Устройство для регистрации ионизирующих излучений — SU 766294 (original) (raw)
Бюл, У 3в и О,П.ВербицкийГ Е 161761,1977.Ьф 119880,опублик. 1976,Нис 1 Зиз аМ Ме26 1 в 2 (прототип) ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОВЕДОМСТВО СССРГОСПАТЕНТ СССР) Изобретение относится к области регистрации и измерения интенсивности -излучений, корпускулярных и космических излучений, рентгеновских лучей, а также измерения плотности нейтронов с помощью детекторов и может найти применение в устройствах для регистрации этих излуцений,Широкое использование приемных устройств для регистрации ионизирующих излучений в космической и ядерной промышленности, в медицине и,гео логии, а также в специальных отраслях народного хозяйства предъявляет повышенные требования к дальнейшему улучшению чувствительности и надежности работы 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(5 Ц)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИИОНИЗИРУЮЦИХ ИЗЛУЧЕНИЙ, содержащеевыполненные из полупроводниковых соединений сцинтиллятор и фотоприемник,о т л и ц а ю щ е е с я тем, что, сцелью повышения чувствительности инадежности устройства, фотоприемникинтегрально выполнен на материалесцинтиллятора в виде слоя твердогораствора соединения А" В , прицемчтолцина слоя составляет 200-300 длинволн излучения сцинтиллятора. кого тока или напряжения, пропорциональные интенсивности (или энергии)ионизирующего излучения, что позволяет выход устройства согласовать совходом стандартных электроизмеритель ных приборов. Каждое из известныхустройств имеет свои достоинства инедостатки,В полупроводниковых детекторахпринцип действия основан на фотопроводимости - изменении сопротивлениядетектора под действием ионизирующе,го излучения.Это позволяет подключать измерительный прибор с источником напряжения непосредственно квыходу детектора и создавать надежные малогабаритные устройства для регистрации ионизирующих излучений.Однако существенным недостаткомполупроводниковь)х детекторов и устройств на их основе является низкая,по сравнению со сцинтилляционными детекторами, цувствительность. Этот не(3),к =кза45где вЕ, Ж- энергия и волновой векториспускаемого электроном Фотона, уносящего избыток поглощенной электрономэнергии. В этом устройстве проводи-мость кристалла повышается на Ьб == вп е 1 ц. Однако и в этом устройствеп + впБ, так как не все возбужденные электроны попадают в зону проводимост и,Лостоинством полупроводниковых детекторов является их малый вес (100 г 551без усилителя) и габариты ф 5 к 4 см,однако диапазон применения ограниченнизкой эффективностью регистрации,(4),достаток заложен в самом принципе работы устройства, Работа устройствазаключается в том, что ионизирующееизлучение, поглощаясь в кристалле,переводит электроны в возбужденноесостояние. При этом часть и от общего числа Б возбужденных электроновпереходит в зону проводимости, чтообеспечивает изменение проводимостикристалла б = и е/й, где е - зарядэлектрона; р - подвижность.В полупроводниковых детекторахвсегда иИ, так как переход электрона в зону проводимости происходит 15только при выполнении законов сохранения энергии и импульса, т,е, условий:Е =Е = Е (1); К, = К (2)20где Е , К - энергия и волновой вектор падающих Фотонов,ЕЕ, К - энергия и волновой вектор возбужденного электрона,25Е- ширина запрещенной зоны,.Условия (1, 2) описывают "прямойнпереход возбужденного электрона в зону проводимости,Известно устройство, в котором в 3 Оотличие от известных и-и детекторовповышена чувствительность регистрации за счет выбора полупроводника стакой структурой валентной и запреценной зон, при которой осуществляется не только "прямой", но и "ко"сой" переход электронов в зону проводимости, Дополнительное число электронов п, попадающих в зону проводи"мости, удовлетворяет условиям: Известные сцинтилляционные детекторы имеют существенно более высокуюэффективность регистрации по сравнению с полупроводниковыми, благодарячему они нашли более широкое применение, в сцинтилляционных детекторахионизирующее излучение, поглощаясь вкристалле, переводит электроны в возбужденное состояние, Возвращаясь висходное состояние, часть п общегочисла М возбужденных электронов излучает поглощенную энергию в видимомдиапазоне. При этом и ( М, так какограничения для данного случая отсутствуют. Энергия частиц ионизирующегопервичного излучения настолько высока, что каждая частица. может перевести в возбужденное состояние более одного электрона, т.е, число частиц падающего излучения и квантовый выходсцинтиллятора может превысить 100/,а эффективность его излучения достигает 30 - 40/,Кристалл сцинтиллятора имеет габариты и вес, соизмеримые с габаритами и весом кристалла полупроводникового детектора. ОднаКо, в отличие отполупроводникового детектора, измерительный прибор, регистрирующий изменение электрических параметров, неможет быть подключен прямо к кристаллу сцинтиллятора и необходимо использование промежуточного фотоприемногоустройства.Приемник фотоизлучения, в качестве которого обычно используют Фотоумножители (ФЭУ) обеспечивает преобразование энергии светового излученияв импульсы тока или напряжения, Егоиспользование усложняет конструкциюи понижает ее надежность Сам ФЭУ является достаточно сложным элементом,для его работы необходимо иметь рядисточников питания, в том числе высо"кого (до 1-1,5 кВ) напряжения.Ближайшим к заявляемому являетсяустройство для регистрации ионизирующих излучений, содержащее выполненные из полупроводниковых соединенийсцинтиллятор и фотоприемник, В этомустройстве в качестве приемника Фотоизлучения используют Фотодиод.Использование Фотодиода взаменФЭУ понижает вес устройства с источниками питания от нескольких десяков килограмм до нескольких сотграмм. При этом значительно расширя.ются возможности использования таких6294 6 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 5 76устройств за счет упрощения конструкции, Например, они могут быть использованы в медицине и других отраслях для создания мозаичных экрановиз нескольких десятков и сотен сцинтилляторов, в которых использованиесистемы сцинтиллятор - ФЭУ невозможноиз принципиальных соображений. Междутем, 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 - монокристаллыСя 1:ТЕ из соединений А В"ф или СдБ;:Те. из соединений А" В . Максимумспектра излучения их приходится на560 и 700-730 нм соответственно, онзначительно смещен относительно максимума фоточувствительности приемника, что ухудшает эффективность регистрации светового излучения.Большим недостатком всех известных устройств, включающих системусцинтиллятор-фотоприемник, являетсянеобходимость оптического согласования излучающего и принимающего светэлементов, а также их механическоесоединение. Эти недостатки в равноймере присущи системе сцинтилляторФЭУ и сцинтиллятор - Фотодиод,Описанные устройства имеют еще итот недостаток, что максимум спектраизлучения сцинтиллятора практическиникогда 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 длярегистрации ионизирующих излучений, атакже повышение надежности устройства, его стойкости к механическим,температурным и климатическим воздействиям при одновременном уменьшенииего габаритов и веса,Поставленная цель достигается тем,что в известном устройстве для регистрации ионизирующих излучений, содержащем сцинтиллятор и Фотоприемник,частью которого является Фотоприемныйэлемент, спектр возбуждения фотопроволимости которого соответствуетспектру излучения сцинтиллятора, Фотоприемный элемент интегрально выполнен на материале сцинтиллятора в виде слоя твердого раствора соединенийА" Втолщиной ОО"300 длин волн излучения сцинтиллятора д , частью которого является подслой Ь 1, причем61 = 2 - 3 з, 1 = 1 О - 1 ООЫ, где- длины волны регистрируемогоиьинизлучения, 111 - толщина подслоя.В качестве сцинтиллятора установ" .и Член кристалл соединений А В с изовалентным активатором, например СЙБ;;Те, Сс 1 Я:Ня, ЕпБ:Те, ЕпБ:Те СЙЯе:Тев качестве фотоприемника использованматериал на основе соединений А В1фоточувствительный в области максимума излучения сцинтиллятора, а соединение сцинтиллятора с фотоприемникомвыполнено в виде твердого раствораобоих материалов, материал фотоприемника подбирается таким образом, чтобымаксимум его спектра фотопроводимостибыл близок к максимуму спектра излучения сцинтиллятора, В табл. 1 приведены соответствующие параметры этихматериалов л указан рекомендуемыйподбор пар сцинтиллятор"фотоприемник,Блок-схема предлагаемого устройствапредставлена на Фиг, 1.Сцинтиллятор 1 через слой 2 твер"дого раствора сцинтиллятора и фотоприемника соединен с кристаллом 3 фотоприемника,Элементом 4 Фотоприемника является подслой твердого раствора толщиной1 (Ы 1). Оерез контакты 5 Фотоприемник, состоящий из слоя 2 твердогораствора (частью которого являетсяподслой этого слоя - элемент Фотоприемника 4) и кристалла 3 фотоприемника, соединен с измерительным прибором 6. Толщина подслоя 4 выбрана иззависимости Ы = 2 - 3 Ф , Топщинасоединяющего слоя 2 в 10-100 раз превышает толцину подслояНа Фиг, 2 приведены спектральныехарактеристики излучения сцинтиллятора (кривая 1), проводимости фотоприемника (кривая 2) и проводимости подслоя 4 твердого раствора (кривая 3).Благодаря полному согласованиюспектральных характеристик излучениясцинтиллятора и фотопроводимости Фотоприемника потери при преобразованиисветовой энергии в электрическую впрелложенном устройстве практически76 б 294Сцинтиллятор Максимум спектраизлучения, нм 700 700 1000 490 440 Сс Бе СЖ;Те СЫ:НВ СдБе 7301000 СЙТе 510 4 бО 2 пБ:Ар. 2 пЯе отсутствуют, цто ранее не могло быть постигнуто в известных устройствах,Предлагаемое устройство работает слепующил 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 О лагаемых сцинтилляторов лежит вблизи значения, указанного в табл. 1, распространяются в объеме кристалла, отражаясь от торца и боковых поверхностей, и проникают в слой твердого раствора 2, где и происходит поглощение (в подслое 4) при х, обеспечивающем совпадение максимумов Фотопроводимости приемника и спектра излучения сцинтиллятора. Низкоэнергетйческий хвост излуцения проникает вглубь Фотоприемника и поглощается там по его толщине при х 0 х " О. Изменение Фотопроводимости регистрируется измерительным прибором б. 25В предлагаемом устрой тве осуществляется двухступенцатое преобразование энергии, Вначале радиационное излучение, взаимодействуя с материалом сцинтиллятора, преобразуется в до световое. ЭФФективность этого преобразования в соединениях А В" соси ч тавляет 20-403, т.е. не уступает лучшим из известных, например Ма 1:Т 1, На втором этапе световое излуцение.Р сГ поглощается Фотоприемным устройством,Эффективность этого преобразования благодаря подбору Фотоприемника из соответствующего монокристалла соединений А Вф и соединения его слоем твердого раствора со сцинтиллятором близка к 1003. Наличие слоя твердого раствора толщиной 5-150 мкм обеспечивает отсутствие отражений от границы сцинтиллятор-Фотоприемник и повышение чувствительности Фотоприемника (частью которого является слойтвердого раствора),Таким образом предлагаемое устройство по принципу работы отличаетсяот всех ранее известных, Граница между сцинтиллятором и Фотоприемникомиз пассивного элемента превратиласьв активный, в котором происходит основное.преобразование энергии светового излучения в электрическую. Одновременно этот элемент (слой твердого раствора) обеспечивает интегральность конструкции и устраняет всеэлементы, служащие для механическойФиксации сцинтиллятора относительноФотоприемника.За счет использования слоя твердого раствора на границе сцинтиллятор-Фотоприемник полностью устраняются потери на паразитное поглощениеи отражение в световом тракте, достигается полное согласование спектральных-, характеристик излучения сцинтиллятора и Фотопроводимости приемника. Это повышает чувствительностьустройства, упрощает его конструкцию,повышает ее надежность, механическуюпрочность, стойкость к температурному и климатическому воздействию.В предлагаемом устройстве за счетпринципиально нового решения достигнуто соцетание высокой чувствительности, характерной для сцинтилляторов, с малыми габаритами (3 к 1,5 см)и весом (30 г), характерными для полупроводниковых детекторов, Наряду сэтим предлагаемое устройство лишенонедостатков обоих типов известныхустройств, обусловленных принципом ихработы,Испытания подтвердили высокие надежность, термо- и вибропрочностьустройства.Таблица 1 фотопри- Иаксимум спектра емник Фотопроводимости, нм(см) е Источнивозбуждения Приемникфотоизлуцения цинилятор ра766294 Составител Техред М.М орректор Л,Пилипенко дактор Т.Шарга ал каз 1008 ТиражПодписноеИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СС113035, Москва, Ж-З 5, Раушская наб., д 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул. Гагарина, 1