Полупроводниковый детекторионизирующих излучений

Полупроводниковый детекторионизирующих излучений

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Союз Советскик

Социалистических

Республик

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (ii) 70142 7 (61) Дополнительное к авт. свид-ву(22) Заявлено 200378 (21)2592035/18-25 с присоединением заявки ИЮ (23) Приоритет

Опубликовано 3007„81. Вюллетень 89 28

Дата опубликования описания 30,0781 (51)М, Кл.

Н 01 1. 31/02

Государственный комитет

СССР но делам изобретений и открытий (53) УДК62 1. 315.

592(088 8) (72) Авторы изобретения

В. Ф. Воронов, 10. И. Кожу нов и В. A. Предеи н

P1) Заявитель (54) ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДЕТЕКТОР ИОНИЗИРУКЩИ

ИЗЛУЧЕНИЙ

I»

Изобретение относится к приборам для физических измерений, в частности к полупроводниковым детекторам ионизирующих излучений, работающим в токовом режиме и иснользуеьым для измерения временных параметров импульсных потоков излучения нано- и субнаносекундного диапазонов длительностей.

Детекторы, работающие в нано- и ,субнаносекундном диапазонах, характеризуются высоким временным разрешением, которое определяется шири- . ной импульсной характеристики детектора на уровне 0,5,обычно эта характеристика несимметрична и ширина ее на уровне 0,5 составляет

@ 0Ð ™„++At V). где асс -йнтервал времени, оттределяемый временем сбора неравно- весных носителей,образующихся в рабочем объеме чувствительного элемента детектора, 25 ас -интервал времени, определяе- 2 кс ьый постоянной времени RC=. цепи на выходе детектора (Rсопротивление нагрузки цепи разряда, С вЂ” емкость чувствительного элемента)..

С

Время сбора неравновесных носителей определяется выражением .где d - толщина рабочей области чувствительного полупроводникового элемента детектора

V - скорость перемещения неравновесных носителей, которая не превышает,» 10> м/сек.

Временное разрешение детектора можно улучшить, уменьшая A > то есть уменьшая d .и С. Емкость чувствительного элемента обратно пропорциональна толщине d и прямо пропорциональна площади чувствительного элемента S - C S/d и, следовательнор. необходимо уменьшать S. Однако с уменьшением площади 5 уменьшается чув» ствительность детектора, которую мож но уменьшать только до некоторого предела, определяемого чувствительностью регистрирукшей аппаратуры (в частности, осциллографические ре-. гистраторы, используемые в основном при проведении физических экспериментов, характеризуются сравнительно низкой чувствительностью) °

Временное разрешение детектора значительно ухудшается, если s егО остав входит кабельная линия связи

701427 для передачи сигнала на значительные расстояния, что необходимо при про, ведении ряда физических экспериментов. Как известно, кабельная линия связи имеет ограниченную полосу пропускания и при передаче импульсов нано- и субнаносекундного диапазойов длительностей происходит значитель ное искажение их даже прн использовании широкополосных кабелей.

Известен многоэлементный полупроводниковый детектор, обладающий высокой чувствительностью, складывающейся из чувствительностей отдельных элементов, и приемпемым временным разрешением, определяемым временным разрешением отдельного элемента (11. 15

Чувствительные элементы детектора представляют собой отдельные полупроводниковые диоды, изолированные друг от друга.

Недостатком этого детектора является сложность технологии изготовления и малая надежность, так как в интенсивных полях нарушается изоляция между элементами, к тому же временное разрешение определяется временным разрешением отдельного элемента.

Ближайшим к заявляемому является полупроводниковый детектор ионизирующих излучений, содержащий полупроводниковый чувствительный элемент и подключенную к нему кабельную линию связ и (2) .

Конструктивно детектор выполнен таким образом, что корпус имеет коаксиальный разъем, к которому подключена коаксиальная кабельная линия З5 связи для подачи напряжения питания на чувствительный полупроводниковый

{кремниевый р-i-n структуры) элемент и снятия полезного сигнала.

Максимальное временное разрешение щ детектора без учета кабельной линии может составлять О,B нс при чувствительности 5 ° 10 †„ ° В типовых физических экспериментах кабельная линия имеет обычно длину 100 м. При этом за счет искажения при передаче, по кабельной линии (кабель типа PK75-9-12) коротких импульсов и временное разрешение ухудшается до 1,0 нс.

При такой чувствительности детектора сигналы могут быть зарегистрированы скоростными регистраторами (например С7-10) лишь при потоках излучения более 10 М/с. Получение таких импульсных потоков в лабораторных условиях представляет большие 55 трудности.

Целью изобретения является увеличение временного разрешения и чувствительности детектора.

Для достижения указанной цели в @ полупроводниковом детекторе, содержащем полупроводниковый чувствительный элемент и подключенную к нему кабельную линию связи, к выходу чувствительного элемента параллельно ему подключен конденсатор, а к выходу кабельной линии связи подключен короткозамкнутый отрезок кабеля, причем величина емкости конденсатора С длина (короткозамкнутого отрезка кабеля и толщина d чувствительного элемента удовлетворяют соотношению

PC>)4 )y, <( ч где P — волновое сопротивление кабельной линии, t - длительность импульса излуИ чения;

Ч - скорость распространения поля в кабельной линии связи

Ч вЂ” скорость перемещения неравновесных носителей.

На фиг. 1 представлена конструкция-детектора. Она состоит из полупроводникового чувствительного элемента

1, соединенного с широкополосной кабельной линией 2, к точке соединения которых параллельно элементу 1 подкгпочен конденсат ор 3, к выходу кабельной линии 2 подключен короткозамкнутый отрезок кабеля 4.

На фиг. 2 представлена эквивалентная схема детектора. Полупроводниковый чувствительный элемент 1 на основе кремния представлен в виде источника тока, емкости С и емкости

С р Волнового сопротивления Я ка» бельной линии 2 и короткозамкнутого отрезка кабеля 4 °

Детектор работает следующим образ ом.

Излучение возбуждает в чувствительном элементе 1 импульс тока i (t$ который заряжает суммарную емкость

С, = С + С - С„, где С„„- емкость монтажа, B результате на вход кабельной линии 2 поступает импульс Г(с), который в общем виде описывается выражением

0) I{X)/{4- (:М С, (g) где g (с) - импульсная характеристика чувствительного элемента 1 и конденсатора 3.

Импульсная харак т ери сти к а сист еьы при выполнении условия

РС„>) (3) где т и — длительность исследуемого импульса излучения, может быт ь записана в следующем виде:

A,i„î„-,О ) 1рс, о где А - время сбора электронов;

t g — время сбора дырок, Мн — подвижность электронов „

4p — подвижность дырок;

A — константа.

70 1427

На фиг. 3 представлена импульсная характеристика системы. Анализ выражения (4 ) показывает, что эта характеристика имеет крутой фронт, определяемый временем сбора наиболее медленных носителей, крутизна которого меняется н точке с4, и практи-. чески независяшую от времени вершину по сравнению с длительностью им= пульса.

Время сбора носителей уменьшается с увеличением кх скорости, которая з ависит от напряженности электркческ ого поля, приложенного к полупроводниковому чувствительному элементу. Прк напряженностях 104-10 В/см скорост ь достигает максимальной н еличкны, конкретно определяемой материалом полупроводникового чувствительного элемента к составляет в среднем 10 см/с, Время сбора электро7 нон и дырок,. определяемое толщиной 20 чувствительного элемента при таккх

I ллапряженностях практически одинакоЙо и сравнительно невелико. Для сигналон длительностью r. удовлетворяющей с оот н оше ни ю 25 р ((P

О t О

9(с) (6) ЗО

А4 t )0

Тогда сигнал на входе кабельной ли нки 2 будет о

g (C и Г t < ср (7) 35 2 ) су

Далее импульс напряжения F (с ) по кабельной линии 2 поступает на короткозамкнутый отрезок кабеля 4, Частотная характеристика сигнала F (t) согласно (7) является более узкополосной, по сравнению с частотной характеристикой исследуемо-.î импульса

1 (с ), следовательно, прк передаче его по кабельной линии 2 он будет искажен значительно меньше. В точке от- 45 ветвления короткозамкнутого отрезка кабеля 4 сигнал раздваивается и половина отражается от его короткозамкнутого конца, меняя полярность без из менения амплитуды, и воз вращает- 5О ся к точке ответвления с задержкой

ЬсЪ = 22/Vy, где с — длина короткозамкнутого отрезка 4 р. скорость распространения по- 55 ля в кабеле.

В результате в точке ответвления происходит сложение сигналов одинаковой амплитуды, разной полярности, задержанных друг относительно друга на времякс 7, и на выход идет сигнал g

y(g) = $F (++K% )-с-(Ц) - -- g «1 Y)at t =tv

О -с- +.и

В соответствии с теоремой о сррянем интегральная функция в ограниченном интервале может быть представлена в виде и(с) = А1(сер) ьс (с 4 си) где

tz>- момент времени в интервале с с + At, а для малых интервалов t 3 (9) эта функция будет иметь вид

Ag — . E (t)gc

2 с с сс1 (10) w(t) =

Таким образо си м, если принять.все приведенные выше;допущения-, форма сигнала на выходе будет повторять форму импульса излучения. Уточним, далее, с какой степенью приближения могут быть соблюдены указанные выше условия и, следовательно, выполнена зависимость (10 ) . Рассмотрим возможность соблюдения условия (5 ). Время сбора носителей заряда н полупроводниковом чувствительном Элементе с

= RID составляет примерно 0,1 нс для полупроводниковой пластины толщиной.

10 мкм (минимальная толщина иэ условий технологичности изготовления) и максимальной скорости перемещения носителей 10 см/с длительность импульсов излучения с составляет от 1 до.

2 нс, постоянная времени р Со может быть легко увеличена на порядок. с1л для стандартного широкополосного кабеля РК-75-9-12 с р = 75 ом при емкости Со = С + С < + С,ц = 300 пф больше 20 нс. Таким образом условие с (< ск (< p Co легко соблюдается.

Соблюдение условия (9) также нв представляет труда, так как для ка-, беля указанного выше типа ф=2 1цм/c

И прк 0= 2 см дtу составляет. 0,1 нс, что более чем на порядок меньше.

Так как всегда есть определенная степень приближения выполнениях тех или иных соотношений, импульсная характеристика системы "чувствительный элемент 1-конденсатор 3" практически всегда будет отличаться от ступеньки (соотношение (6 ) и иметь конечную длительность фронта, которая не превысит времени сбора носителей t (4) . Отсюда из выражения (8) следует что временное разрешение детектора определяется только временем сбора .. носителей, не зависит от емкости чувствительного элемента 1, фиг 4, где приведена импульсная характеристика, детектора предлагаемой конструкцйИ I составляет 0,1 нс.

Так как временное разрешвнйе де» тектора предлагаемой конструкт» йа зависит от емкости чувстнительнОго элемента, площадь его Q мажет Ййть увеличина, и следовательно, улучив» на чувствительность, KoTQpaH находят ся в прямой пропорциональной эавиок мости. Площадь чувствительного элаМая

701427

fO где у йц

Формула изобретения н регислргщ та ограничена размерами стандартных высокочастотных кабельных разъемов и для типового разъема СР-75-167П, имеющего максимальный диаметр, не превьыает 1 см .

Аналогичная площадь чувствительного элемента в детекторе-прототипе

Sл при максимально возможном временном разрешении (1.нс) и чувствительности (5 10 л Я „" равна 5л

5 ° 10 см . От йошейие площадей, определяющее отношение чувствительностей составит

Л вл ло

20.

Таким образом чувствительность предлагаемого детектора в двадцать раз превышает чувствительность детектора-прототипа при одновременном, улучшении временного разрешения примерно на порядок.

Полупроводниковый детектор ионизирующих излучений, содержащий па лупроводниковый чувствительный эле мент. и подключенную к нему кабельную

E линиюсвяэи, отли чающий ся тем, что, с целью увеличения чувствительности и временного разрешения, к выходу .чувствительного элемента параллельно ему подключен конденсатор, а к выходу кабельной линии связи подключен короткозамкнутый отрезок кабеля, причем величина емкости конденсатора С длина короткозамкнутого отрезка кабеля и толщина чувствительного элемента d удовлетворяет соотношениям волновое сопротивление кабельной линии связи> длительность импульса излучения, скорость распространения поля в кабельной линии связи, скорость перемещения неравновесных носителей.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент США 9 3564245, кл. 25083, опублик..1971.

2. Альбиков 3.A. и др. Кремниевый детектор субнаносекундного диапазона

ПТЭ, 9 1, 1977 с, 45 (прототип) .

701427

Составитель Б.Рахманов

Редактор Г. Прусова Техред Q. Ковалева,.Корректор С. Шекмар

Ю ЮФЮ

Подписное

Заказ 5805/42 Тирам 784

ВНИИПИ Государственного ксмитета СССР по делам изобретений и сткрьуий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб», д. 4/5 р..еч««»ю «ю«юмора«ю юю»»«

Филиал ППП "Патент", r. Уягород,. ул. Проектная, 4