Иванов В.И (1)

عوмкА

утечки

١٢ 0,6

0,4

/

1 1~— Набебенныйток

Рис. 34. Дозовая чувствительность дозиметра на основе кремния р-типа с диффу­ зионным переходом

Рис. 35. Вольт-амперная характеристика полупроводникового дозиметра в поле фотонного излучения

сунка видно, что при низком уровне дискриминации чувствитель-

ность имеет по крайней мере один и тот же порядок величины

для различного состава излучения.

На рис. 33 показана энергетическая зависимость чувствительности для того же детектора при различных уровнях дискрими­ нации. Как видно из рисунка, уровень дискриминации очень сильно влияет на чувствительность, однако при уменьшении уров­ ня дискриминации она становится более постоянной и при уров­ не, эквивалентном энергии 115 кэВ, изменяется не более чем на ±30 % среднего значения.

Счетчиковый метод достаточно чувствителен и прост. Однако энергетическая зависимость чувствительности остается недоста­ точно удовлетворительной.

На рис. 34 показана энергетическая зависимость чувствитель­

ном смещении 50 В. С учетом фоновых флюктуаций можно было регистрировать фотоны от энергии 20 кэВ; при определенном уровне дискриминации скорость счета пропорциональна мощно­ сти дозы. При площади дозиметра 3 см2 мощность дозы 10 мкГр/ч вызывала скорость счета несколько импульсов в се­

кунду.

При высокой мощности дозы счетно-импульсный метод ста­

блюдается ток утечки, зависящий от напряжения смещения и

температуры. Под действием ионизирующего излучения концен­ трация неосновных носителей возрастает и ток, протекающий через переход, увеличивается. Дополнительные носители могут

возникнуть как в обедненной зоне, так и в соседних областях в пределах диффузионной длины. Все они в конечном счете вносят

122

свой вклад в ток в зависимости от постоянной времени системы. На рис. 35 показана вольт-амперная характеристика, снятая в поле фотонного излучения 60Со при мощности экспозиционной

дозы 50 Р/мин. Детектором служил поверхностно-барьерный кремниевый полупроводник с площадью сечения 0,4 см2 и общей толщиной 0,5 мм. Пунктирной линией показано поведение тока утечки при температуре 20 ٥С.

Из графика следует, что ток, вызванный излучением, практи­ чески не зависит от напряжения смещения, за исключением са­ мого начального участка. Это объясняется тем, что время жизни неосновных носителей было достаточно велико, так что диффу­

зионная длина превышала размеры кристалла. В результате на электроды собрались все носители из полного объема детектора. Этот своеобразный ток насыщения нельзя, однако, использовать для измерения низкой мощности дозы, так как соответствующий ток утечки превосходит его в несколько раз. Нижний предел, по-видимому, лежит в области 10—102 Гр/мин.

При низких значениях напряжения смещения ток утечки рез­ ко уменьшается, в то время как ионизационный ток изменяется мало. В этих условиях наиболее выгодно проводить измерения при нулевом напряжении внешнего смещения.

Помимо тока, протекающего через детектор, можно измерять падение напряжения на внешнем нагрузочном сопротивлении. При напряжении на переходе, равном и, плотность тока в отсут­ ствие излучения, как ранее было показано, определяется фор­

Здесь пренебрегают током поверхностной утечки, что допустимо при небольших значениях V. Плотность тока, наведенного излу­

Очевидно, каждый из этих токов будет пропорционален мо­ щности дозы и соответствующей диффузионной длине. Поэтому можно написать

где а — коэффициент пропорциональности.

Ширина обедненной зоны Н при достаточно большом времени жизни носителей пренебрежимо мала по сравнению с диффузи­ онной длиной в п-области ، так что Ь<^Ьп. Для поверхностно­ барьерных полупроводников р-слой также очень тонкий и Ьр<^.Ьп. Пренебрегая величинами Рр и Н по сравнению с Ьп, получаем следующее выражение для результирующей плотности тока, про­ текающего через детектор при смещении и в результате воздей­ ствия ионизирующего излучения:

123

Полупроводниковые детекторы с (р—п) -переходом применя­ ют для целей дозиметрии также без приложения внешнего на­ пряжения. При отсутствии радиационного воздействия диффузи­ онный потенциал обеспечивает равновесное состояние в области перехода; при этом, как мы знаем, заряды двойного слоя созда­

«-области в р-область. При разомкнутой внешней цепи это при­

водит к снижению диффузионного потенциала, что может быть зарегистрировано. В режиме короткого замыкания возникаю­ щий в цепи ток пропорционален скорости образования электрон­

но-дырочных пар, т. е. мощности дозы излучения в материале детектора. Условия короткого замыкания требуют, чтобы сопро­

тивление внешней цепи было много меньше внутреннего сопро­ тивления; это надо учитывать при выборе способа измерения то­ ка короткого замыкания.

риполостных измерений.

Энергия образования одной электронно-дырочной пары в кремнии равна 3,5 эВ; с учетом плотности кремния это дает зна­

чение радиационно-индуцированного тока примерно в 18 000 большее на единицу чувствительного объема, чем в воздухона­ полненной ионизационной камере при атмосферном давлении.

Величина короткозамкнутого тока определяется формулой (36.4). При отсутствии внешнего напряжения (،/=0) и в усло­ виях применимости формулы (36.4) получим, что ток коротко­ го замыкания / пропорционален мощности дозы Р и диффузион­

ной длине I:

Диффузионная длина равна расстоянию, на которое переме­ щается носитель вследствие диффузии в течение среднего вре­

При разработке и применении кремниевых полупроводнико­ вых детекторов с р—«-переходом следует учитывать возможное

влияние радиационных повреждений на их дозиметрические ха­ рактеристики. При достаточной энергии ионизирующих частиц атомы кремния могут быть смещены со своего исходного поло­ жения в кристаллической решетке. Эти смещения приводят к созданию новых центров рекомбинации (дефекты Френкеля), ко-

124

торые способны захватывать носители заряда в- полупроводнике, обусловливая таким образом уменьшение радиационно-индуци- рованного тока. Число таких повреждений зависит от типа и энергии ионизирующих частиц, а также от дозы излучения. Например, для снижения тока короткого замыкания в кремниевом детекторе энергия электронов должна быть не ниже 145 кэВ. При' лобовом столкновении электронов такой энергии с атомами кремния последние приобретают минимально необходимую энерГИЮ для своего смешения (13 эВ). Число повреждений растет с увеличением энергии ионизирующего излучения.

Среднее время жизни носителя т. в области р—„-перехода обратно пропорционально числу центров рекомбинации. Прийимая, что вследствие радиационных повреждений число центров рекомбинации растет линейно с увеличением дозы £), получаем,

где /о - исходный ток короткого замыкания, т. е. ток, который

возникает в поле излучения с помощью дозы р при отсутствии

радиационных повреждений.

По мере накопления дозы ٥ накапливаются радиационные повреждения и регистрируемый ток /٠ становится меньше исход-

ного тока /о.

Из формулы (36.9) получаем зависимость тока короткого

замыкания ب от накопленной дозы ٥:

1-1• (36■10)

Напомним, что речь идет о радиационно-индуцированном токе, соответствующем мощности дозы излучения Р. Измеряемый ток пропорционален мощности дозы, следовательно, по формуле (36.10) чувствительность детектора, или его отклик на единицу

мощности дозы, падает по мере накопления поглощенной дозы как результат накопления радиационных повреждений.

Из приведенных соотношений можно получить формулу для относительного изменения чувствительности на единицу дозы:

Из этой формулы следует, что относительное изменение чувстви­

125

ность отклика детектора, хотя абсолютное значение чувствитель­

ности при этом падает.

Радиационные повреждения вызывают изменения электриче­ ских свойств полупроводника, приводя к росту удельного сопро­ тивления. Необратимые радиационно-индуцированные изменения электрической проводимости полупроводниковых детекторов са­ ми по себе могут быть использованы для измерения дозы иони­ зирующего излучения.

Для дозиметрических целей в токовом режиме можно исполь­

зовать не только полупроводниковые детекторы с р—п-перехо- дом, но и однородные полупроводники. Практически осущест­ влен вариант дозиметра, в котором мощность дозы определяется

по наведенному току в кристаллах сульфида кадмия С(15. Де­ тектор выполнен в виде тонких игольчатых кристаллов длиной около 1 см и толщиной 1 мм. Чувствительность такова, что при мощности дозы 1 Р/мин измеряемый ток равен 0,2 мкА, темно­ вой ток 0,02 мкА.

Недостаток описанных полупроводниковых дозиметров — большая постоянная времени, что затрудняет измерение малой мощности дозы. В промышленном дозиметре такого типа ниж­ ний предел измерения составлял 1 мГр/ч.

ГЛАВА 6

СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ МЕТОД ДОЗИМЕТРИИ ФОТОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

§ 37. ПРИНЦИП МЕТОДА

Принципиальная схема сцинтилляционного дозиметра пока­ зана на рис. 36. Излучение, взаимодействуя с веществом сцин­

тиллятора, образует в нем электроны, которые, поглощаясь в сцинтилляторе, создают вспышки света. Свет через световод на­

правляется на фотокатод фотоэлектронного умножителя (ФЭУ). Из фотокатода выбиваются фотоэлектроны, и усиленный элек­ тронный ток попадает на анод. Каждому электрону, поглощен­

среднее значение анодного тока, так и число импульсов тока в единицу времени. В соответствии с этим различают токовый и счетчиковый режимы сцинтилляционного дозиметра.

Для целей дозиметрии необходимо установить связь между анодным током /ф (токовый режим) или скоростью счета псч (счетчиковый режим) и мощностью дозы в образцовом веществе Ро٠ Существует определенная аналогия между сцинтилляци­

онным и ионизационным методами дозиметрии: в обоих случаях

можно различать токовый и счетчиковый режимы. Как и в иони-

126

Не все фотоны, возникающие в сцинтилляционном процессе, достигают фотокатода умножителя. Взаимодействие световых

фотонов с веществом сцинтиллятора приводит к уменьшению их числа и изменению их средней энергии. Выход фотоэлектронов с фотокатода существенно зависит от спектрального состава све­ та, поэтому всегда желательно, чтобы спектр сцинтилляционных

фотонов соответствовал максимуму спектральной чувствительно­ сти фотокатода. Экспериментально полученные значения выхода фотоэлектронов на один испущенный сцинтиллятором световой фотон 0,025—0,05. Эти значения, включающие потери света в

сцинтилляторе, получены при соответствии спектра сцинтилля­ ций чувствительности фотокатода.

Величина У7=АЕе/пф равна средней энергии, затрачиваемой

заряженной частицей на создание одного светового фотона. Кон­

версионная эффективность

Значение ٦٢ для хороших сцинтилляторов находится в пределах 15—60 эВ, что сравнимо со средней энергией новообразования в воздухе (34 эВ).

Конверсионная эффективность в общем случае зависит от ви­

да и энергии заряженных частиц и типа сцинтиллятора. Суще­ ственное значение имеет не только абсолютная величина конвер­ сионной эффективности, но и зависимость ее от энергии частиц при прочих равных условиях. Постоянство конверсионной эффек­ тивности означает наличие простой пропорциональности между

энергией, поглощенной в сцинтилляторе, и выходом фотоэлектро­ нов. Конверсионная эффективность неорганических сцинтилля­ торов при облучении электронами может считаться практически

постоянной для электронов с энергией выше 1 кэВ. Для органи­ ческих сцинтилляторов имеются разноречивые данные; во вся­ ком случае, зависимость конверсионной эффективности органи­ ческих сцинтилляторов от энергии заряженных частиц более сильная, чем у неорганических сцинтилляторов; при облучении электронами конверсионная эффективность возрастает с увели­ чением энергии, стремясь к постоянной величине (для антраце­ на). Для электронов с энергией выше 100 кэВ конверсионную

эффективность органических сцинтилляторов можно считать не­ зависимой от энергии частиц. Для частиц более низких энергий точные данные отсутствуют.

Влияние типа заряженных частиц на конверсионную эффек­ тивность иллюстрируются графиками на рис. 37 и 38, откуда

видно, что различие между частицами более существенно для органических сцинтилляторов. Количественно зависимость кон­ версионной эффективности от вида частиц характеризуется от­ ношением а/р, которое равно отношению конверсионной эффек­ тивности для а-частиц с энергией 5,3 МэВ и электронов высокой энергии.

По световыходу и постоянству конверсионной эффективности неорганические сцинтилляторы имеют преимущество перед орга-

128

Рис. 37٠ Влияние типа заряженных частиц на конверсионную эффективность ،٩ сцинтиллятора из антрацена

71,%

Электроны протоны? дейтроны

кт

80

во

Рис. 38. То же, что на рис. 37, но сцинтиллятор ’из Na I (Tl)

ническими. Однако в дозиметрии важную роль играет эффектив-

ный атомный номер вещества сцинтиллятора, и с точки зрения

воздухоэквивалентности преимущества остаются за органическими сцинтилляторами.

٠3,. ТОКОВЫЙ РЕЖИМ сцинтилляционного .ДОЗИМЕТРА

На анод ФЭУ в единицу времени попадает tifygM электронов,' где ج-число фотоэлектронов на один испущенный световой фотон, а Л£ —коэффициент усиления ФЭУ. Эти Э'лектроны и определяют средний 'ТОК в анодной цепи умножителя. Использовав формулу (38.2)., получим для анодного тока

сцинтилляторе' объемом V, облучаемом в поле фотонного излу-

чения. Примем, что 'Сцинтиллятор имеет цилиндрическую форму высотой Л и площадью торца 5. При распространении излучения нормально к плоскости торца

ش£،>== s ٢l٧٠exp(— p٠z*) هدع :آ]ا—exp( —39.2) ,ا،م(ل)

ность падающего излучения.

Интегрирование произведено по высоте сцинтиллятора в пред­ положении, что спектральный состав излучения заметно не из­ меняется; в противном случае пришлось бы учитывать изменение Цйг и с изменением средней энергии фотонов.

Примем воздух за образцовое вещество. Интенсивность излу­ чения связана с мощностью дозы Ро в образцовом веществе со­

сти дозиметра по мощности дозы следующее выражение:

нов (йт)ф от энергии первичного излучения не зависят. Прини­ мая также постоянное значение конверсионной эффективности,

напишем

дающих фотонов.

Для Достаточно тонкого сцин'тиллятора, когда Hzkl, эзч полностью определяется отношением коэффициентов передачи

энергии; ЭЗЧ будет отсутствовать, если сцинтиллятор воздухоэквивалентен по эффективному атомному номеру. Для воздухоэквивалентных сцинтилляторов, размеры которых не позволяют пренебречь ослаблением первичного излучения, эзч определяет-

уменьшается, поэтому множитель в целом увеличивается и, еледовательно, чувствительность дозиметра повышается.

До сих пор мы предполагали, что конверсионная эффективность не зависит от энергии излучения. Для органических сцинтилляторов это справедливо, если электроны имеют энергию сот-

130