книги из ГПНТБ / Полупроводниковые детекторы в дозиметрии ионизирующих излучений

; 3 — коротковолновым и длинноволновым светом; 2 — рентгеновским излучением; 4 — изменение U x х .

Коэффициент поглощения коротковолнового светового излу­ чения (см. рис. 4.2) незначительно изменяется при вариациях ширины запрещенной зоны на 0,09 эв у кремния п 0,12 эв у GaAs (эти цифры определены по данным работ [256, 257] и соответствуют имеющему место в эксперименте перепаду тем­ ператур в 250°С). Основная доля энергии при таком спектраль­ ном составе излучения поглотится соответственно в переднем слое «-типа у ФЭП на основе кремния и р-типа ФЭП на основе GaAs. Поэтому уменьшение тока /,;.3 следует отнести за счет температурных изменений рекомбинационных процессов и подвижности носителей на поверхности и в обедненной области [258].

При возбуждении длинноволновым световым излучением поглощение энергии будет происходить в основном в базе. Для данного спектрального состава излучения эффективный коэф­ фициент поглощения и число образованных з результате погло­ щения неравновесных носителей быстро увеличивается с ростом температуры, приводя к увеличению тока / Кі3.

При возбуждении рентгеновским излучением коэффициенты поглощения, а следовательно, и распределение поглощенной энергии не зависят от температуры. Рост тока /к.3 с температу­ рой следует отнести за счет увеличения диффузионной длины в результате повышения времени жизни неосновных носителей [259—261].

Приведенная на рис. 6.6 температурная зависимость тока /„.з наблюдалась и у диффузионных [121] детекторов. Следует отметить, что угол наклона кривой 7K.3= f (Г) при возбуждении рентгеновским излучением у образцов одной партии ФЭП мо­ жет' быть в 2—3 раза меньше по сравнению с приведенным на рис. 6.6, особенно у ФЭП с низким сопротивлением р — п-пере-

где А\ — постоянная, незначительно зависящая от температуры и определяемая параметрами материала. і

Таким образом, Ux,x должно уменьшаться приблизительно пропорционально увеличению температуры. Если условие. 7ф^/т не выполняется, напряжение Ux,x при Т-+0 возрастет не­ сколько медленнее (см. рис. 6.6, кривые 4), чем это следует из уравнения (6.4). Кривая Ux. x= f(fф), согласно формуле (6.1), должна пересекаться с осью ординат при значении Ux.x, численно равном ширине запрещенной зоны. Такая зависимость наблю­ дается у всех рассматриваемых ППД, за исключением

р — i — /г-детекторов, у которых пересечение кривой Ux,x— f(T) происходит при Ux,x= 0,5—0,6 в.

В ППД с лавинным усилением основные температурные изменения в скорости счета возникают из-за зависимости на­ пряжения образования лавины Unp от температуры (0,1— 0,2 в/град). В детекторе с пропорциональным усилением ско­

детекторах на основе сочетания кремниевых ФЭП со сцинтил­ лятором CsI (Т1) ток короткого замыкания уменьшается при увеличении температуры (см. рис. 6.5, кривая 7), что обуслов­ лено падением свечения сцинтиллятора [263].

Уменьшение температурной зависимости

Уменьшение температурной зависимости практически осу­ ществляется только в ППД с усилением и при работе детекто­ ров в фотовольтаическом режиме. В первом случае это дости­ гается регулированием напряжения смещения в соответствии с изменением температуры с помощью электронной схемы [264]. Во-втором случае, исходя из рассмотренных температурных изменений / І;.3 и Ux,x, можно указать три способа компенсации температурной погрешности, основанные на: изменении спек­ трального состава излучения; использовании нелинейного сопро­ тивления с отрицательным температурным коэффициентом, выборе оптимальной величины сопротивления нагрузки.

Последний способ можно использовать только при повыше­ нии тока /1{., с увеличением температуры. Определить величину нагрузочного сопротивления, при котором температурная погрешность минимальна, наиболее просто графическим постро­ ением по известным нагрузочным характеристикам (построен­ ным при наименьшей и наибольшей температурах работы прибора).

§6.3. ВЛИЯНИЕ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ

Вмагнитном поле пути движения электронов и дырок между актами рассеяния удлиняются. Если вектор магнитного поля перпендикулярен к вектору электрического поля, носители за­ ряда будут дрейфовать к боковым поверхностям детектора. Скорость поверхностной рекомбинации выше, чем объемной,

поэтому чувствительность детектора уменьшается [265]. Магнитное поле не влияет на характеристики детектора,

если [265]

I

У кремния при 18°С подвижность £ —2 -ІО3 см/ (в-сек), т. е. Н < 5 -ІО4 э не влияет на его чувствительность. Эксперименталь­ ные данные подтверждают эту оценку. При температуре 18° С магнитное поле до 12 кэ не сказывается на амплитуде импуль­ сов, возникающих в поверхностно-барьерном счетчике под воз­ действием а-частиц, независимо от его ориентации в поле [255].

Подвижность носителей растет с уменьшением температуры, и влияние магнитного поля на чувствительность детектора мо­ жет усиливаться. Однако измерения [266], выполненные на поверхностно-барьерных счетчиках при температуре жидкого азота, показали, что магнитное поле с напряженностью до 10 кэ не влияет на амплитуду импульса.

Наиболее сильные магнитные поля (среди терапевтических источников излучения) у бетатронов. Однако даже при самом неблагоприятном размещении детекторы подвергаются воздейст­ вию магнитного поля напряженностью на 2—3 порядка меньше перечисленных.

§6.4. ИЗМЕНЕНИЕ СВОЙСТВ ППД СО ВРЕМЕНЕМ

Впроцессе хранения ППД при нормальных условиях их па­ раметры и характеристики изменяются в основном из-за диффу­ зии легирующих примесей и действия внешней среды на поверх­ ностные свойства. «Герметизация» чувствительного объема и

применение малоподвижных легирующих примесей в процессе изготовления ППД приводят к ухудшению других характери­ стик. Наибольшие изменения свойств со временем наблюдаются у поверхностно-барьерных и литий-дрейфовых ППД. У поверх­ ностно-барьерных детекторов AuSi-типа непосредственно после изготовления обычно наблюдается непродолжительное (от не­ скольких дней до месяцев) улучшение некоторых характеристик (падает обратный ток, уменьшаются шумы и возрастает чувст­ вительность). В дальнейшем эти характеристики ухудшаются. Чувствительность в вентильном режиме включения у образцов одной и той же партии изменяется за год после изготовления в среднем на 10—20%, причем падение тока Ік,3 обычно тем больше, чем выше его исходное значение и зависит также от окружающей среды, материала контакта, способа его нанесе­ ния [267, 268].

При работе детектора по диодной схеме включения измене­ ние чувствительности в 2—4 раза меньше указанных. В этой схеме включения наибольшие изменения претерпевает [267] обратный темновой ток. Характер этих изменений зависит от состава окружающего газа, температуры детектора при хране­ нии [269, 270].

Методы стабилизации обратного тока сходны с рассмотрен­ ными ранее методами его уменьшения и обычно основаны на изоляции поверхностного барьера от внешней среды. В част­

5* 133

ности, нанесение на детектор покрытия из канифоли позволило получить образцы с неизменными обратными токами в течение 1,5 года [271J.

Ток короткого замыкания р—і—«-детекторов обычно умень­ шается на 10—30% в течение первого года после изготовления. В дальнейшем его изменения в 2—3 раза меньше указанных. Основная причина этого — перераспределение исходной кон­ центрации ионов лития в результате их дрейфа в поле контакт­ ной разности потенциалов и диффузии из «-области, где их кон­ центрация на несколько порядков выше, чем в /-слое.

Сопротивление детектора в прямом направлении возрастает, обратная вольт-амперная характеристика существенных измене­ ний не претерпевает [272, 273]. Возрастает также толщина мертвого слоя со стороны «- и р-слоев.

Вдетекторах с /-слоем, доходящим до омического контакта, литий вследствие дрейфа уходит от него. Возникающее электри­ ческое поле способствует инжекции неосновных носителей с тыльного контакта. Алюминиевые контакты в этом случае пред­ почтительнее никелевых, так как со временем они становятся омическими [274].

Врезультате изменения поверхностных свойств р—/—«-де­ текторов со временем обратный темновой ток и емкость обычно возрастают, а напряжение пробоя и фоточувствптелыюсть уменьшаются. Это происходит в результате расширения инвер­ сионных слоев, увеличения скорости поверхностной рекомбина­ ции, изменения напряженности электрических полей. При неко­ торых видах поверхностной обработки имеет место обратный характер изменения указанных величин [257].

Стабилизация характеристик и параметров р—/—«-детекто­

ров может быть достигнута выбором исходного материала, ус­ ловий хранения, защитой поверхности. Хранение при понижен­ ных температурах снижает подвижность лития, так как коэф­ фициент диффузии лития [276] уменьшается с понижением тем­ пературы:

ния эффективной толщины меньше не в 50 раз, а в 6 раз [277]. Удовлетворительные результаты дает также хранение детекто­ ров при напряжении, достаточном для компенсации диффузии Li. Повышение удельного сопротивления исходного кремния, снижение в нем количества структурных нарушений, легирова­ ние галлием также способствуют стабилизации свойств детек­

торов [90].

Стабилизация поверхностных свойств р—і—«-детекторов достигается нанесением защитных покрытий (Л 275), оксидиро-

134

Г Л А В А 7

МЕТОДЫ ДОЗИМЕТРИИ с помощью ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ И КОМБИНИРОВАННЫХ ДЕТЕКТОРОВ

§7.1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭФФЕКТИВНЫХ ЭНЕРГИЙ Еаф И {dEldx)0

Вдозиметрии качество рентгеновского и у-излучении обыч­ но характеризуется эффективной энергией ЁЭф [см. формулу

(1.30)]'. На практике обычно эффективную энергию определяют по ослаблению экспозиционной дозы в условиях, когда рассеян­ ное в среде излучение не попадает в рабочий объем дозиметра. Схема эксперимента показана на рис. 7.1, а. Между источником и дозиметром помещают поглотители 2 различной толщины. Дозиметр 4 помещают за диафрагмой 3, отсекающей рассеян­ ное в поглотителе излучение. Если размеры детектора доста­ точно малы, то диафрагма отсутствует.

Если дозиметр облучается параллельным пучком моноэнергетического у-излучения с энергией кванта Е, то показания дозиметра, при толщине поглотителя равной х, будут связаны с показаниями дозиметра при х=0 формулой, аналогичной

и х= х соответственно, а р — линейный коэффициент ослабления мощности экспозиционной дозы у-излучения с энергией Е. По­ мещая между источником и дозиметром поглотители различной толщины, можно по точкам построить кривую ослабления мощ­ ности экспозиционной дозы. С помощью этой кривой определяют слой половинного ослабления А для данного материала, зна­ чение ц и, следовательно, энергию кванта моноэнергетического

случае имеют в виду только некоторый эффективный коэффи­

как кривые ослабления интенсивности и экспозиционной дозы для немоноэнергетического излучения не совпадают.

136

Значение р ( £ :,ф) немоноэнергетического излучения зависит от толщины поглотителя х. Поэтому и эффективная энергия излу­ чения ЕПф, определенная по р (Еэ<1,), различна для различной тол­ щины X . Из рис. 7.1, б видно, что эффективная энергия, опре­

а

'Рис. 7.1. Схема эксперимента для определения кривой

Величину £ Эф можно определить двумя способами по кривой ослабления. Первый заключается в определении отношения Рх/Ро при данном X (рис. 7.2,а), второй — в определении тол­ щины слоя, при котором отношение (Рэ)х/ (Ра)0= 1/2, т. е. слоя половинного ослабления мощности экспозиционной дозы (см. рис. 7.2, б). На практике обычно применяется второй способ. В обоих случаях кривую моноэнергетического излучения (по

137

которой определяется Д ф) проводят через две точки на кривой

ослабления (т. е. характеризуют кривую ослабления тремя точ­ ками). Если Ди, определенная по двум точкам, практически не отличается от Еэф, определенной по трем точкам, то это значит, что излучение однородно (определяется одним параметром).

Для определения условий, при которых рентгеновское излу­ чение достаточно однородно, можно воспользоваться диаграм­ мами, приведенными в [282].

Применение детекторов с большим ходом с жесткостью для определения Дф

Метод определения Дф можно несколько видоизменить. Возьмем два детектора с различной зависимостью дозовой чув­ ствительности от энергии кванта: ai/P3--=fi(E) и a2/PB—f2(E) (рис. 7.3, а). На рис. 7.3, б показана зависимость a2/al= f3(E). Существенно, что отношение а21а1— монотонная функция энер­ гии кванта. Поэтому, поместив детекторы в пучок моноэнергетического излучения, можно, измерив отношение a2/alt опреде­ лить энергию кванта Е. Если поместить оба детектора в пучок излучения со сложным спектральным составом, то отношение a2laj определит некоторую эффективную энергию кванта Дф *, как показано на рис. 7.3, б. Этот способ менее трудоемок, чем, например, определение Е3ф по слою половинного ослабления.

138

немоноэнергетический и излучение неоднородно, то £ Эф, опре­ деленные различными методами, оказываются различными. Существенно, что связь между ЕЭф, определенными различными методами, неоднозначна. Например, если изменять спектраль­ ный состав излучения так, чтобы отношение a2jaі оставалось постоянным, то слой половинного ослабления будет изменяться

Рис. 7.3. Относительные спектральные характеристики детекторов (а); определение £ Эф по отношению /г/Л (б) и определение максимальной погрешности в определении Р0 по сумме сигналов (Ö).

(и наоборот). Следовательно, одному и тому же значению £эф, определенному по отношению аг/яй, будут соответствовать (для различных спектральных составов) различные ДЭф, определен­ ные по слою половинного ослабления. Поэтому использование величины £ эф в расчетных методах дозиметрии, при работе с неоднородным излучением, может привести к грубым погреш­ ностям.

Погрешность в определении Еэф можно определить, если известны дозовые зависимости чувствительности детекторов от энергии [283, 284].

Следует отметить, что Еэф определяется по отношению двух величин (отношение сигнала на выходе детектора без поглоти­ теля к сигналу с поглотителем), и поэтому понятие £ аф имеет смысл только для регистрирующих систем с двумя выходами. Действительно, для систем с одним выходом пространство сиг­ налов одномерно, поэтому здесь возможны два случая: сигнал положителен (отрицателен) или может менять знак при изме­ нении спектрального состава. Для систем с тремя и более выходами вектора, соответствующие моноэнергетическим излу­ чениям, не лежат в одной плоскости, и поэтому суммарный вектор, характеризующий действие на систему сложного спек­ тра, не может совпадать по направлению ни с одним из них. И только для системы с двумя выходами вектор, соответствую­ щий данному спектральному составу, можно заменить вектором, соответствующим моноэнергетическому излучению. Это обу­ словлено тем, что для такой системы все вектора лежат в одной плоскости [284].

139