Гуров Телескопические полупроводниковые детекторы 2012
.pdf
вался поверхностно-барьерный Si(Au)-детектор толщиной~100 мкм). С помощью схем совпадения сигналов с Д1Д2 и антисовпадения с Д3 регистрировались протоны в узком энергетическом интервале с пробегом, соответствующимсуммарнойтолщине Д1 и Si-фильтра Ф.
В такой постановке опыта параметры спектра протонов, измеряемого детектором Д1 (рис. 3.5, а), с высокой точностью зависят только от толщины Si-фильтра. Выбрав в качестве такого параметра, например, положение пика, можно с помощью набора калиброванных Si-фильтров (плоскопараллельность фильтров была не хуже 5 мкм, точность измерения их толщины составляла 1мкм) получить зависимость положения пика от толщины фильтра (рис. 3.5, б).
Рис. 3. 5 Спектрпротонов, измеренныйдетекторомД1 (а) и зависимостьположения пикавспектрахпротонов, зарегистрированныхД1, от
толщиныSi-фильтра(б)
Установив на место фильтра исследуемый детектор, определяем его толщину, пользуясь полученной калибровочной зависимостью. Точность измерений зависит от статистической обеспеченности спектров и стабильности работы спектрометрического тракта. Контрольные исследования показали, что параметры спектра, измеряемого Д1 не зависят от толщины Al-фильтра (коллиматор К1) в пределах 2 мм и, следовательно, от стабильности параметров пучка. Стабильность работы спектрометрического тракта контролировалась с помощью α-источников и практически определяла точность измерений (40 мкм).
С помощью изложенной методики можно определить и толщину нечувствительной области Si(Li)-детектора (wмс), для чего достаточно повернуть детектор Д1 “мертвым“ слоем к пучку. Однако в этом случае нужно получать калибровочную кривую для каждого исследуемого детектора, т.е. выполнять длительные измерения,
71
использую дорогостоящее время работы ускорителя. Это создает практическую непригодность такого подхода. Поэтому, в дальнейшем, для измерения структурных слоев был разработан более оперативный и простой метод с использованием радиоактивных источников электронов, γ-квантов и α-частиц.
В табл. 3.4 вместе с полными толщинами Si(Li)-ППД представлены результаты определения толщины их мертвых слоев с помощью пучка протонов и источника электронов. Видно, что значения, полученныеразнымиметодами, хорошо согласуются.
Таблица 3.4. СтруктурныепараметрыSi(Li)-ППДизмеренные спомощьюпучкапротонов иисточникаэлектронов
№ |
W, мм |
wмс, мм |
||
Si(Li)-ППД |
1 |
2 |
1 |
2 |
1 |
4,06±0,04 |
4,05±0,01 |
0,52±0,04 |
0,49±0,01 |
2 |
3,90±0,04 |
3,80±0,01 |
0,43±0,04 |
0,43±0,01 |
3 |
4,01±0,04 |
3,95±0,01 |
0,50±0,04 |
0,48±0,01 |
Примечание: W – результаты измерений в пучке протонов (1) с помо-
щью 106Ru (2) wмс – результаты измерений в пучке протонов (1) с помощью э.в.к. 207Bi (2).
3.2.2.Измерение геометрических параметров ППД
спомощью радиоактивных источников
Схема измерений толщин Si(Au)-детекторов (W > 50 мкм), «мертвых» слоев (wмс > 40 мкм) и полных толщин Si(Li)- и HPGeППД с помощью источников электронов и γ-квантов представлена на рис. 3.6. В эксперименте использовались наборы калиброванных Si- и Ge-фильтров. Как будет показано далее, в такой постановке опыта параметры измеряемых спектров (положение линии, число событий под пиком) с высокой точностью определяются толщиной фильтра. В случае Si(Li)- и HPGe-детекторов с тонкими «мертвыми» слоями глубина их залегания определялась по сдвигу в положении α- пика приоблучениеППДсо стороны переднего изаднего контактов.
72
Рис. 3.6. Схемаизмерений геометрическихразмеров детекторов сиспользованием источниковэлектроновиγ-квантов (И– источник, К– коллиматор, Ф– Siили Ge-фильтр, Д– детектор, мс– “мертвый” слой)
Измерения толщины Si(Au)-детекторов и «мертвых» слоев стандартных Si(Li)-детекторов выполнялись с помощью электронов внутренней конверсии (э.в.к.) источника 207Bi с энергией 975 кэВ. В качестве примера на рис. 3.7 показаны спектры, зарегистрированные Si(Li)-детектором, при прохождении электронов через кремниевые пластиныразличныхтолщин.
Рис. 3.7. Электронныеспектры207Bi, измеренные Si(Li)-детектором прииспользованииSi-фильтровразличнойтолщины wмс:
а– безпоглотителя; б– wмс = 280 мкм; в– wмс = 540 мкм
73
Из рисунка видно, что положение пика э.в.к. зависит от толщины фильтра. При этом даже для достаточно больших толщин фильтров ( 600 мкм), форма аппаратурной линии дает возможность вычислитьее положениес высокойточностью.
На рис. 3.8 показана зависимость смещения данного пика от тол- щиныкалиброванныхSi-фильтров.
Рис. 3.8. Зависимостьположенияпика э.в.к. с Е= 975 кэВ(207Bi) оттолщины Si-фильтра
Полная толщина Si(Au)-детекторов определялась тем же способом, что и при использовании протонного пучка. Необходимо указать, что результаты определения толщин более десяти Si(Au)-детекторов описываемым методом и методом контактных измерений совпали с точность до2 мкм.
Толщина «мертвых» слоев стандартных Si(Li)-детекторов определялись следующим образом. Для каждого ППД строилась калибровочная зависимость. Затем исследуемый детектор поворачивался нечувствительной областью к источнику. По смещению пика э.в.к. определяли значение wмс, пользуясь полученной калибровкой. Необходимо указать, что отклонение от прямой линии зависимости, представленной на рис. 3.8, объясняется наличием у источника э.в.к. защитного покрытия (пленки из майлара толщиной 100 мкм). Расчеты показывают, что энергопотери электронов с Е = 975 кэВ в таком слое
74
оказывают заметное влияние на поведение измеренной зависимости для Si-фильтровтолщиной 0−150 мкм.
Для спектрометров заряженных частиц на основе Si(Li)- детекторов, работающих при комнатной температуре (Т = 300 К), важным является выбор оптимального значения постоянной τ времени формирования спектрометрического тракта. Учет параметра τ весьма существенен при определении глубины залегания диффузионного литиевого слоя – нечувствительной области. Это связано с тем, что в Si(Li)-детекторах, изготовленных по стандартной технологии, между чувствительной областью и «мертвым» слоем существует переходная область. Поскольку для дрейфовых детекторов диффузионный слой не имеет четкой границы, следует говорить об эффективной толщине этого слоя. Коэффициент собирания заряда в такой области может быть существенно меньше 1, что ведет к увеличению времени собирания дырочной составляющей сигнала при ионизации вблизи n+-контакта.
Следует отметить, что на протяженность переходной области влияет большое число факторов: удельное сопротивление исходного материала и его однородность по площади образца, температура и время диффузии, параметры «горячего» и «восстановительного» дрейфа лития.
Для изучения рассматриваемого эффекта на 12 стандартных Si(Li)-детекторах были измерены толщины их «мертвых» слоев для значений постоянных времени формирования 0,5; 1,0; 1,5; 2,0 мкс. На рис. 3.9 приведены типичные зависимости для двух ППД толщиной W 3 мм. Видно, что для этих образцов кривые приближаются к плато при τ = 1,5 мкс (рабочее напряжение Uсм = 500 В). При изменении постоянной формирования от 1,5 до 2,0 мкс погрешность в определении эффективной границы диффузионного слоя не превышает 5 мкм, что меньше разброса в величине W. Необходимо указать, что аналогичные результаты были получены для Si(Li)-детекторов большей толщины. Так, для ППД с W 4,5 мм исследуемая характеристика также практически не меняется при τ = 1,5 мкс, но при напряжении Uсм = 750 В. Следовательно, толщину «мертвого» слоя на стандартных Si(Li)-детекторах, работающих при Т = 300 К, необходимоизмерятьпри τ ≥ 1,5 мкс.
75
Рис. 3.9. Зависимостьтолщины“мертвый” слоя двухстандартныхSi(Li)-детекторов толщинойW = 3,3 мм (1) и3,1 мм (2) отвремениформированияτ, Uсм = 500 В
В случае Si(Li)-детекторов, изготовленных по усовершенствованной технологии с использованием импульсов теплового излучения, глубина залегания диффузионного слоя не превышает 40 мкм (Т = 300 К). Для оценки толщин таких слоев использовались α- частицы с энергией 7,7 МэВ (источник 226Ra). Облучение ППД проводилось со стороны переднего и заднего контактов (входного окна и «мертвого» слоя). Это позволяло оценить энергетический сдвиг в положении α-пика относительно его исходного положения. Затем, используя зависимости пробег–энергия и удельных ионизационных потерьвкремнии, вычислялосьзначение wмс.
Для примера на рис. 3.10 представлены спектры α-частиц 226Ra, измеренные с помощью двух ППД с тонкими литиевыми слоями при облучении со стороны входного (рис. 3.10, а) и тыльного (рис. 3.10, б, в) контактов. Поскольку детекторы имели одинаковые значения толщины W = 2,7 мм и энергетического разрешения Еα = 50 кэВ, то их спектры, измеренные со стороны входного окна, идентичны. В качестве исходного спектра на рис. 3.11, а представлено распределение с ППД №1.
76
Рис. 3.10. Спектрыα-частиц226Ra, зарегистрированные двумяSi(Li)-детекторами стонкими“мертвыми” слоями: а– спектр, полученныйприоблучении переднего контактаППД№1; б, в– спектры, измеренныесосторонытыльныхконтактовППД №1 (wмс = 18 мкм) и № 2 (wмс = 27 мкм) соответственно, Uсм = 500 В
Применение описанной выше методики показало, что для таких Si(Li)-детекторов толщины «мертвых» слоев находятся в диапазоне 20−40 мкм, а их неоднородность по площади ≤1 мкм. Также было установлено (рис. 3.11), что величина wмс практически не зависит от времени формирования сигнала. Этот эффект для рассматриваемых детекторов обусловлен «идеальным» ступенчатым спадом в распределении лития. Следовательно, в Si(Li)-детекторах, изготовленных по усовершенствованной технологии, имеется резкая граница между чувствительной областью и «мертвым» слоем, т.е. отсутствует переходная область с неполным собиранием заряда.
77
Рис. 3.11. Зависимостьтолщины“мертвого” слоядвухSi(Li)-детекторов
с W = 2,9 мм (1) и2,7 мм (2), изготовленныхпоусовершенствованнойтехнологии,
отвремениформированияτ, Uсм = 500 В
Для определения полных толщин Si(Li)-детекторов использовался источник β-излучения 106Ru с граничной энергией 3,55 МэВ. На рис. 3.12 показана зависимость площади спектра выше порога регистрации 0,5 МэВ от толщины калибровочных фильтров. Измерения выполнялись с постоянным временем экспозиции. Полученные результаты совпадают с данными контактных измерений с точностью 10 мкм. В основном этот разброс связан с нарушением плоскопараллельности Si(Li)-детекторов в результате механической обработки и неравномерности процесса травления.
В реальных экспериментах, проводящихся с помощью телескопов на основе ППД, часто регистрируют частицы с различными массами и энергиями. В таких условиях каждый из детекторов телескопа регистрирует значительное количество частиц с пробегом, близким к полной толщине чувствительной области, и соответственно максимальным энерговыделением.
На рис. 3.13 представлена часть энергетического спектра частиц, зарегистрированного одним из первых Si(Li)-детекторов ППДтелескопа в эксперименте по изучению поглощения остановившихся отрицательных пионов ядрами.
78
Рис. 3.12. Спектр β-излучения источника106Ru (а) изависимость величиныплощадиспектра106Ru (вышепорога0,5 МэВ)
оттолщиныSi-фильтра(б)
Рис. 3.13. Энергетический спектр частиц, зарегистрированных первым Si(Li)-детектором полупроводникового телескопа, в эксперименте по изучению поглощения π−-мезонов ядрами
На рис. 3.13 хорошо выделены участки спектра с границами, соответствующими максимальным энерговыделениям для протонов и дейтронов; граница для тритонов рассчитана на меньшем статистическом материале. По положению этих границ можно оценить толщину чувствительной области детектора. Для Si(Au)- детекторов, работающих в режиме полного обеднения, положение таких границ зависит от полной толщины детекторов.
79
В табл. 3.5 даны оценки толщин нечувствительных слоев (wмс) Si(Li)-детекторов и полных толщин (W) Si(Au)-детекторов, полученные по границам энерговыделения, и сопоставлены с результатами измерений с помощью радиоактивных источников. Следует отметить, что Si(Li)-детекторы № 3 и № 4 изготовлены по стандартнойтехнологии, а№5 – спомощьюимпульсной диффузии.
Таблица 3.5. Структурныепараметрыкремниевыхдетекторов, полученные различными способами
№ |
Тип |
W, мм |
|
Wчо, мм |
|
|
ППД |
ППД |
1 |
2 |
1 |
2 |
3 |
1 |
Si(Au) |
0,254±0,002 |
|
|
0,25±0,01 |
0,25±0,01 |
2 |
Si(Au) |
0,467±0,002 |
|
|
0,47±0,01 |
0,47±0,01 |
3 |
Si(Li) |
|
3,40±0,01 |
3,05±0,01 |
3,04±0,04 |
3,06±0,04 |
4 |
Si(Li) |
|
2,91±0,01 |
2,61±0,01 |
2,58±0,04 |
2,59±0,04 |
5 |
Si(Li) |
|
2,78±0,01 |
2,75±0,01 |
2,74±0,04 |
2,74±0,04 |
Примечание: W – результаты измерений с помощью 207Bi (1) и 106Ru (2); Wчо – результаты измерений с помощью 207Bi или 226Ra (1) и оценка
по измеренным границам для протонов (2) и дейтронов (3).
Измерения полной толщины HpGe-детекторов и «мертвых» слоев стандартных германиевых детекторов выполнялись с помо-
щью калиброванных Ge-фильтров (см. рис. 3.6) и γ-источников соответственно 57Co (Eγ = 122 кэВ) и 241Am (Eγ = 60 кэВ). При построении калибровочной кривой, зависящей от толщины Geфильтра, рассматривалась интенсивность этих γ-линий. Результаты измерений, которые выполнялись с постоянным временем экспозиции, представлены на рис. 3.14 и 3.15.
HpGe-детекторы эксплуатируются при температуре жидкого азота (Т ≈ 77 К), поэтому они крепились на хладопроводе внутри вакуумной камеры криостата. Окно камеры было изготовлено из бериллиевой фольги толщиной 30 мкм и диаметром 26 мм. Полные толщины и диффузионные слои HPGe-детекторов определялась тем же методом, что и при исследовании Si(Li)-ППД. Однако эти измерения занимали значительно больше времени, так как облучение германиевых детекторов со стороны «мертвого» слоя требова-
80