяжелых заряженных частиц космического излучения, в котором потоки частиц изотропны, и, следовательно, ТЗЧ движутся в различных направлениях, будет возникать значительная погрешность измерения линейной передачи энергии, связанная с вариацией углов попадания тяжелых заряженных частиц в детектор.
Технической задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является увеличение точности измерений линейной передачи энергии тяжелых заряженных частиц космических излучений.
Поставленная задача решается тем, что в алмазном детекторе ионизирующих излучений, состоящем из алмазной подложки, активного алмазного слоя, двух контактных электродов, расположенных сверху и снизу активного алмазного слоя, и выводов для подачи напряжения смещения и съема выходного сигнала, согласно заявляемой полезной модели, активный алмазный слой выполнен сферическим, верхний и нижний контактные электроды выполнены в виде концентрических сферических сегментов, при этом толщина активного алмазного слоя не превышает 0,03 мм.
Техническим результатом является увеличение точности измерений линейной передачи энергии тяжелых заряженных частиц космических излучений за счет выполнения тонкого активного алмазного слоя сферическим, в котором обеспечивается равенство путей тяжелых заряженных частиц, движущихся в различных направлениях, и контактных электродов в форме концентрических сферических сегментов. При этом обеспечивается равенство путей тяжелых заряженных частиц космического излучения в активном алмазном слое и, следовательно, в 1,5-2 раза увеличивается точность измерения линейной передачи энергии тяжелых заряженных частиц, движущихся в различных направлениях.
Сущность полезной модели поясняется рисунком, где
на фиг. 1 показано схематическое изображение предлагаемого алмазного детектора:
1 - алмазная подложка;
2 - нижний контактный электрод;
3 - активный алмазный слой;
4 - верхний контактный электрод;
5 - выводы, соединенные с контактными электродами;
6 - траектории тяжелых заряженных частиц, проходящих через активный алмазный слой под разными углами θ к оси симметрии алмазного детектора;
7 - ось симметрии алмазного детектора;
на фиг. 2 показано схематическое изображение прототипа алмазного детектора
Алмазный детектор ионизирующих излучений (фиг. 1) состоит из алмазной подложки 1, активного алмазного слоя 3, двух контактных электродов 2 и 4, расположенных снизу и сверху активного алмазного слоя соответственно, и выводов 5 для подачи напряжения смещения и съема выходного сигнала. Активный алмазный слой 3 выполнен сферическим с толщиной, не превышающей 0,03 мм. Нижний контактный электрод 2 и верхний контактный электрод 4 выполнены в виде концентрических сферических сегментов. Это обеспечивает одинаковые условия сбора зарядов, образовавшихся в различных областях активного алмазного слоя и, следовательно, равенство амплитуд выходного сигнала детектора.
При попадании тяжелых заряженных частиц в активный алмазный слой детектора 3 в нем образуются свободные электроны и дырки, которые за счет электрического поля, создаваемого напряжением смещения, движутся к контактным электродам 2 и 4. В результате возникает электрический ток, регистрируемый электронной аппаратурой, подключенной к детектору через выводы 5. Количество электронно-дырочных пар и, соответственно, амплитуда выходного сигнала алмазного детектора Q определяются по формуле (1).
Малая толщина активного алмазного слоя 3 обеспечивает постоянство линейной передачи энергии ТЗЧ, что позволяет использовать формулу (2) для определения линейной передачи энергии частиц L по измеряемой амплитуде выходного сигнала Q.
Сферическая форма активного алмазного слоя 3 обеспечивает равенство путей 6, проходимых тяжелыми заряженными частицами, которые падают под различными углами, (пути выделены на фиг. 1) и, следовательно, отсутствие погрешностей при расчете линейной передачи энергии по формуле (2). Для сравнения, в активном алмазном слое плоской формы пути частиц, падающих под различными углами, различаются в 1,5-2 раза, что приводит к дополнительной погрешности определения линейной передачи энергии частиц по формуле (2), достигающей 50%.
Таким образом, предлагаемый алмазный детектор благодаря выполнению активного алмазного слоя в сферической форме и контактных электродов в форме концентрических сферических сегментов обеспечивает равенство амплитуд выходного сигнала при регистрации тяжелых заряженных частиц с равными линейными передачами энергии, независимо от угла падения частиц на алмазный детектор. Это позволяет увеличить точность измерения линейной передачи энергии ТЗЧ космического излучения в 1,5-2 раза по сравнению с алмазным детектором с плоским активным алмазным слоем (прототип).