книги из ГПНТБ / Полупроводниковые детекторы в дозиметрии ионизирующих излучений

показатель степени, равный 3,4—4 для кремния «-типа и 1,5—2

/0 — ток детектора при напряжении, меньшем напряжения лавинообразования.

Максимальное усиление в ППД на основе кремния дости­ гает ІО4—ІО6, однако отношение сигнала ,<шуму при'этом ниже,, чем при меньшем усилении [160].

Для детекторов пропорционального типа . чувствительный объем может быть в сотни раз больше, чем у ППД, предназна­ ченных для работы в пробойном режиме, у которых сигнал на выходе не зависит от первоначального числа носителей заряда. Поэтому технология изготовления и характеристики ППД двух указанных типов различны.

Пропорциональный ППД с р — /г-переходом

Схема детектора [161—164] показана на рис. 4.11, а. В ка­ честве исходного материала использован сравнительно низко­ омный (30—50 ом-см) кремний «-типа, р—«-переход создан диффузией галлия на глубину 50—100 мкм [162]. Эксперимен­ тально установлено, что только при таких глубоко расположен­ ных р—«-переходах удается обеспечить стабильную работу детектора без микропробоев и больших токов утечки.

Усиление происходит размножением неравновесных электронрв, образованных в; p-слое и в следующем за ним слое, тол­ щина которого не превышает 150 мкм. Поэтому коэффициент усиления зависит от места поглощения кванта. Он достигает ІО3 для излучения поглощаемого в переднем слое и равен 20—50 при равномерном поглощении по всей толще детектора.

Толщина мертвого слоя не превышает 2% глубины распо­ ложения р—«-перехода [163].

Рассмотренные типы детекторов имеют диаметр около 4—- 8 мм, толщина для различных конструктивных вариантов изме­ няется от 0,3 до 1,5 мм.

В дозиметрических приборах детектор используют при изме­ рении числа импульсов [161], так как при этом измерительная схема упрощается, особенно при использовании ППД в сочета­ нии с туннельным диодом [164].

Чувствительность ориентировочно определяется по фор­ муле (2.14) числом импульсов в секунду на единицу мощности дозы и по расчетным данным соответствует поглощению в нем около 3,4 квант/мкр при энергии квантов излучения Еу s» 1 Мэе. Экспериментально измеренное значение составляет 0,5—"

101

1,8 квант/мкр [165]. Нижний предел измеряемой мощности дозы ограничен естественным фоном и составляет около 3-10-9 рад/сек. Обычно верхний предел измеряемой мощности дозы составляет 1 —10 мрад/сек [161].

Экспериментально измеренная энергетическая зависимость чувствительности [161] приведена на рис. 4.10, кривая 5. Ее максимум сдвинут в сторону малых энергий, число импуль-

Рис. 4.11. ППД с усилением:

а — пропорциональны й; Т Д — туннельны й днод: L — индуктивность; UT' д — нап ряж ен ие смещ ения туннельного ди ода, б — пробойный,

U — источник нап ряж ен ия смещ ения, Ян — нагрузочны й резистор.

сов в секунду на единицу мощности дозы при £ ѵ =50 кэв всего в четыре раза больше, чем при Е ѵ —1,25 Мэв. Коррекция энер­ гетической зависимости с помощью фильтров позволяет умень­ шить ход с жесткостью приблизительно вдвое [166].

В работах [167—170] рассмотрены другие типы ППД с про­ порциональным усилением.

102

ГЛАВА 5

КОМБИНИРОВАННЫЕ ДЕТЕКТОРЫ

§ 5.1. ОСОБЕННОСТИ КОМБИНИРОВАННОГО ДЕТЕКТОРА

Основное преимущество комбинированного детектора по сравнению с ППД состоит в существенно большей чувствитель­ ности за счет увеличения чувствительного объема до несколь­ ких десятков кубических сантиметров при обеспечении стабиль­ ности в работе. Одновременно расширяются возможности изме­ нения хода с жесткостью и изготовления детектора с заданной конфигурацией.

При основном недостатке— меньшей дозовой чувствитель­ ности— комбинированный детектор обладает некоторыми пре­ имуществами по сравнению со сцинтмлляционными: а) мень­ шими габаритами и весом; б) нечувствительностью к магнитным полям; в) не требует источников питания высоким напряже­ нием; г) прост по конструкции; д) высокой надежностью.

§5.2. ОПТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ЭЛЕМЕНТА И СЦИНТИЛЛЯТОРА

Для выбора компонентов комбинированного детектора не­ обходимо знать кривые спектральной чувствительности фотоэле­ ментов. Эти кривые определяются многими факторами: типом полупроводника, видом и количеством введенных примесей, материалом контактов, глубиной залегания р—п-перехода, нару­ шениями стехиометрии в образцах и др. Значительные измене­ ния спектральной характеристики для элементов, в зависимости, например, от глубины залегания р—«-перехода, видны из рис. 5.1 (кривые 6, 7, 8) [171]. Влияние напряжения смещения на спектральные характеристики поверхностно-барьерных детек­ торов представлено на рис. 5.1 (кривые 9, 10) [172]. На рис. 5.1 приведены типичные кривые для полупроводниковых элементов, наиболее часто используемых в сочетании со сцинтилляторами [173, 174, 175]. Все кривые характеризуются одним достаточно широким максимумом, имеющим обычно более крутой спад в длинноволновой части спектра. Характерно, что максимумы кри­ вых лежат в области длин волн ^>5000 А, что затрудняет их сочетание со многими сцинтилляторами.

104

Из других типов фотоэлементов заслуживают внимания си­ стемы с р—/г-переходом, включающим область с переменной шириной запрещенной зоны, в частности фотоэлемент на основе GaAs—GaP [176J. Фотоэлемент представляет собой комбина­ цию двух полупроводников (GaAs и GaP) с разной шириной запрещенной зоны, разделенных узкой областью, в которой ши-

р—/2-перехода положение максимума спектральной чувстви­ тельности варьирует в широком диапазоне А,=4500—8500 Â. Отсюда следует возможность направленного изменения спек­ тральной чувствительности, что принципиально позволяет соче­ тать такие элементы с различными сцинтилляторами.

Как любую систему, состоящую из источника и приемника светового излучения [159], комбинированный детектор можно

Амане

I Ы ІасГ)х^

?.мнн

105

Ямакс определяется соотношением hc/K^Eg, поскольку генера­ ция носителей возможна только в случае, когда энергия фотона

Ямакс= 5300 А, а также CsI(Sm) с Ямакс= 7000-4-9000 А и У20з(Еи) с Ямакс= 6100 А [178].

Таким образом, выбор сцинтилляторов весьма ограничен. Наиболее подходящим для сочетаний с фотоэлементами на ос­ нове кремния и арсенида галлия является монокристалл CsI(Tl), а для сочетаний на основе сернистого кадмия и селена, кроме

Сцинтиллятор CsI(Tl) почти негигроскопичен, и его можно меха­ нически обрабатывать на открытом воздухе, он устойчив к меха­ ническим воздействиям (пластичен), обладает значительной плотностью, т. е. высокой эффективностью регистрации у-излу- чения, имеет высокий световой выход, легко выращивается в виде больших монокристаллов [179].

Недостатком пластического сцинтиллятора по сравнению с монокристаллом СэЦТЧ) является меньшая эффективность регистрации излучения, а преимуществом — простота механи­ ческой обработки. Из рассмотренных полупроводниковых и сцинтилляционных элементов в практике дозиметрических из­ мерений наибольшее применение получили детекторы на основе сочетания Si- и GaAs-фотопреобразователей со сцинтиллятором CsI(Tl). Их характеристики рассмотрены в § 5.4.

§ 5.3. СВЕТОПЕРЕДАЧА В КОМБИНИРОВАННОМ ДЕТЕКТОРЕ

Выбор элементов конструкции

Если в сцинтилляторе поглотилась энергия излучения Еп,

вом сцинтиллятора. Полагая среднюю энергию фотона рав­ ной Еф, получаем число образованных в сцинтилляторе фотонов

106

В фотоэлемент попадает только часть фотонов, N$, равная, по определению, УѴф£, где g— эффективность собирания света сцинтиллятора фотоэлементом. Число образованных при этом в фотоэлементе пар электрон—дырка равно

Для сцинтиллятора площадью 5 и толщиной dcц (объем которого ѴСц=5-гісц) с учетом соотношения (1.43) и принимая во внимание, что при дозиметрических измерениях используется обычно режим короткого замыкания ФЭП, получаем дозовую чувствительность комбинированного детектора:

тсв — коэффициент светопередачи световода, в этом случае g —эффективность собирания света сцинтиллятора на приемной части световода.

Из-за ограниченного выбора сцинтилляторов и фотоэлемен­ тов для комбинированного детектора величина ряда множите­ лей является, по существу, заданной (г), рсц, V, ß). Значения величин Ѵсц, dczx определяются, как правило, решаемыми задачами (например, размеры детектора определяются требо­ ваниями клинической дозиметрии). В широких пределах при разработке комбинированного детектора можно влиять лишь на величину эффективности собирания света g, зависящую от геометрии детектора, материалов отражателя, качества оптиче­ ского контакта.

Существует два метода повышения эффективности регистра­ ции света сцинтиллятора. В первом создаются условия полного внутреннего отражения фотонов за счет выбора формы и поли­ ровки сцинтиллятора. Такое отражение света легко осуществить у пластмассовых сцинтилляторов из-за простоты их механиче­ ской обработки. Во втором — поверхность делается шерохова­ той и покрывается диффузно отражающим материалом. Так упаковывается монокристалл CsI(Tl), используемый в боль­ шинстве комбинированных детекторов.

Процесс светопередачи в системе сцинтиллятор—фотоэлемент при диффузном отражении рассмотрен Феном [6], устано-

107

вившим, что эффективность £ собирания света фотопреобразо­ вателем равна

где ап— вероятность поглощения фотона преобразователем, если он попадает на площадь 5Ф— площадь окна сцинтиллятора, равная площади фотопреобразователя; 50 — полная площадь

X —■эксперимент.

поверхности сцинтиллятора; т|от — коэффициент диффузного от­ ражения материала, в который упакован сцинтиллятор.

Формула (5.5) выведена в предположении, что после каж­ дого внутреннего диффузного отражения вероятность попадания фотона на площадь S<i> равна 5ф/5 0 и поглощением фотонов в сцинтилляторе можно пренебречь. Это предположение осуществ­ ляется для сцинтилляторов достаточно малых размеров и обыч­ но на практике выполняется.

На рис. 5.2 приведены кривые зависимости относительных

равен диаметру фотоэлемента) от отношения диаметра сцинтил­ лятора 0 Сц к диаметру фотоэлемента Дф [181].. Кривые 1^-5 рассчитаны по формуле (5.4) с учетом значений | по формуле (5.5) при величине ап=0,4. Данное значение ап взято из работы [180] и соответствует случаю, когда в качестве материала

108

оптического контакта используется силиконовое масло. Значе­ ние 5ф при расчете принималось равным 5ф = 5 0/2. Эксперимен­ тальные точки показаны на рис. 5.2 крестиками (измерения с отражателем).

Расхождение между расчетными и опытными данными не превышает 50—100%. Это можно считать удовлетворительным, учитывая приближенность самой формулы Фена и погрешность в значениях исходных данных (т|, ап) для расчета.

Как видно из рис. 5.2, в условиях полного отражения (■Пот=1) существует параболическая зависимость между током фотоэлемента и диаметром сцинтиллятора (т. е, линейная зави­ симость между током и площадью сцинтиллятора, обращенной к фотоэлементу). При г|от=?М зависимость /ф= [ (S) близка к линейной лишь до тех пор, пока диаметр сцинтиллятора не превышает диаметр фотопреобразователя. При дальнейшем увеличении размеров сцинтиллятора существенное отклонение от линейности обусловлено уменьшением эффективности соби­ рания света от периферийных участков сцинтиллятора. Расчет показывает, что при использовании материалов с высоким коэффициентом отражения (цот^ОД) допустимо некоторое увеличение диаметра сцинтиллятора по отношению к диаметру. фотопреобразователя (до 1,3—1,5 раза).

Уменьшение Эффективности собирания света при удалении облучаемого участка сцинтиллятора от края фотоэлемента значительно замедляется с ростом отражательной способности покрытия.

Из анализа формулы (5.5) следует, что при значении коэф­ фициента диффузного отражения Цот, равном 1, имеет место полное светособирание (£=1), независимо от величины

On (^l)/So) ■

Для улучшения качества оптического контакта необходимо, чтобы между сцинтиллятором и фотоэлементом находился ма­ териал, коэффициент преломления пм которого был бы проме­ жуточным между коэффициентом преломления вещества сцин­ тиллятора «сц и вещества фотоэлемента Пф. Оптимальную величину пм определяют из соотношения [182]

Коэффициент преломления фотоэлемента на основе кремния или арсенида галлия с ' травленой чувствительной поверх­ ностью составляет 3,5—4 [171, 183].

В выпускаемых фотоэлементах принимают специальные ме­ ры для уменьшения световых потерь на отражение нанесением одного или нескольких «просветляющих» слоев на чувствитель­ ную поверхность фотоэлемента. Коэффициент преломления такого слоя определяется также в соответствии с (5.6), где псц заменяют 1, и составляет около 1,8—2,0. Коэффициент прелом­

109