Устройство для регистрации ионизирующих излучений

Устройство для регистрации ионизирующих излучений

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ, содержащее выполненные из полупроводниковых сое динений сцинтиллятор и фотоприемник, отличающееся тем, что, с целью повышения чувствительности и надежности устройства, фотоприемник интегрально выполнен на материале сцинтиллятора в виде слоя твердого раствора соединения .А , причем толдина слоя составляет 200-300 длин волн излучения сцинтиллятора.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)л G 01 Т 1/20

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) (21) 2742509/25 (22) 26.03.79 (46) 23.01,93. Бюл. tià 3 (72) В.Д.Рыжиков и О.П.Вербицкий (56) Заявка ФРГ Р 164764, кл. С 01 Т 1/24, 1977.

Патент ГДР h 119880, кл. G 01 Т 1/24, опублик. 1976, I.Е. Bateman, Hucl Just add Methods, v, 71, р. 261 †2 (прототип).

Изобретение относится к области регистрации и измерения интенсивности I5 -излучений, корпускулярных и космических излучений, рентгеновских лучей, а также измерения плотности нейтронов с помощью детекторов и может найти применение в устройствах для регистрации этих излучений.

Широкое использование приемных устройств для регистрации ионизирующих излучений в космической и ядерной промышленности, в медицине и,геологии, а также в специальных отраслях народного хозяйства предъявляет повышенные требования к дальнейшему улучшению чувствительности и надежности рработы таких устройств.

Известны два типа подобных устройств, использующих различные принципы работы. Это полупроводниковые и сцинтилляционные детекторы ионизирующих излучений. В конечном итоге каждое из этих устройств на выходе должно обеспечить изменения электричес„„SU „„766294А1 (54) (57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ

ИОНИЗИРУЮЦИХ ИЗЛУч ЕНИЙ, содержащее выполненные из полупроводниковых соединений сцинтиллятор и фотоприемник, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения чувствительности и надежности устройства, фотоприемник интегрально выполнен на материале сцинтиллятора в виде слоя твердого раствора соединения А" В, причем

vi толцина слоя составляет 200-300 длин волн излучения сцинтиллятора. кого тока или напряжения, пропорцио нальные интенсивности (или энергии) ионизирующего излучения, что позволяет выход устройства согласовать со входом стандартных электроизмеритель ных приборов. Каждое из известных устройств имеет свои достоинства и недостатки.

В полупроводниковых детекторах принцип действия основан на фотопроводимости — изменении сопротивления детектора под действием ионизирующе,го излучения.

Это позволяет подключать измерительный прибор с источником напряжения непосредственно к выходу детектора и создавать надежные мало га ба ритные устройства для регистрации ионизирующих излучений.

Однако существенным недостатком полупроводниковых детекторов и устройств на их основе является низкая, по сравнению со сцинтилляционными детекторами, чувствительность. Этот не 766294 (3), к„=к+о

45 где gE, Ж- энергия и волновой вектор испускаемого электроном фотона, уносящего избыток поглощенной электроном энергии. В этом устройстве проводи- мость кристалла повышается на б =

= Ьп е р. Однако и в этом устройстве и + dn «N, так как не все возбужденные электроны попадают в зону проводимостии °

Достоинством полупроводниковых детекторов является их малый вес (100 г 55

1 без усилителя) и габариты ф 5х4 см, однако диапазон применения ограничен низкой эффективностью регистрации. (4), достаток заложен в самом принципе работы устройства. Работа устройства заключается в том, что ионизирующее излучение, поглощаясь в кристалле, 5 переводит электроны в возбужденное состояние. При этом часть и от общего числа N возбужденных электронов переходит в зону проводимости, что обеспечивает изменение проводимости кристалла G = n е М, где е — заряд электрона; >ц — подвижность.

В полупроводниковых детекторах всегда и (< N, так как переход электрона в зону проводимости происходит только при выполнении законов сохранения энергии и импульса, т.е. условий: !

Е = Е = Е (1); К,„= К (2)

20 где Е>, К - энергия и волновой вектор падающих фотонов, hE, К - энергия и. волновой векl

rop возбужденного электрона, 25

E g — ширина запрещенной зоны, Условия (1, 2) описывают "прямойн переход возбужденного электрона в зону проводимости.

Известно устройство, в котором в ЭО отличие от известных и-и детекторов повышена чувствительность регистрации за счет выбора полупроводника с такой структурой валентной и запрещенной зон, при которой осуществляется не только "прямой", но и "косой" переход электронов в зону проводимости. <1ополнительное число электронов >,п, попадающих в зону проводимости, удовлетворяет условиям: . О

Известные сцинтилляционные детекторы имеют существенно более высокую эффективность регистрации по сравнению с полупроводниковыми, благодаря чему они нашли более широкое применение, в сцинтилляционных детекторах ионизируюцее излучение, поглощаясь в кристалле, переводит электроны в возбужденное состояние. Возвращаясь в исходное состояние, часть и общего числа N возбужденных электронов излучает поглощенную энергию в видимом диапазоне. При этом n «< N, так как ограничения для данного случая отсугствуют. Энергия частиц ионизирующего первичного излучения настолько высока, что ках<дая частица. может перевести в возбужденное состояние более одного электрона, т.е. число частиц падающего излучения и квантовый выход сцинтиллятора может превысить 1003, а эффективность его излучения достигает 30 - 40%.

Кристалл сцинтиллятора имеет габариты и вес, соизмеримые с габаритами и весом кристалла полупроводникового детектора. ОднаКо, в отличие от полупроводникового детектора, измерительный прибор., регистрирующий изменение электрических параметров, не может быть подключен прямо к кристаллу сцинтиллятора и необходимо использование промежуточного фотоприемного устройства.

Приемник фотоизлучения, в качестве которого обычно используют фотоумножители (ФЭУ)„ обеспечивает преобразование энергии светового излучения в импульсы тока или напряжения. Его использование усложняет конструкцию и понижает ее надежность„ Сам ФЭУ является достаточно сложным элементом, для его работы необходимо иметь ряд источников питания, в том числе высо" кого (до 1-1,5 кВ) напряжения.

Ближайшим к заявляемому является устройство для регистрации ионизирующих излучений, содержащее выполненные из полупроводниковых соединений сцинтиллятор и фотоприемник. В этом устройстве в качестве приемника фотоизлучения используют фотодиод.

Использование Фотодиода взамен

ФЭУ панин<ает вес устройства с источниками питания от нескольких деся ков килограмм до нескольких сот грамм. При этом значительно расширяются возможности использования таких

6294 6

5 76 устройств за счет упрощения конструкции. Например, они могут быть использованы в медицине и других отраслях для создания мозаичных экранов из нескольких десятков и сотен сцинтилляторов, в которых использование системы сцинтиллятор - ФЭУ невозможно из принципиальных соображений. Между тем, создание таких экранов необходимо для развития нового поколения устройств, существенно ускоряющих научно-технический прогресс.

В .качестве полупроводниковых фотоприемников в этих устройствах обычно используют кремниевые фотодиоды, максимум фоточувствительности которых приходится на 900 нм, а в качестве сцинтилляторов - монокристаллы

CsI:Te из соединений А В" или CdS:

:Te из соединений А" В . Максимум спектра излучения их приходится на

560 и 700-730 нм соответственно, он значительно смещен относительно максимума фоточувствительности приемника, что ухудшает эффективность регистрации светового излучения.

Большим недостатком всех известных устройств, включающих систему сцинтиллятор-фотоприемник, является необходимость оптического согласования излучающего и принимающего свет элементов, а также их механическое соединение. Эти недостатки в равной мере присущи системе сцинтилляторФЭУ и сцинтиллятор - Фотодиод.

Описанные устройства имеют еще и тот недостаток, что максимум спектра излучения сцинтиллятора практически никогда не совпадает с максимумом спектра чувствительности фотоприемника, что приводит к дополнительному заметному снижению чувствительности устройства.

Целью изобретения является получение интегральной конструкции и повышение чувствительности устройства для регистрации ионизирующих излучений, а также повышение надежности устройства, его стойкости к механическим, температурным и климатическим воздействиям при одновременном уменьшении

его габаритов и веса, Поставленная цель достигается тем, что в известном устройстве для регистрации ионизирующих излучений, содержащем сцинтиллятор и фотоприемник, частью которого является фотоприемный элемент, спектр возбуждения фотопроволимости которого соответствует спектру излучения сцинтиллятора, Фотоприемный элемент интегрально выполнен на материале сцинтиллятора в виде слоя твердого раствора соединений

А" В толщиной ?00-300 длин волн излучения сцинтиллятора » „, частью которого является подслой 1, причем

31 „з, 1 = 10 — 100Ы, где — длины волны регистрируемого

»ь излучения, 1 — толщина подслоя.

В качестве сцинтиллятора установ- . ч лен кристалл соединений А В с изовалентным активатором, например СЙБ:

:Те, CdS:Hg, ZnS:Те, ZnS:Òå„ CdSe:Те в качестве фотоприемника использован материал на основе соединений А В

Yl фоточувствительный в области максимума излучения сцинтиллятора, а соединение сцинтиллятора с фотоприемником выполнено в виде твердого раствора обоих материалов, материал фотоприемника подбирается таким образом, чтобы максимум его спектра фотопроводимости был близок к максимуму спектра излучения сцинтиллятора. 8 табл. 1 приведены соответствующие параметры этих материалов л указан рекомендуемый подбор пар сцинтилля-;ор-фоiîïðèåìíèê.

Блок-схема предла гаемого устройства представлена на Фиг. 1.

Сцинтиллятор 1 через слой 2 твер" дого раствора сцинтиллятора и Фотоприемника соединен с кристаллом 3 фо" топриемника.

Элементом 4 фотоприемника является подслой твердого раствора толщиной

1 (Ы((1}. Через контакты Б фотоприемник, состоящий из слоя 2 твердого раствора (частью которого является подслой этого слоя — элемент фотоприемника 4) и кристалла 3 фотоприемника, соединен с измерительным прибором 6. Толщина подслоя 4 выбрана из зависимости Ь1 = 2 - 3h» . Топщина соединяющего слоя 2 в 10-100 раз превышает толцину подслоя 4.

На фиг. 2 приведены спектральные характеристики излучения сцинтиллятора (кривая 1), проводимости фотоприемника (кривая 2) и проводимости подслоя 4 твердого раствора (кривая 3).

Благодаря полному согласованию спектральных характеристик излучения сцинтиллятора и фотопроводимости фотоприемника потери при преобразовании световой энергии в электрическую в предложенном устройстве практически

766294

Сцинтиллятор

Максимум спектра излучения, нм

440

CdSe

CdS;Те

CdS:Ня

CdSe

1000

CdTe

460

CdS

ZnS:Ар .

ZnSe отсутствуют, что ранее не могло быть достигнуто в известных устройствах.

Предлагаемое устройство работает слепующим образом. Радиационное излучение А попадает на кристалл сцинтиллятора 1, поглощается в его объеме, возбужаая в кристалле световое излучение В. Кванты световой энергии, значение которой для каждого из пред- )p лагаемых сцинтилляторов лежит вблизи значения, указанного в табл. 1, распространяются в объеме кристалла, отражаясь от торца и боковых поверхностей, и проникают в сло" тверд,ого раI створа 2, где и происходит поглощение (в подслое 4) при х, обеспечивающем совпадение максимумов фотопроводимости приемника и спектра излучения сцинтиллятора. Низкоэнергетйчес- gQ кий хвост излучения проникает вглубь фотоприемника и поглощается там по его толщине при хo у х О. Изменение

Фотопроводимости регистрируется измерительным прибором б. 25

В предлагаемом устрой тве осуществляется двухступенчатое преобразование энергии. Вначале радиационное излучение, взаимодействуя с материалом сцинтиллятора, преобразуется в дп световое. Эффективность этого преобразования в соединениях А В" соси ч тавляет 20-403, т. е. не уступает лучшим из известных, например NaI:71.

На втором этапе световое излучение .Я сб поглощает ся Фотоприемным устрой c TBoM.

Эффективность этого преобразования благодаря подбору фотоприемника из соответствующего монокристалла соединений А В и соединения его слоем твердого раствора со сцинтиллятором близка к 1003. Наличие слоя твердого раствора толщиной 5-!50 мкм обеспечивает отсутствие отражений от границы сцинтиллятор-Фотоприемник и повышение чувствительности фотоприемника (частью которого является слой твердого раствора).

Таким образом предлагаемое устройство по принципу работы отличается от всех ранее известных. Граница между сцинтиллятором и фотоприемником из пассивного элемента превратилась в активный, в котором происходит основное.преобразование энергии светового излучения в электрическую. Одновременно этот элемент (слой твердого раствора) обеспечивает интегральность конструкции и устраняет все элементы, служащие для механической фиксации сцинтиллятора относительно фотоприемника.

3а счет использования слоя твердого раствора на границе сцинтиллятор-Фотоприемник полностью устраняютcR потери на паразитное поглощение и отражение в световом тракте, достигается полное согласование спектральных-.: характеристик излучения сцинтиллятора и фотопроводимости приемника. Это повышает чувствительность устройства, упрощает его конструкцию, повышает ее надежность, механическую прочность, стойкость к температурному и климатическому воздействию.

В предлагаемом устройстве за счет принципиально нового решения достигнуто сочетание высокой чувствительности, характерной для сцинтилляторов, с малыми габаритами (3х1,5 см) и весом (30 г), характерными для полупроводниковых детекторов. Наряду с этим предлагаемое устройство лишено недостатков обоих типов известных устройств, обусловленных принципом их работы.

Испытания подтвердили высокие надежность, термо- и вибропрочность устройства.

Таблица!

Фотопри- Иаксимум спектра емник фотопроводимости, нм

766294

Продолжение табл. 1

900 .

1000

ЕпЯ:Те

1000

CdSe

CdTe

1000

CdS

ZnSe:Те

CdSe

ZnSe-.Òå

CdTe

1 000.

CdSe!Te

CdTe

CdSe3Hp

CdTe

1000

Регистри- Чувствит. руемая устройства аппарату- (выход), ра вольт

Чувствит. устройства

Усилитель

Сцинтиллятор

Источник возбуждения

Приемник фотоизлучения (см) =100 в

0 Зв

=10=

10в

1 в

Е6 3А

Щ = 1412 (цифр. вольтм) 0,4 в

2. ФЭУ-79

УРС-0,02

У2-6А Щ 1412 коэф.усил. (цифр.

10 вольтм.) отсутств. Е6-ЗА

3. ФЭУ-17к отсутств. отсутств.

1. Слой непрерывного раствора (предлагаем.) УРС-0,02 отсутств

УРС-60

УРС-0,02 усилит.

СДЛ-1 коэфф.усил.

Табли ца 2

Габари-, вес ты устройства

3 ф 3х1,5 30 r.

300

30х70х110 25 кг.с усилителем и питание отсут. ф 5 4 l 00 r без усилий отсут.

766294

900 Л,ии

Составитель

Редактор Т.Шарганова Техред М.Иоргентал Корректор Л.Пилипенко

Заказ 1088 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, N(-35, Раушская наб., д„ 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101