Детекторы ионизирующего излучения: Детекторы частиц – Кафедра №40 “Физика элементарных частиц” НИЯУ МИФИ

Детекторы ионизирующих излучений сцинтилляционные. Метод измерения собственного и приведенного разрешения детектора – РТС-тендер

     
     ГОСТ 17038.6-79*

Группа Л95

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ СОЮЗА ССР

     

ОКП 26 5100

Дата введения 1980-01-01

Постановлением Государственного комитета СССР по стандартам от 27 апреля 1979 г. N 1592 срок введения установлен с 01.01.80

Проверен в 1984 г. Постановлением Госстандарта от 24.08.84 N 3008 срок действия продлен до 01.01.90**

________________

** Ограничение срока действия снято по протоколу N 4-93 Межгосударственного Совета по стандартизации, метрологии и сертификации (ИУС N 4, 1994 год). – Примечание изготовителя базы данных.

ВЗАМЕН ГОСТ 17038-71 в части разд.4 и 5

* ПЕРЕИЗДАНИЕ (февраль 1984 г.) с Изменениями N 1, 2, утвержденными в ноябре 1981 г.

, августе 1984 г. (ИУС N 1-82, 12-84).

ВНЕСЕНО Изменение N 3, утвержденное и введенное в действие Постановлением Государственного комитета СССР по управлению качеством продукции и стандартам от 25.09.89 N 2872 с 01.04.90

Изменение N 3 внесено изготовителем базы данных по тексту ИУС N 1, 1990 год

Настоящий стандарт распространяется на сцинтилляционные детекторы ионизирующих излучений (детекторы), в спектре которых имеется пик полного поглощения, и устанавливает метод измерения собственного и приведенного разрешения детектора.

Стандарт применяется совместно с ГОСТ 17038.0-79, ГОСТ 17038.2-79, ГОСТ 17038.5-79.

Стандарт соответствует СТ СЭВ 2668-80 в части альфа-, бета-, гамма- и рентгеновского излучения.

(Измененная редакция, Изм. N 1).

1.1. Аппаратура по ГОСТ 17038.5-79.

2.1. Собственное и приведенное разрешения детекторов гамма-излучения измеряют при возбуждении сцинтиллятора гамма-излучением цезия-137 или кобальта-57, детекторов бета-излучения – при возбуждении сцинтиллятора конверсионными электронами цезия-137 и детекторов альфа-излучения – при возбуждении сцинтиллятора альфа-излучением плутония-239, если другие источники ионизирующего излучения не оговорены НТД на конкретные типы детекторов.

2.2. Собственное разрешение () детектора вычисляют исключением собственного разрешения ФЭУ из амплитудного разрешения блока детектирования, в процентах, по формуле

,                                                         (1)

где – спектрометрическая постоянная ФЭУ;

– световой выход детектора.

2.3. Приведенное разрешение () детектора вычисляют пересчетом амплитудного разрешения блока детектирования с испытуемым детектором и используемым ФЭУ к нормализованному ФЭУ по ГОСТ 23077-78, в процентах, по формуле

,                                                   (2)

где – спектрометрическая постоянная нормализованного ФЭУ по ГОСТ 23077-78. Значение указывают в НТД на детекторы конкретных типов.

(Измененная редакция, Изм. N 3).

2.4. Световой выход детектора и амплитудное разрешение блока детектирования измеряют при возбуждении детектора ионизирующим излучением того вида и энергии, для которого определяют собственное и приведенное разрешение.

2.5. Измеряют световой выход детектора по ГОСТ 17038.2-79.

2.6. Измеряют спектрометрическую постоянную ФЭУ по ГОСТ 17038.5-79, используя тот же стандартный образец и источник ионизирующего излучения, что и при измерении светового выхода, если другой стандартный образец или источник не указаны в НТД на конкретные типы детекторов.

Если световой выход стандартного образца более чем в два раза превышает световой выход используемого детектора, измерение постоянной проводят, помещая между выходным окном стандартного образца и фотокатода ФЭУ поглотитель светового потока с известным коэффициентом поглощения . В этом случае значение вычисляют по формуле п.2.1 ГОСТ 17038.5-79 при , где – значение светового выхода стандартного образца, указанное в свидетельстве на него.

ФЭУ считают годным для проведения измерений, если значение спектрометрической постоянной не превышает предельно допустимого значения, указанного в НТД на конкретные типы детекторов.

В случае, если значение используемого ФЭУ отличается от не более чем на 15%, значение приведенного разрешения равно значению амплитудного разрешения блока детектирования.

(Измененная редакция, Изм. N 3

).

2.7. Детектор помещают на фотокатоде ФЭУ в оптическом контакте.

2.8. Измеряют амплитудное разрешение блока детектирования по ГОСТ 26652-85 и ГОСТ 17038.5-79.

Измерения проводят три раза.

(Измененная редакция, Изм. N 3).

3.1. Вычисляют среднее значение амплитудного разрешения блока детектирования результатов трех измерений.

3.2. По формуле (1) вычисляют значение собственного разрешения детектора.

Если значение собственного разрешения детектора менее 10,0%, результат округляют до двух значащих цифр; если более 10,0%, результат округляют до трех значащих цифр. Округление проводят по СТ СЭВ 543-77.

3.3. По формуле (2) вычисляют значение приведенного разрешения детектора.

Результат округляют, как указано в п.3.2.

Значение спектрометрической постоянной нормализованного ФЭУ приводится в НТД на конкретные типы детекторов.

3.2, 3.3. (Измененная редакция, Изм. N 2).

3.4. В случае, когда спектрометрическая постоянная ФЭУ определена с помощью стандартного образца того же типа, что и испытуемый детектор, и при их возбуждении ионизирующим излучением одного вида и энергии, допускается графическая обработка результатов с помощью специальной координатной сетки, на оси абсцисс которой отложены обратные значения светового выхода, а на оси ординат – квадраты значений амплитудного разрешения. В этом случае обработку результатов измерений по ГОСТ 17038.5-79 и измерений по настоящему стандарту объединяют и значение не вычисляют.

3.5. Собственное разрешение детектора с помощью вышеописанной координатной сетки определяют следующим образом. На оси ординат откладывают значение собственного разрешения стандартного образца; на сетку наносят точку с координатами (,)* и соединяют эти точки прямой (калибровочная прямая).

________________

* – световой выход стандартного образца;

– амплитудное разрешение блока детектирования со стандартным образцом.

На сетку наносят точку с координатами (, )* и проводят прямую, параллельную калибровочной. Отрезок, отсекаемый этой прямой на оси ординат, равен собственному разрешению детектора.

________________

* – световой выход испытуемого детектора;

– амплитудное разрешение блока детектирования с испытуемым детектором.

3.6. Приведенное разрешение детектора определяют аналогично определению собственного разрешения, но при построении калибровочной прямой на оси ординат откладывают значение приведенного разрешения стандартного образца, вычисленное по формуле

.                                                      (3)

В этом случае прямая, параллельная калибровочной, проведенная через точку с координатами (,) отсекает на оси ординат отрезок, равный приведенному разрешению детектора.

(Измененная редакция, Изм. N 3).

3.7. Суммарная относительная погрешность измерения собственного и приведенного разрешений не должна превышать 10% при доверительной вероятности 0,95.

Детектор ионизирующих и ультрафиолетовых излучений

Репозиторий БГУИР: Детектор ионизирующих и ультрафиолетовых излучений Skip navigation

Please use this identifier to cite or link to this item: https://libeldoc.bsuir.by/handle/123456789/42848

Title:	Детектор ионизирующих и ультрафиолетовых излучений
Other Titles:	Пат. 9551 U Респ. Беларусь
Authors:	Лыньков, Л. М. Гасенкова, И. В. Мухуров, Н. И. Вахиох Мохсин Ясин
Keywords:	патенты детекторы ионизирующих излучений детекторы ультрафиолетовых излучений
Issue Date:	2013
Publisher:	Национальный центр интеллектуальной собственности, РБ
Citation:	Детектор ионизирующих и ультрафиолетовых излучений : пат. 9551 U Респ. Беларусь : МПК (2006) G 01T 1/00 / Лыньков Л. М., Гасенкова И. В., Мухуров Н. И., Вахиох Мохсин Ясин ; заявитель и патентообладатель УО Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники. – № u 20130233 ; заявл. 20.03.2013 ; опубл. 30.10.2013. – 5 с. : ил.
Abstract:	Детектор ионизирующих и ультрафиолетовых излучений, содержащий выполненную из диэлектрика с высокой прозрачностью в оптическом диапазоне подложку с перпендикулярными обеим ее поверхностям отверстиями, которые заполнены сцинтиллятором, чувствительным к ионизирующим излучениям в широком диапазоне энергий, диаметр отверстий больше диаметра частиц сцинтиллятора в три и более раз, и фотоприемник, отличающийся тем, что сцинтиллятор со стороны, обращенной к источнику ультрафиолетового излучения, содержит части отверстий, заполненных чувствительными к ультрафиолетовому излучению частицами люминесцирующей компоненты и тонкопленочным покрытием из того же соединения на поверхности подложки, противоположной фотоприемнику, причем толщина слоя чувствительных к ультрафиолетовому излучению частиц составляет не менее 10 мкм, а толщина тонкопленочного покрытия менее 2D, где D – диаметр перпендикулярных обеим поверхностям подложки отверстий.
URI:	https://libeldoc.bsuir.by/handle/123456789/42848
Appears in Collections:	Полезные модели

Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.

ДЕТЕКТОРЫ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ НЕЙТРОНО-ЛЕГИРОВАННОГО КРЕМНИЯ

Аннотация:

В статье рассмотрены особенности разработки детекторов ионизирующего излучения с рабочей площадью S≥30 мм2 и толщиной W>0,2 мм на основе монокристаллов компенсированного нейтронным легированием кремния. Показаны особенности электрофизических и спектрометрических характеристик.

Образец цитирования:

Муминов Р.А., Раджапов С.А., Раджапов Б.С., Рахимов Р.Х., (2016), ДЕТЕКТОРЫ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ НЕЙТРОНО-ЛЕГИРОВАННОГО КРЕМНИЯ. Computational nanotechnology, 4: 136-137.

Список литературы:

Л.С. Смирнов, С.П.Соловьев, В.Ф. Стась, В.А.Харченко. Легирование полупроводников методом ядерных реакций / Ответ. редак. Л.С. Смирнов. – Новосибирск: Наука, 1981. – 181 с.
Азимов С.А., Муминов Р.А., Шамирзаев С.Х., Яфасов А.Я. Кремний-литиевые детекторы ядерного излучения. // – Ташкент: Фан.1981.-257 с.
Раджапова С.А. Особенности физических процессов формирования кремний-литиевого детектора ядерного излучения с большой чувствительной областью// Автореф. Дис. док. д.ф-м.н. – Ташкент: 2010.
R. A. Muminov, S. A. Radzhapov, Yo.K. Toshmurodov, Sh. Risalieva, S. Bekbaev, and A. Kurmantaev // Development and Optimization of the Production Technology of Large_Size Position_Sensitive Detectors // Instruments and Experimental Techniques. – New York – 2014 Vol. 57, No. 5, pp. 564-565.
R.A. Muminov, S.A. Radzhapov, Yo. K. Toshmurodov S. Bekbaev. //Silicon-Lithium Nuclear Radiation Detectors with a Large Surface of Sensitive area // Uzbek journal of Physics 2013. рр. 179-184.
Р.А. Муминов, С.А. Раджапов, Ё.К. Тошмуродов. // Электрофизические характеристики разных типов кремниевых детекторов ядерного излучения с большой поверхностью чувствительной области// Uzbek journal of Physics. 2014. № 3-4.
Муминов Р.А., Раджапов С.А., Тошмуродов Ё.К., Раджапов Б.С. //Особенности технологии формирования Si(Li) p-i-n детекторов ядерного излучения больших размеров. «Computational nanotechnology» № 1. 2016 г. c. 62-66

Ключевые слова:

монокристаллический кремний, нейтронно-легированный кремний, «входные» и «выходные» окна детектора, деградация, энергетическое разрешение.

Детекторы ионизирующих излучений на судах

Артикул: 00-01021039

в желания В наличии

Автор: Сидоренко В. В., Кузнецов Ю.А., Оводенко А.А.

Место издания: Ленинград

Год: 1984

Формат: 60х90 1/16

Переплет: Твердая обложка

Страниц: 240

С этим товаром покупают

В справочнике приведены характеристики, конструкции, схемы включения газоразрядных, сцинтилляционных, полупроводниковых детекторов и ионизационных камер, используемых в судовой дозиметрической аппаратуре, а также даны рекомендации по выбору режимов их работы.
Значительный объем сведений, представленных в виде таблиц и графиков, делает книгу полезной не только для специалистов, занимающихся конструированием и эксплуатацией судовой дозиметрической аппаратуры, но и для научных работников, студентов и аспирантов, соприкасающихся с аналогичными проблемами в других областях знаний.

Оглавление
Предисловие
Главa 1. Классификация судовых дозиметрических приборов
Главa 2. Газоразрядные счетчики
2.1. Режимы работы газоразрядных счетчиков
2.2. Типы газоразрядных счетчиков
2.3. Характеристики, конструкции и схемы включения промышленных газоразрядных а, В, у, п и рентгеновских счетчиков
2.4. Выбор режимов работы газоразрядных счетчиков при постоянном напряжении питания
2.5. Выбор режимов работы газоразрядных счетчиков при импульсном питании
Главa 3. Сцинтилляционные детекторы
3.1. Основные характеристики сцинтилляционных детекторов
3.2. Неорганические сцинтилляторы
3.3. Органические сцинтилляторы
3.4. Сцинтилляционные пластмассы и стекла
3.5. Условия передачи света от сцинтиллятора на катод ФЭУ
3.6. Выбор сцинтиллятора для сцинтилляционного счетчика
Главa 4. Фотоэлектронные умножители сцинтилляционных счетчиков
4.1. Классификация, характеристики, конструкции и схемы включения фотоэлектронных умножителей
4. 2. Режимы питания ФЭУ
4.3. Стабилизация коэффициента усиления
4.4. Влияние чувствительности и режима питания ФЭУ на порог регистрации и стабильность работы сцинтилляционного радиометра
4.5. Влияние внешних попей на стабильность работы ФЭУ сцинтилляционного счетчика
4.6. Условия получения максимального отношения сигнал/шум для сцинтилляционного счетчика
4.7. Унификация сцинтилляционных счетчиков
Главa 5. Полупроводниковые детекторы ионизирующих излучений
5.1. Типы, характеристики и области применения полупроводниковых детекторов
5.2. Регистрация излучений фоторезисторами
5.3. Регистрация ионизирующих излучений вентильными фотоэлементами
Главa 6. Ионизационные камеры
6.1. Типы и конструкции ионизационных камер
6.2. Ионизационные камеры для регистрации а-частиц
6.3. Ионизационные камеры для измерения В-излучения
6.4. Ионизационные камеры для измерения у-излучения
6.5. Выбор тапа и режима работы ионизационных камер
Главa 7. Схемы включения импульсных детекторов излучений
7. 1. Классификация и характеристики схем включения
7.2. Влияние схем включения на характеристики детекторов
7.3. Дифференцирующие схемы включения
7.4. Параллельное включение газоразрядных счетчиков одного типа
7.5. Параллельное включение газоразрядных счетчиков с различной чувствительностью и разрешающей способностью
7.6. Некоторые специальные схемы включения
Главa 8. Схемы включения детекторов излучений при дистанционных измерениях на судах
8.1. Схемы согласования сопротивлений с помощью эмиттерных и катодных повторителей
8.2. Схемы согласования с помощью резисторов
8.3. Схемы согласования с помощью трансформаторов
8.4. Передача импульсов, генерируемых сцинтилляционными счетчиками через узкополосные линии связи с предварительным амплитудно-временным кодированием
Указатель литературы

Фотоника – научно-технический журнал – Фотоника

Научные разработки в области производства детекторных материалов для обеспечения отечественной ядерной медицины необходимыми качественными полупроводниковыми детекторами ионизирующих излучений (ПДИИ) ведутся в АО “Гиредмет” много лет. В первой части работы [1] отмечалось, что позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) является одним из самых информативных методов, применяемых в ядерной медицине, для диагностики онкологических, неврологических и кардиологических патологий. В последнее время стали развиваться интегрированные системы, такие как однофотонная эмиссионная компьютерная томография (ОФЭКТ / КТ).[1]
ОФЭКТ / КТ позволяет совместить структурный анализ организма с функциональным. Метод позволяет получать объемное изображение распределения радионуклидов, относящихся к чистым гамма-излучателям (133Хе,99mTc и др.). Периоды полураспада применяемых изотопов значительно длиннее, чем у изотопов, применяемых в ПЭТ томографии. Это значительный шаг вперед в развитии томографической диагностики пациента. Данные сканеры обладают набором электротехнических и вычислительных приспособлений для проведения сверхбыстрой съемки, одновременно (в процессе одного сеанса) совмещая рентгеновскую компьютерную томографию и регистрацию сигналов гамма-квантов, что позволяет одновременно совмещать на экране данные рентгеновской съемки и ОФЭКТ / КТ-изображения. Это дает возможность сократить время полного обследования пациента, и что очень важно, минимизировать лучевую нагрузку. Совершенствование технических характеристик детекторов, применяемых в КТ, ПЭТ, ОФЭКТ, существенно сокращает время исследования тела и улучшает пространственное разрешение. Для визуализации результатов используют радиовизиографические устройства. На данный момент наиболее широко в цифровой рентгенографии применяется сенсорная технология преобразования рентгеновского излучения в свет с помощью сцинтиллятора (часть 1). Однако использование технологии полупроводниковых детекторов ионизирующих излучений позволяет производить до 300 кадров в секунду за время одной съемки. Эти кадры объединяются в единое многослойное панорамное изображение выского качества и четкости, при этом размытость изображения исчезает, а четкость и контраст изображения повышаются на 300% [2]. На рис. 1 представлено сравнение рентгеновских снимков, полученных при помощи сцинтиллятор / CCD (слева) и CdTe / C–MOS (справа) детекторов.
Изображение, полученное на полупроводниковых детекторах гораздо четче и контрастнее. Использование ПДИИ позволяет снизить уровень лучевой нагрузки на пациента. Высокое энергетическое и пространственное разрешения, а также время отклика ПДИИ делает эти материалы гораздо более перспективными в методах визуализирующей диагностики, чем сцинтилляционные материалы. ПДИИ изготавливаются из различных материалов: германий (Ge), кремний (Si), теллурид кадмия (CdTe), теллурид цинка кадмия (CZT) и др.
Так, напрамер, первый ОФЭКТ с использованием CZT детектора (Spectrum-dynamics) начал поставляться в 2008 году на территории США. Использование CZT детектора позволило увеличить качество получаемого изображения и уменьшить время диагностики в 5 раз.
Принцип работы полупроводниковых детекторов основан на образовании электронно-дырочных пар в объеме кристалла при прохождении излучения через материал. Под действием приложенного напряжения заряды перемещаются к электродам и регистрируются в виде электрического сигнала, величина которого определяется поглощенной энергией излучения в толще материала, и соответственно, в случае полного поглощения энергии прибор работает как спектрометр излучений.
Выбор того или иного материала для ПДИИ обусловлен определенными критериями (табл. 1). Ширина запрещенной зоны (Eg) – ​одна из наиболее существенных характеристик полупроводника. Она определяет ряд других параметров, от которых зависит качество работы детектора. Таких как подвижность носителей заряда, которая, как правило, изменяется обратно пропорционально ширине запрещенной зоны, или удельное сопротивление, которое увеличивается с ростом Eg. Соответственно, темновые токи и шумы уменьшаются с ростом Eg. Поэтому при выборе значения Eg. необходим компромисс, чтобы максимизировать подвижность и удельное сопротивление одновременно. Оптимальные значения Eg должны находиться в диапазоне 1,5–2,0 эВ.
Атомный номер Z является важным параметром, который нужно максимизировать, чтобы сократить глубину поглощения γ-излучения и увеличить эффективность детектирования или при той же самой эффективности сократить толщину детектора. Также возможен вариант при постоянстве обеих этих величин увеличить максимальную разрешаемую энергию γ-излучения. Стоит отметить степенную зависимость глубины поглощения от атомного номера (вероятность фотоэффекта пропорциональна Z5, Комптон-эффекта – ​Z, рождения пар – ​Z2).
Удельное сопротивление (ρ) – ​это важный параметр, значение которого должно выбираться как можно большее. Большое удельное сопротивление позволяет увеличить напряженность поля и снизить время сбора заряда или уменьшить ток утечки.
Значение произведения µe, hτρ определяет эффективность сбора зарядов; µe, h – ​подвижность носителей заряда, τ – ​время жизни носителей заряда. Наилучший результат достигается при максимизации произведения.
Самым высоким разрешением обладает Ge, однако малая ширина запрещенной зоны и низкое удельное сопротивление позволяют данному материалу работать только при очень низких температурах, что сильно ограничивает его применения в портативных устройствах. Подобным недостатком обладают и кремниевые Si-детекторы.
CdZnTe более тяжелый материал по сравнению с Si и Ge, используется для фотопоглощения более высоких энергий. При наибольшей из трех материалов ширине запрещенной зоны, он обладает лучшей способностью к поглощению Х- и Гамма-излучения. Существует до сих пор проблема получения больших монокристаллов CZT. Теллурид цинка кадмия действует при комнатной температуре и может обрабатывать более 2 · 106 фотонов в секунду на мм2. Уникальная комбинация спектроскопии и очень высокой скорости счета при комнатной температуре делает CZT очень хорошим детектором ядерных излучений. В настоящее время коммерческим является CZT детектор размером 2 Ч 2 Ч 2 см и 4 Ч 4 Ч 6 см. Ведутся исследования по проблеме выращивания монокристаллов больших размеров. Сегодня на рынке существует несколько технологий, отличающихся как себестоимостью выращивания кристаллов – ​от стоимости, так и продолжительности технологического процесса до уникальных характеристик получаемых кристаллов (см. табл. 1 и 2).
Исторически первой коммерческой технологией выращивания монокристаллов теллурида цинка-кадмия стал метод Бриджмена, иммигрировавшего из Харьковского НИИ Монокристаллов в компанию evProducts (США). В настоящее время посредством данного метода получается большая часть производимого CZT в мире.
Однако используемое высокое давление обусловливает структурное несовершенство, возникающее в процессе роста кристалла. Появляющиеся дефекты развиваются, и кристалл имеет невысокое структурное совершенство. Получаемая заготовка (“буля”) обладает блочной структурой, т. е. состоит из блоков монокристаллов. Подобным методом кристаллы выращивают также Saint-Gobain Crystals (США), Eurorad (Франция), Гиредмет (Россия). Другой технологией является тот же метод Бриджмена в модификации с низким давлением. Таким способом удается получать кристаллы в среднем более лучшего качества, чем при использовании высокого давления. Данную технологию отработали Orbotech (Imarad) (Израиль), YinneTech (США), Letti (Франция). Компании 5NPlus (Канада), Redlen (Канада) выращивают CZT методом зонной плавки. Кromek (Великобритания) получает монокристаллический материал методом выращивания из паровой фазы [3].
В материаловедческой базе данных АО “Гиредмет” есть также разработка еще одного материала для ПДИИ, который не имеет аналогов в мире. Это оптический монокристалл-бромид таллия [4–6].
Бромид таллия имеет самые высокие из используемых для создания ПДИИ атомные веса компонентов кристалла, высокую плотность, и, соответственно, самую высокую поглощающую способность и эффективность регистрации х- и g- излучений. TlBr является уникальным полупроводниковым соединением в плане его очень высокой плотности и широкой запрещенной зоны. Действительно, его плотность (7.56 г / см2) сопоставима с плотностью германата висмута, и поэтому он имеет отличную поглощающую силу для жесткого рентгеновского и гамма излучения. Например, детектор, толщиной 1 мм имеет эффективность ~ 10% при 500 keV. Значение минимальной рабочей энергии задается токами утечки и обычно составляет 1 keV. Кроме того, запрещенная зона TlBr достаточно велика – ​2,7eV, что обеспечивает низкий уровень шумов при комнатной и даже выше комнатной температурах. Невысокая температура плавления (460 °C) и отсутствие фазовых переходов между Тпли Ткомн позволяют выращивать из расплава монокристаллы до D = 100 мм. Бромид таллия не гигроскопичен и не требует дополнительных защитных покрытий.
Основные характеристики бромида таллия и сравнение с аналогами представлены в таблице 4. Внешний вид кристалла и детектирующих элементов представлен на рис. 2–5.
В АО “Гиредмет” кристаллы бромида таллия выращивают методом Бриджмена-Стокбаргера. Результаты регистрации излучения различных изотопов приведены в таблице 5. Приведенные данные получены на детекторах TlBr размером 4Ч4Ч1 мм с диаметром верхнего и нижнего контактов 2 мм, без дополнительной обработки спектра при снятии сигнала. Разрешение детекторов на основе TlBr (АО “Гиредмет”) уже сейчас не уступает коммерчески реализуемым детекторам CdTe и CdZnTe, а с учетом его большей эффективности (в 1,5 раза) и способности работать при более высоких температурах использование данного материала во многих областях, особенно в медицине – ​более предпочтительно [7,8].
Разработанные технологии обеспечат импортозамещение в полном объеме и создание предпосылок для экспорта новых оптических изделий, получение продукции, превосходящей мировой уровень; позволят повысить эффективность технологического оборудования. АО “Гиредмет” предлагает решить импортозамещающую проблему в области производства кристаллов ПДИИ, в частности бромида таллия, в научно-техническом содружестве: АО “Гиредмет”, ИОФ РАН, Курчатовский НИЦ, ООО “Ядерные технологии в медицине”, МИСиС, АО “НИИТФА”, ИФТТ РАН.
Необходимо разработать технологию и технологическое оборудование для малотоннажного производства материала, обладающего сочетанием превосходных спектрометрических и счетных свойств, при значительном сокращении экспозиции объекта под высокоэнергетическим воздействием.
Критическим моментом, представляющим самостоятельную задачу для российского промышленного производства ПДИИ, являются обеспечение исходными отечественными особочистыми материалами.
В России существует достаточно мощная производственная база для изготовления ростового оборудования современного уровня. Производственные мощности в Черноголовке на базе ЕЗАН, в Брянске на базе ООО НПО ГКМП, в Санкт-Петербурге на базе ООО “Апекс” и др. Не представляется сложным изготовление ростовых установок в достаточно короткие сроки в необходимом количестве в соответствии с индивидуальными особенностями перспективных сцинтилляционных материалов.
Государственная корпорация по атомной энергии “Росатом” должна стать коллективным создателем “центров превосходства” в области материаловедения веществ для технологий ядерной медицины. Прорывным примером явятся исследования и разработки отечественного томографа нового поколения на базе производства отечественных оптических кристаллов [9].
АО “Гиредмет” в рамках основных научно-производственных направлений деятельности обладает обширной базой данных и значительными компетенциями в области создания оптических и фоточувствительных материалов для ИК-, лазерной техники, опто-, акусто-электроники и др. наукоемких отраслей науки, техники и технологий и их производства и может решить проблему организации малотоннажного производства исходных компонентов оптического качества для обеспечения потребностей ядерной медицины.
ЛИТЕРАТУРА
1. А.А. Гасанов, А. В. Наумов, О. В. Юрасова. Получение отечественных кристаллов для приборов фотоники (Часть 1 – ​сцинцилляторы) // Фотоника, № 5, 2017, c. 16–27.
A.A. Gasanov, A. V. Naumov, O. V. Yurasova. Poluchenie otechestvennyh kristallov dlya priborov fotoniki (Chast’ 1 – ​scincillyatory) // Fotonika, № 5, 2017, c.16–27.
2. T. Takahashi S. Watanabe. “Recent progress in CdTe and CdZnTe detectors”//IEEE Transactions on Nuclear Science, v. 48, Issue: 4, Aug 2001, pp: 950–959, DOI: 10.1109 / 23.958705
3. Н.А. Кульчицкий, А. В. Наумов. “Обзор мировых рынков кадмия, теллура и соединений на их основе” // Цветная металлургия, № 2, 2010, с. 31–44.
N. A. Kul’chickij, A. V. Naumov. Obzor mirovyh rynkov kadmiya, tellura i soedinenij na ih osnove // Cvetnaya metallurgiya, № 2, 2010, s. 31–44.
4. Дарвойд Т. И., Морозов Е. Г., Лисицкий И. С. Распределение различных форм серы при кристаллизационной очистке галогенидов таллия. // Научные труды ГИРЕДМЕТа ХХIX Металлургия, 1970, с.45–58.
Darvojd T. I., Morozov E. G., Lisickij I. S. Raspredelenie razlichnyh form sery pri kristallizacionnoj ochistke galogenidov talliya. // Nauchnye trudy GIREDMETa HHIX Metallurgiya, 1970 str.45–58.
5. Лисицкий И. С., Голованов В. Ф., Плотниченко В. Г. Распределение кислорода в кристаллах галогенидов таллия // Цветные металлы, 2001, № 4, с. 73–76.
Lisickij I. S., Golovanov V. F., Plotnichenko V. G. Raspredelenie kisloroda v kristallah galogenidov talliya // Cvetnye metally, 2001, № 4, s. 73–76.
6. Н. Б. Смирнов, А. В. Говорков, Е. А. Кожухова, И. С. Лисицкий, М. С. Кузнецов, К. С. Зараменских, А. Я. Поляков. Влияние условий выращивания и легирования донорными примесями на механизм проводимости и спектры глубоких уровней в кристаллах TlBr // Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники, 2013, № 3 (63), с. 4–12.
N. B. Smirnov, A. V. Govorkov, E. A. Kozhuhova, I. S. Lisickij, M. S. Kuznecov, K. S. Zaramenskih, A. Ya. Polyakov. Vliyanie uslovij vyrashchivaniya i legirovaniya donornymi primesyami na mekhanizm provodimosti i spektry glubokih urovnej v kristallah TlBr. // Izvestiya vysshih uchebnyh zavedenij. Materialy elektronnoj tekhniki, 2013, № 3 (63), s.4–12.
7. B. Donmez, Z. He, H. Kim, L.J Cirignano, K. Shah. The stability of TlBr detectors at low temperature // Nucl. Instr. And Methods in Phys. Res. A623, 2010, p. 1024–1029
8. M. Shorohov, M. Kouznetsov, I. Lisitsky, V. Ivanov, V. Gostilo, A. Owens. “Recent results in TlBr detector crystals performance”, IEEE Trans. Nucl. Sci. 56(4), 2009, p. 1855–1858
9. Е. П. Маянов, А. А. Гасанов, Ю. Н. Пархоменко. “Получение отечественных кристаллических материалов на основе соединений редких металлов для создания высокоэффективных элементов, систем и приборов фотоники” // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Техническая физика и автоматизация,2016, № 73, с. 21–38.
E. P. Mayanov, A. A. Gasanov, Yu. N. Parhomenko. “Poluchenie otechestvennyh kristallicheskih materialov na osnove soedinenij redkih metallov dlya sozdaniya vysokoeffektivnyh elementov, sistem i priborov fotoniki” // Voprosy atomnoj nauki i tekhniki. Seriya: Tekhnicheskaya fizika i avtomatizaciya, 2016, № 73, s. 21–38.

[1] Продолжение: см. Фотоника № 5, 2017, c.16–27. Получение отечественных кристаллов для приборов фотоники. Часть I

детекторы. Часть первая, газоразрядная / Хабр

Недавняя статья про опарафиненный детектор нейтронов побудила меня поднять старую тему и написать еще парочку статей на тему радиации. А именно — про детекторы ионизирующих излучений.

Начну я с газоразрядных детекторов. Собственно, в вышеуказанной статье газоразрядный детектор и применен, причем не самый обычный. Но увы, никаких подробностей о его использовании или даже принципах действия мы не увидели, так что пробел этот нужно исправлять.

Ионизация и ионизационная камера

Еще первые опыты Рентгена, Беккереля, четы Кюри и других пионеров исследования рентгеновских лучей и излучения, испускаемого радиоактивными веществами, показали, что эти лучи способны генерировать свободные ионы в воздухе, через которые проходят. Проявлялось это в том, что воздух приобретал электропроводность, разряжая электростатически заряженные тела, что можно было легко обнаружить с помощью простейшего электроскопа. Электроскопы и электрометры стали первыми “дозиметрами” радиоактивных излучений. Опыты показали пропорциональность числа сгенерированных излучением ионных пар поглощенной воздухом энергии, что привело к появлению такого понятия, как экспозиционная доза, определяемая через число ионных пар, рожденных в воздухе при облучении.

Ионизационная камера в принципе проста. Это просто объем, заполненный каким-нибудь газом при каком-нибудь давлении, в который помещены какие-нибудь два электрода. Один электрод находится под положительным потенциалом и собирает отрицательные ионы, другой — наоборот. Заряд, прошедший через камеру, пропорционален дозе, а ток — мощности дозы. Геометрия ионизационной камеры (рис. 1), то есть форма ее электродов и их взаимное расположение могут быть различными, но обычно это или плоская (две пластины с зазором между ними), или коаксиальная (один электрод представляет собой трубу, а другой — цилиндр или проволока, помещенная внутри первого электрода соосно с ним). Заполнена камера может быть самыми различными газами в зависимости от поставленной задачи. Это может быть воздух при атмосферном давлении, если нужно измерять экспозиционную дозу, тяжелые газы, если нужно повысить чувствительность к высоким энергиям, трехфтористый бор или гелий-3, когда стоит задача детектирования нейтронных потоков (бор-10 и гелий-3 легко вступают в реакции с нейтронами, продукты которых вызывают ионизацию). Давление газа тоже выбирают исходя из условий эксперимента: его увеличение способствует повышению эффективности поглощения излучения, но с его ростом снижается вероятность того, что ионы не завязнут в газе и не рекомбинируют по пути, а дойдут до электродов.

Рис.1. Плоская и коаксиальная ионизационные камеры.

Ток, проходящий через ионизационную камеру, очень мал. Допустим, мощность экспозиционной дозы равна 1 Р/ч. Это много. Но по определению единицы рентгена за час будет рождаться лишь 2,082⋅10⁹ пар ионов в кубическом сантиметре, каждая из которых заберет электрон с катода и отдаст на анод, если камера будет достаточно велика, чтобы воздух поглотил все излучение. То есть ток в цепи камеры объемом 1 см³ будет составлять 9,3⋅10^-14 А! А при уровнях, соответствующих естественному радиационному фону этот ток будет ниже еще в сто тысяч раз.

Существуют два способа измерить такой ток. Первый — это зарядить ионизационную камеру и отключить от нее все, кроме чувствительного электрометра с бесконечным входным сопротивлением. Измерив скорость падения напряжения (или перепад напряжения до и после облучения) и зная суммарную емкость ионизационной камеры и электрометра, можно определить дозу или ее мощность. Такую аппаратуру использовали Беккерель и супруги Кюри, и так устроены карманные дозиметры-накопители карандашного типа. Однако чаще нужно знать интенсивность излучения, поэтому поступают по-другому: включают в цепь ионизационной камеры очень высокоомное сопротивление, типичное сопротивление которого выбирают около 100 ГОм. Тогда падение напряжения на этом резисторе при мощности дозы 1 Р/ч составит 9,3 мВ и это значение вполне можно измерить. Правда, чтобы это удалось, входное сопротивление вольтметра должно измеряться тераомами! Раньше основой такого вольтметра почти всегда являлась специальная электрометрическая лампа со всеми вытекающими чудесами типа анодного напряжения в несколько вольт. Смысл последнего — в том, чтобы не происходила ионизация остаточных газов

Рис. 2. Включение электрометрической лампы (из кн.: Шумиловский Н.Н., Стаховский Р.И. Масс-спектральные методы. М.: Энергия. 1966.)

Лучшие электрометрические лампы могут иметь входные (сеточные) токи на уровне 0,1 фА, что эквивалентно мощности дозы ~1,2 мР/ч и, не требуя для питания высоких напряжений и большого тока накала, хорошо вписываются в полупроводниковую электронику. Однако они очень чувствительны к внешним воздействиям и не особо долговечны. Альтернативой им является применение специальных полевых транзисторов с ультрамалыми утечками затвора (в отечественной практике для этого чаще всего брали отобранные экземпляры КП304А). Современная элементная база для измерения фемтоамперных токов — это специальные операционные усилители, такие, как ADA4530-1. Всего за 15 американских долларов мы легко и непринужденно получаем входной ток около 1 фА. Такие ОУ обычно включают в схеме трансимпедансного усилителя, то есть огромное сопротивление R включают в цепь обратной связи (рис.3)

й

Чтобы входной ток на уровне 1 фА был реальностью, схему можно монтировать только навесным монтажом или на плате из специального диэлектрика, тщательно соблюдая рекомендации производителя. Ориентироваться при этом имеет смысл на разводку оценочной платы ADA4530-1R-EBZ-TIA со всеми ее защитными кольцами и экранами. Разумеется, усилитель лучше расположить прямо внутри корпуса-экрана ионизационной камеры.

Применимы также схемы электрометрических усилителей на дискретных элементах, вплоть до простейших почти что однотранзисторных схем наподобие тех, что применяются в пожарных извещателях. Применение последних, впрочем, ограничено целями индикации наличия излучения. Так, известна “полониевая ручка”, обнаруживающая источники альфа-излучения и рекомендуемая автором публикации всем шпионам и дипломатам. Разумеется, это шутка, но конструкция вполне работоспособна и реагирует, например, на америциевый источник из дымоизвещателя. Кажется невозможным, чтобы она работала, потому что схема усилителя (выходной сигнал которого зажигает светодиод) выполнена на двух составных биполярных транзисторах. Но она, как ни странно, работает, я проверял.

Обычно ионизационные камеры работают в токовом режиме. То есть не делается попыток различить сигналы от отдельных частиц, пересекающих объем камеры. В случае слабоионизирующих частиц это почти невозможно из-за их малости. Импульсные ионизационные камеры используют обычно для регистрации альфа-излучения и высокоэнергетических частиц из космических лучей и ускорителей.

Газовое усиление и пропорциональные счетчики

Для работы ионизационной камеры на нее подают некоторое напряжение: такое, чтобы ионы были достаточно быстро разделены электрическим полем и собраны катодом и анодом. Как будет зависеть ионизационный ток от этого напряжения?

При нулевой разности потенциалов тока не будет. Возникшие ионы и электроны через некоторое время в процессе неупорядоченного теплового движения встречают ионы противоположного знака и рекомбинируют. С ростом разности потенциалов все больше ионов будет успевать осесть на электродах, и ионизационная камера в целом ведет себя в соответствии с законом Ома. Но при достаточно большом напряжении пропорциональность нарушается, так как значительная часть ионов уже собрана электродами. При дальнейшем росте разности потенциалов мы выходим на плато: ток уже не растет.

Рис. 4. ВАХ ионизационной камеры

Но до бесконечности плато продолжаться не может. В какой-то момент начинается самое интересное: ток снова начинает расти. И вот почему: ионы и электроны в электрическом поле ускоряются настолько, что, столкнувшись с нейтральными молекулами, ионизируют и их. В газе появляются дополнительные ионы и электроны, которые включаются в общий ток, и чем больше разность потенциалов, тем этот вклад становится большим.

При достаточно большой разности потенциалов мы можем наблюдать ионные лавины: первичный ион, столкнувшись с несколькими атомами, рождает дополнительные ионы, которые также генерируют еще несколько пар. Таким образом, единичная ионная пара, рожденный радиоактивным излучением, сам в свою очередь рождает множество носителей заряда и ток в цепи, зависящий от интенсивности излучения, оказывается значительно большим по сравнению с током насыщения на плато. Коэффициент такого самоусиления тока (газового усиления) может достигать тысяч и десятков тысяч.

При дальнейшем увеличении напряжения ток растет еще больше, но перестает зависеть от излучения. Возникает самостоятельный разряд: лавины нарастают неограниченно, порождают вторичные лавины, все это излучает жесткий ультрафиолет, который вместе с бомбардировкой электродов ионами производит с них эмиссию электронов и положительных ионов, и дополнительные ионы от радиоактивности уже не играют никакой роли.

Таким образом, выбрав подходящее напряжение, мы можем сильно облегчить задачу измерения ничтожно малых ионизационных токов. И главное — когда каждый ион рождает 1000-10000 вторичных ионов, а каждый квант излучения может породить несколько сотен или тысяч ионов, становятся хорошо различимыми и измеримыми токи от отдельных частиц. Причем амплитуда этих импульсов оказывается пропорциональной количеству первичных ионов, а значит — энергии частицы (более правильно — энергии, оставленной частицей в детекторе), что позволяет эту энергию определять, регистрировать энергетический спектр частиц. Однако ценой этого становится очень высокая чувствительность камеры к составу, температуре и давлению газовой среды внутри нее, напряжению, геометрии электродов.

Наиболее оптимальная конструкция пропорционального счетчика, при которой размножение ионов приобретает характер управляемого процесса — это коаксиальная конструкция, в которой анодом является тонкая (сотые доли миллиметра) проволока, натянутая по оси цилиндрического катода. В таком случае ударная ионизация молекул газа происходит лишь рядом с анодом, в области большой, до 40 кВ/см, напряженности электрического поля, никогда не захватывая всего пространства между катодом и анодом. Большое пространство, в котором напряженность поля недостаточна для развития лавин и происходит только дрейф положительных ионов к катоду, предотвращает развитие “зачатков” самостоятельного разряда — стримеров. Дополнительно их образование подавляют, вводя в газовую смесь многоатомные органические молекулы (метан, пропан и т.п.), которые являются “ловушками” для стримера, создавая на пути его головы своего рода дымовую завесу, поглощающую жесткое УФ-излучение, испускаемое ею и играющее существенную роль в распространении стримера и последующем возникновении самостоятельного разряда.

Рис. 5. Пропорциональные счетчики СРМ-19

Типовое применение пропорционального счетчика — это спектрометрия мягкого рентгеновского излучения с энергией ниже 20 кэВ, в частности — для рентгенофлюоресцентного анализа. При такой энергии бессильны сцинтилляционные детекторы, способные только посчитать частицы, но не определить их энергию, а полупроводниковые до сих пор дороги и требуют для хорошего энергетического разрешения глубокого охлаждения. Для доступа рентгеновского излучения в них делают бериллиевое или майларовое окно (рис.5). Зачастую их делают в проточном исполнении, так как газовая смесь при работе постепенно теряет свои свойства из-за разложения органической добавки. Применяются газовые смеси водород-метан, аргон-метан, ксенон-метан и другие.

Рис. 6. Амплитудный спектр импульсов пропорционального счетчика нейтронов с гелиевым заполнением

Другое распространенное применение пропорциональных счетчиков, которое скорее может встретиться в радиолюбительской практике — это счет нейтронов. Счетчики нейтронов обычно заполняют гелием-3 с небольшой добавкой инертных газов под довольно высоким (2-4 атм) давлением, ядро которого, вступив в реакцию с медленным нейтроном, превращается в разлетающиеся в разные стороны протон и ядро трития. Суммарная их энергия составляет 764 кэВ, и они оставляют по пути пролета в газе множество ионов, давая импульсы, резко отличающиеся по амплитуде от фоновых, вызванных гамма-излучением (рис. 6, узкий пик справа, соответствующий полному поглощению частиц газом). Пропорциональные детекторы нейтронов могут также быть заполнены газообразным трифторидом бора, но чаще всего их используют в другом режиме — в режиме постоянного коронного разряда.

Рис.7. Включение пропорционального счетчика нейтронов

Напряжение питания пропорциональных счетчиков обычно составляет 1000..3000 В и для целей спектрометрии должно выдерживаться с высочайшей точностью. Для нейтронных счетчиков такая точность не нужна, но все же следует учитывать, что выраженного плато такие счетчики не имеют. Амплитуда импульсов невелика, единицы милливольт. Тут очень важно подобрать оптимальное время формирования импульса. Сам импульс тока довольно короткий — примерно 0,6 мкс. Импульс этот заряжает емкость счетчика и монтажа, а также входную емкость пересчетного устройства, формируя фронт импульса напряжения. Спад же возникает в процессе разряда этой емкости на нагрузку. Постоянную времени этого спада выбирают из следующих соображений: если она будет около 0,5 мкс, амплитуда импульсов от нейтронов окажется слишком низкой, и вместе с тем низкоамплитудные импульсы от гамма-фона будут сильнее мешать регистрации. С ростом времени формирования последние как бы размазываются и сливаются друг с другом, и импульсы от нейтронов становятся более выраженными. При слишком большом времени напротив, уже импульсы от нейтронов “размазываются”. В большинстве случаев время формирования выбирают в районе 3-5 мкс.

Счетчик Гейгера-Мюллера

В счетчик Гейгера-Мюллера пропорциональный счетчик превращается, если повысить напряжение между его электродами. С ростом напряжения растет и коэффициент газового усиления. Но до бесконечности он расти не может. В какой-то момент лавина, несмотря на неоднородность поля, превращается в стример. Канал стримера является проводящей средой и в его вершине высокая напряженность поля, и растущий стример несет эту область впереди себя, пробивая себе путь. Достигнув катода, стример соединяет катод и анод проводящим ионизированным каналом и возникает самостоятельный разряд. Так единственная частица переводит детектор из непроводящего состояния в проводящее и вывести из него может только снятие напряжения на время, достаточное для рекомбинации заряженных частиц внутри счетчика. Сделать это можно, например, включив в цепь счетчика очень большое сопротивление: при возникновении разряда емкость, образованная электродами счетчика разряжается и напряжение падает вплоть до погасания разряда, а после этого емкость счетчика заряжается вновь и он снова готов к регистрации следующей частицы. Правда, мертвое время — время, в течение которого счетчик заряжается и нечувствителен пока — слишком велико, оно может достигать миллисекунд! Что делать? Варианта два: либо, снизив сопротивление в цепи анода до разумного, при котором мертвое время приемлемо, подключить внешнюю схему, которая, зафиксировав фронт импульса, обрывает разряд, закоротив счетчик, и, выждав несколько микросекунд до деионизации, снимает закоротку (рис. 8). Либо изобрести самогасящийся счетчик.

Рис. 8. Схема принудительного гашения разряда в счетчике Гейгера.

Как сделать счетчик самогасящимся? Помните, когда шла речь о пропорциональном счетчике, я говорил о добавке органического газа? Это работает и в счетчике Гейгера. Если внутри счетчика будет компонент, который под действием разряда сделает среду между катодом и анодом непрозрачной, разряд погаснет, так как исчезнет один из факторов его поддержания —фотоэлектронная эмиссия из катода. Обычно в газовое наполнение счетчиков Гейгера вводят или спирт, или галогены — бром и йод. Спирт используют в высоковольтных счетчиках, он обеспечивает поддержание обширного плато с малым наклоном, но активно расходуется при каждом импульсе, так что ресурс таких детекторов невелик, не более нескольких десятков миллионов импульсов. Чаще встречаются галогеновые счетчики с рабочим напряжением 400-900 В. Галогены превращаются в непрозрачную среду из-за диссоциации молекул на атомы, которые немедленно воссоединяются, так что гасящая присадка в галогеновых счетчиках не расходуется. Однако из-за химической активности все же происходит постепенная ее потеря из-за реакции с электродами. Так что и у этих детекторов ресурс не бесконечен, но он составляет миллиарды импульсов.

Применение самогасящего счетчика Гейгера предельно просто. Подать +400 вольт на анод через сопротивление в несколько МОм и снимать импульсы с катода, включив между ним и землей нагрузочное сопротивление. Или с анода — через разделительный конденсатор. Амплитуда импульсов тут не милливольты, а вольты и десятки вольт, а зависимость чувствительности счетчика от напряжения имеет хорошо выраженное плато протяженностью 80-100 В. Но увы: ни амплитуда, ни форма импульсов абсолютно не несут никакой информации ни о природе частиц, ни о их энергии. Существуют, впрочем, некоторые ухищрения. Например, если поставить один за другим два плоских (типа Pancake) счетчика, можно одновременно регистрировать бета- и гамма-излучение, разделяя их на два канала. А сделав катод счетчика из меди, а окно — из никеля, мы получим счетчик, очень чувствительный к излучению характеристической линии CuK_α и почти не видящий остального рентгеновского излучения в ее окрестностях.

Рис. 9. Счетчик СИ-45Ф

А как вы думаете, для регистрации какого излучения предназначен вот этот счетчик Гейгера-Мюллера (рис.9)?
Это детектор ультрафиолетового излучения. Причем — солнечно-слепой. Его чувствительность к естественному и искусственному освещению практически равна нулю. Зато пламя свечи он обнаруживает на расстоянии в 2-3 метра при засветке прямым солнечным светом. Используется в качестве датчика пламени. Кстати, он несамогасящийся (схема гашения, приведенная выше — именно для этого счетчика).

На этом я завершаю разговор о счетчике Гейгера-Мюллера, потому что писал об этом несколько лет назад в этой статье. И лишь для перехода к следующей главе спрошу читателя: а что будет, если напряжение на счетчике Гейгера повысить еще больше? И отвечу на него: счетчик “загорится”. Гасящая присадка уже не сможет прекращать разряд и он станет непрерывным. В этом режиме счетчик полностью теряет всякую чувствительность к излучению.

Коронные счетчики

Но так будет только при низком давлении газа, при котором наблюдается тлеющий разряд. Если поднять давление до атмосферного, характер разряда меняется и в определенном диапазоне напряжений наблюдается коронный разряд. При нем анод “обрастает шубой” из электронно-ионных лавин, которые обрываются, не достигая катода. И в этом режиме, в отличие от режима тлеющего разряда, разряд оказывается чувствителен к сильно ионизирующим частицам.

Механизм этой чувствительности такой: частица оставляет в газе своего рода след — канал из ионизированного газа. В отсутствии внешней ионизации лавина, возникнув на аноде в области максимальной напряженности поля, растет до тех пор, пока напряженность в его вершине не упадет ниже критической под действием поля, создаваемого соседними лавинами. Картина меняется, когда вершина такой лавины попадает в ионизированный канал: дополнительная ионизация позволяет ей вырваться вперед из общей массы и образовать вокруг себя область с высокой напряженностью поля. Это приводит к появлению кратковременного импульса тока на фоне шума из слившихся вместе более слабых импульсов, вызываемых отдельными лавинами разряда.

В отличие от режима Гейгера-Мюллера, в коронном режиме счетчик остается чувствительным к энергии частиц. Слабоионизирующие частицы — гамма-кванты и выбитые ими электроны — если и порождают импульсы тока, то они тонут в шуме короны. Только при высокой интенсивности гамма-излучения, свыше 50-1000 Р/ч, наблюдается значительное усиление этого шума и увеличение среднего тока. В большинстве практических случаев, не связанных с работой внутри активной зоны реактора, можно считать, что коронные счетчики вообще нечувствительны к гамма-излучению.

Коронные счетчики применяют обычно для детектирования альфа-частиц и нейтронов. Счетчики альфа-частиц можно сделать разборным и помещать препарат непосредственно внутрь: при рабочем давлении в 1 атм нет необходимости в вакуумной системе и достаточно промыть объем счетчика потоком смеси Пеннинга из баллончика. Тем не менее, промышленно выпускаемые счетчики (САТ-7, САТ-8, СИ-9АМ) снабжены окнами из тонкой слюды.

Коронные счетчики нейтронов заполняют обычно смесью, содержащей BF₃ при давлении больше атмосферного или содержат боросодержащий твердый радиатор. Как и гелиевые, они в основном чувствительны к медленным и тепловым нейтронам, так что для регистрации быстрых нейтронов их нужно помещать в замедлитель. В коронном режиме могут работать и многие гелиевые счетчики, рассчитанные на пропорциональный режим.

Рис. 10. Выходной сигнал коронного счетчика нейтронов

Включение счетчика в коронном режиме почти ничем не отличается от пропорционального, но для поддержания устойчивого коронного разряда и сопротивление в анодной цепи должно быть велико. Его следует выбирать согласно документации на счетчик: так, для относительно низковольтного СИ-9АМ оно составляет 6-8 МОм, для более высоковольтных нейтронных счетчиков, таких, как СНМ-16 — 47 МОм. Обычно схема включения коронных счетчиков с рекомендуемыми номиналами приводится в паспорте, и ее следует придерживаться. Выходной сигнал представляет собой шум, на фоне которого наблюдаются импульсы, форма и длительность которых зависит от номиналов внешних элементов. Амплитуда этих импульсов составляет десятки милливольт, иногда до 150-200 мВ. Следует подобрать порог дискриминации таким образом, чтобы шум не попадал в счетный канал. При этом нужно учитывать, что амплитуда импульсов зависит от энергии частиц и выбор порога дискриминации — это компромисс между эффективностью регистрации и фоном и чувствительностью к гамма-излучению.

У коронных счетчиков, как и у счетчиков Гейгера-Мюллера, имеется хорошо выраженное плато на счетной характеристике. Наклон этого плато обратный: скорость счета не растет с напряжением, а падает. При этом амплитуда импульсов почти не зависит от напряжения питания.

Заключение

На этом я заканчиваю рассмотрение газоразрядных детекторов. Я не касался здесь детекторов, задачей которых является восстановление пространственной траектории частиц — искровых и стримерных камер, многоэлектродных пропорциональных и дрейфовых камер, так как имею о них лишь самое общее представление. Следующая статья будет посвящена сцинтилляционным детекторам.

SU717679A1 – Детектор ионизирующего излучения

Sj – 82, тае Sj – светосумма, запасенная люминофором SrS ; Sm, Tb за счет свечения ZnS.Ag,B, обусловленного, в основном, чувствительностью последнего к гамма-излучьййю, и высвечива емая ъ высокотемпературном йике 2. Значени s отноЬительно В, может быть йолучено iq облучении детектора гамма-излучением, при этом в si автоматически входит вели1аша 0,06 S,., V Для получения детектора быстрьтх йейтрЬ нов выбран СШ1НТИЛЛЯТОР быстрых {{ай1гроаоё, пЬлйстирол с добавками 11-терфенила и Рош, ; ;- -. ; :.. ; -;..:.. Спектр излучения сцинтиллятора имеет мак симум при 390-430 нм. В качестве люминофора-аккумулятора этого свечения выбран сульфид стронция, акщвнрованнь1Й самарием и тербием « SrS/&n, ТЬ При облучении быстрыми нейтрснаш де тектора, состоящего из сочеташш выбранного сцинтиллятора с люминофором SrS.Srn, Tb, последний запасает светосумму, высвечиваемую в виде одного вь1со готемпературного пика термовысвечивакия (КТВ ttl). Низкотемпературный пик в этом случае отсутсйу«т так как собственная чувствительность SrS : :: Sm, Tb к быстрьш нейтронам мала, а высокотемпературный пик характеушзует свето сумму, запасенную люминофором за счет эйф гии, переданной ему сцинтиллятором, т.е. характеризует поток быстрых нейтронов. При облучении детектора смешанным (гамма + быстрые Нейтроны) излучением по аналогии с изложенным в преш 1Дущем примере, поток быстрых нейтронов характери зуется светосуммой “/>, определяемой либо выражением (1) при условии Si CS2, либо выражением (2) при условии Sj Sj, поскольку выбранный сцинтиллятор чувствителен не только к быстрым нейтронам, но и к гамма-излу книю. С помощью детекторов, выполненных в виде сочетания сцинтиллятора с люминофором достигается тканеэквивалентность (в то 910 время, как используемый люминофор SrS ; : Sm, Tb нетканеэквивалентен), достигается ВОЗМОЖНОСТЬ определения качества рентгеновского и гамма-излучения (в то время как ни один отдельно взятый ТДЦ-детектор не Позволяет определить качество излучения), достигается ВОЗМОЖНОСТЬ детектирования нейтронов в нейтронных и сК ёшаШйх полях (в то время, как люмвдофор SrS : Sm, Tb практически нечзгвствитйтён к нейтронам). Кроме того, с тюмбщбю детекторов по предлагаемому изобретеийго может быть полутона хорбшая сохранАемость дЬзй(е ричеС кой информации, так как основная информация в, ТЬ содержится в ймсокотемпературном гопсе термознсве«шваго Я, Эффективность регистрации рйзличных ендов и разли«йй1|х э«ергай ионизирующего нзлучения зависит от конструктивных особенностей вьшолнення детектбров к, прежде всего, от способа сочеташя сцинтиллятоfoi с люмиш ором (сплав, езек, механическая смесь мелкодисперных {С()в, (ягшческий контакт между крнетаялом сцинтиллятора н пюмийофором н тд. ). Опреде 1яющуго роль в выбЬре со«йтаняя играет химический состав ктяпошегюв н возможность их совмесгаого вагрева в произессе термовысвечиванйя. Тгис, в свучк приме нения в качестве сщттийляторсв оргасшческих материалов, образцы свт1тиялятора я люминофора приводятся в контакт, совместйо облучаются k хранятся, а с«штываш5ш (нагреванию и снятию термояголтнесдаяадаи) подвергается лишь образец люмшюфк Возможность реглйментиро8.аш1ой регистрации ионизирующего излучешм разякгвдых видов и энергнй обусловлена тем, что в детекторах по предлагаемому изобретению осуществляется, по крайней мере, Истичное разделение функвди поглощения энергии ионизирую-щего излучения (эту функцию выполняет сщштаплятор) и функций запасания дозимет{жческой информации (эту функцию выполняет люлогаофор). При этом, в отличке от ТЛД-детекторов, к люминофору не предъявляется требований ни в отношении регламентированного поглощения ионизирующего излучения, ни в отношении эффективности запасания свётосуммы под действием этого излучения. Формулаизобретения 1. Детектор ионизирующего излучения на основе люминофора, отяичающийс я тем, что, с целью регламентированной регистрации излучений различных видов, он выполнен в виде сочетания сцинтиллятора регистрируемого излучения с люминофором, обладающим спектром возбуждения термолюминесцешдаи, перекрывающимся со спектром излучения сцинтиллятора, 2.Детектор по п. 1, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что при регистрации рентгеновского и гамма-излучения в качестве сцинтиллятора выбран материал, обладающий рептаментирошнной зависимостью световыхода от энергии рентгеновского и гамма-излучення, а в качестве люминофора – материал, имеюидай разточные пики термовысвечивания при возбукдеНИИ ионизирующим излучением и излучением сцинтиллятора. 3,Детектор по п. 1, о т л и ч а № щ и и с я тем, что при регистрации нейтронов в нейтронных и смешанных гамма-нейтрон- ных полях, в качестве сцинтшшятора выбран материал j обладающий эффективным световьцсодом при воздействии нейтронов регистрируемой энергетической области, а в качестве ЮО lюмш oфopa – материал, имеющий отдель1Ш1Й пик термовысвечиванил при возбуждении излу шнием сщуггаллятора. 4.Детектбр по пп. 1 и 2, о т л и ч а ющ и и с я тем{ что в качестве сцинтиллятора выбран Т1санеэквивалентный материал, а- в качестве люминофора – SrS.Sm, Tb. 5.Детектор попп. 1 и 2, о т л и ч. а ющ и и с я тем, что, с целью определения средней энергии спектра рентгеновского и гамма-излучешш, в качестве сцинтиллятора выбран воздухо квйвалентный материал, а в качестве люминофора – SrS Sm, Tb. Источники информации, принятые во ваимание при экспертизе 1.Шварц Н. К. и др. Термолюминесцентная дозиметрия, Рига, Зинауне, 1968, с. 186. 2.Ramm, W.T. Scintillation Detectorc В кн. Radiation Dosimetry Eds Attix F. H. Roesh w. C. Tochilinf., vot. II, blew Jork and Lonфп Academic Press 1966, pp. 123-167. 3. Патент США Г 3282855, кл. 252-301,4, опублик. 1966.. ftOD 300″/>

SU717679A1 – Детектор ионизирующего излучения – Яндекс.ПатентыYou need to enable JavaScript to run this app.

Введение в детекторы излучения

Для тех, кто работает с радиацией или рядом с ней, одним из наиболее важных факторов является осведомленность об уровнях радиации вокруг них. В первую очередь это достигается за счет использования детекторов излучения разных типов. Базовое понимание различных типов детекторов и того, как они работают, может иметь большое значение как для поиска лучшего детектора для требуемой задачи, так и для получения максимальных преимуществ от эксплуатации этого детектора.

A ПРИМЕЧАНИЕ: «СЧЕТЧИКИ ГЕЙГЕРА»

Многие люди, думающие об обнаружении радиации, склонны объединять их всех вместе под термином «счетчики Гейгера» – заблуждение, которое горячо поощряется популярными телешоу и фильмами. Хотя один из наиболее распространенных типов детекторов излучения на самом деле называется «трубкой Гейгера-Мюллера (G-M)», обобщающая фраза «счетчик Гейгера» не всегда является наиболее подходящей. Это применимо к очень специфическому типу детектора и, как правило, к конкретному применению этого детектора.Устройства обнаружения излучения обычно классифицируются либо по типу используемого детекторного элемента, либо по используемому приложению. Люди будут называть инструменты Ионной камерой, Дозиметром, Измерителем загрязнения или Зондом Фрискера. Популярная культура настолько разрушила правильное использование «счетчика Гейгера», что использование этой фразы, как правило, не дает достаточно информации об устройстве, о котором идет речь.

ДЕТЕКТОРЫ ПЕРВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

С первых дней радиационных испытаний, проведенных Рентгеном и Беккерелем, ученые искали способы измерения и наблюдения радиации, испускаемой материалами, с которыми они работали.Одним из первых способов получения каких-либо данных о радиоактивности была фотографическая пластинка. Фотопластинка должна быть размещена на пути или поблизости от радиоактивного луча или материала. Когда пластина была проявлена, на ней были бы пятна или она затуманивалась от воздействия радиации. Анри Беккерель использовал аналогичный метод, чтобы продемонстрировать существование радиации в 1896 году.

Еще одним распространенным ранним детектором был электроскоп. В них использовалась пара золотых листьев, которые заряжались ионизацией, вызванной излучением, и отталкивались друг от друга.Это обеспечило средства измерения излучения с лучшим уровнем чувствительности, чем это было надежно возможно с использованием фотографических пластинок. В зависимости от расположения устройства они могли быть настроены для измерения альфа- или бета-частиц и были ценным инструментом для ранних экспериментов, связанных с радиоактивностью.

Интересным ранним устройством, появившимся из желания измерить фактические отдельные частицы или лучи, испускаемые радиоактивным веществом, в отличие от более грубого измерения радиоактивного поля, был спинтарископ.Разработанный Уильямом Круксом, который также изобрел трубку Крукса, которую использовал Вильгельм Рентген для обнаружения рентгеновских лучей, он использовал экран из сульфида цинка на конце трубки с линзой на другом конце, с небольшим количеством радиоактивного излучения. вещество рядом с экраном из сульфида цинка. Сульфид цинка вступит в реакцию с испускаемыми альфа-частицами, и каждое взаимодействие приведет к крошечной вспышке света. Это был один из первых способов подсчета скорости распада, хотя и очень утомительный, поскольку он означал, что ученым приходилось работать посменно, наблюдая и буквально считая вспышки света.Спинтарископ был не очень практичным в качестве долгосрочного решения для обнаружения радиации, хотя позже, в 20^-м -м веках, он пережил возрождение в качестве образовательного инструмента. Эта тенденция некоторых материалов испускать свет при воздействии радиации также окажется полезной для будущих технологий обнаружения радиации.

Эти первые устройства и многие другие, такие как камеры Вильсона, сыграли важную роль в развитии понимания основных принципов излучения и проведении важных экспериментов, которые заложили основу для более поздних разработок.Это включало разработку новых типов детекторов излучения, многие из которых используются до сих пор, например, G-M-трубки, ионные камеры и сцинтилляторы.

ГДЕ / КОГДА ВАМ НУЖНЫ ДЕТЕКТОРЫ ИЗЛУЧЕНИЯ

Важная часть понимания того, какой тип детектора использовать, – это иметь представление о том, как и где он будет использоваться. Для разных приложений и настроек требуются разные типы детекторов, так как каждый тип детектора может быть адаптирован под свою роль по-разному.Приложения для приборов обнаружения излучения можно в общих чертах разделить на несколько основных задач: измерение, защита и поиск.

Задачи измерения радиации предназначены для ситуаций, когда известно присутствие радиоактивных материалов, которые необходимо контролировать. Цель этого типа обнаружения – осведомленность. Осведомленность о силе установленного радиоактивного поля, границах радиоактивной зоны или просто о распространении радиоактивного загрязнения.Это условия, в которых присутствие радиации ожидается или, по крайней мере, считается вероятным. Требования к детекторам, участвующим в этих настройках, уникальны, часто с относительно более высокими диапазонами измерения или с модификациями, необходимыми для конкретного поиска одного типа излучения.

Радиационная защита аналогична приложениям для измерения радиации в том смысле, что обычно она осуществляется в условиях, когда ожидается присутствие излучения. Однако цели разные.При настройках измерения радиации целью является мониторинг самой радиоактивности, чтобы знать о колебаниях, границах и т. Д. При радиационной защите целью является наблюдение за людьми. Дозиметрия излучения является наиболее распространенным примером этого, когда радиационные значки носят медицинский персонал, работники атомной промышленности и многие другие работники, подвергшиеся профессиональному облучению во всем мире. Важность этого состоит в том, что он обеспечивает защиту от наиболее вредных последствий радиационного облучения посредством осознания того, что владелец может быть в курсе того, сколько радиации он подвергся воздействию и как это соответствует потенциальным последствиям для здоровья, а также изменить их поведение, должность или график соответственно.

Радиационный поиск отличается от двух других основных категорий приложений для обнаружения радиации тем, что он основан как на том факте, что радиации не ожидается в данной области, так и на желании сохранить это положение. В первую очередь цель радиационной безопасности, служб быстрого реагирования или групп, таких как таможенные и пограничные инспекторы, радиационный поиск имеет другой набор требований, отражающих существенно отличающиеся обстоятельства, в которых он проводится.Детекторы должны быть высокочувствительными, и больше внимания следует уделять более мелким скрытым радиоактивным источникам или материалам. Спектроскопия также часто бывает очень полезной, поскольку это обычно небольшое подмножество радиоактивных изотопов, вызывающих озабоченность, и способность отфильтровывать те из них, которые присутствуют по законным причинам, таким как лечение или просто накопление радиоактивных изотопов естественного происхождения. суть важна.

Эти три категории и различные задачи, которые входят в них, помогают определить, какой тип инструмента или детектора лучше всего подходит для этой задачи.

ТИПЫ

Если говорить о приборах обнаружения радиации, то чаще всего используются три типа детекторов, в зависимости от конкретных потребностей устройства. Это: газонаполненные детекторы, сцинтилляторы и твердотельные детекторы. У каждого есть свои сильные и слабые стороны, которые рекомендуют им выполнять свои конкретные роли.

ГАЗОВЫЙ

Детекторы излучения первого типа, газовые детекторы, являются одними из наиболее часто используемых.Существует несколько типов газонаполненных детекторов, и, хотя они по-разному работают, все они основаны на схожих принципах. Когда газ в детекторе вступает в контакт с излучением, он вступает в реакцию, при этом газ становится ионизированным, и результирующий электронный заряд измеряется измерителем.

Различные типы газонаполненных детекторов: ионизационные камеры, пропорциональные счетчики и трубки Гейгера-Мюллера (G-M). Основным отличительным фактором между этими различными типами является приложенное к детектору напряжение, которое определяет тип отклика, который детектор будет регистрировать от события ионизации.

ИОННАЯ КАМЕРА

В нижней части шкалы напряжения для газонаполненных детекторов находятся ионизационные камеры или ионные камеры. Они работают при низком напряжении, что означает, что детектор регистрирует измерение только от «первичных» ионов (на самом деле пара образованных ионов: положительно заряженный ион и свободный электрон), вызванное взаимодействием с радиоактивным фотоном в реакционной камере. . Таким образом, измерение, регистрируемое детектором, прямо пропорционально количеству созданных ионных пар.Это особенно полезно для измерения поглощенной дозы с течением времени. Они также ценны для измерения гамма-излучения высоких энергий, поскольку у них нет проблем с мертвым временем, которые могут быть у других типов детекторов.

Однако ионные камеры не могут различать разные типы излучения, а это означает, что они не могут использоваться для спектроскопии. Они также могут быть более дорогими, чем другие решения. Несмотря на это, они являются ценными детекторами для геодезических счетчиков.Они также широко используются в лабораториях для установления эталонов для калибровок.

ПРОПОРЦИОНАЛЬНО

Следующим шагом на шкале напряжения для газонаполненных детекторов является пропорциональный (или газопропорциональный) счетчик. Как правило, они сконструированы таким образом, что на большей части площади внутри камеры они работают аналогично ионной камере, поскольку при взаимодействии с излучением образуются ионные пары. Однако они имеют достаточно сильное напряжение, чтобы ионы «дрейфовали» к аноду детектора.Когда ионы приближаются к аноду детектора, напряжение увеличивается, пока они не достигнут точки, в которой возникает эффект «газового усиления».

Газовое усиление означает, что исходные ионы, созданные в результате реакции с фотоном излучения, вызывают дальнейшие реакции ионизации, которые умножают силу выходного импульса, измеренного на детекторе. Результирующий импульс пропорционален количеству образовавшихся исходных ионных пар, что соответствует энергии радиоактивного поля, с которым он взаимодействует.

Это делает пропорциональные счетчики очень полезными для некоторых применений в спектроскопии, поскольку они по-разному реагируют на разные энергии и, таким образом, могут определять разницу между разными типами излучения, с которым они вступают в контакт. Они также очень чувствительны, что в сочетании с их эффективностью при обнаружении и различении альфа- и бета-излучения делает этот тип детектора очень ценным в качестве детектора для проверки загрязнения.

ТРУБКА GM

Последний крупный класс газонаполненных детекторов – это трубка Гейгера-Мюллера, отсюда и название «счетчик Гейгера».«Работая при гораздо более высоком напряжении, чем другие типы детекторов, они отличаются от других типов детекторов тем, что каждая реакция ионизации, независимо от того, является ли она взаимодействием отдельных частиц или более сильным полем, вызывает эффект газового усиления по всей длине детектора. детектор анод. Таким образом, они действительно могут функционировать только как простые счетные устройства, используемые для измерения скорости счета или, при применении правильных алгоритмов, мощности дозы.

После каждого импульса G-M должен быть «сброшен» в исходное состояние.Это достигается закалкой. Это можно сделать электронным способом, временно понижая анодное напряжение на детекторе после каждого импульса, что позволяет ионам рекомбинировать обратно в их инертное состояние. Это также может быть достигнуто химически с помощью гасящего газа, такого как галоген, который поглощает дополнительные фотоны, создаваемые ионизационной лавиной, не подвергаясь само ионизации.

Благодаря обширному опыту работы трубок GM с каждым импульсом излучения, они могут испытывать так называемое «мертвое время» при более высоких уровнях воздействия, что означает задержку между каскадом импульсов и моментом, когда газ может вернуться к своему исходному состоянию. состояние и будьте готовы обнаружить еще один импульс.Это может быть выполнено с помощью калибровки или алгоритмов в самих приборах обнаружения, чтобы «вычислить», какие дополнительные импульсы будут основаны на существующих данных измерений.

СЦИНТИЛЛЯТОРЫ

Вторым основным типом детекторов, используемых в приборах обнаружения излучения, являются сцинтилляционные детекторы. Сцинтилляция – это акт испускания света, а для обнаружения излучения способность некоторых материалов мерцать при воздействии излучения делает их полезными в качестве детекторов.Каждый фотон излучения, который взаимодействует со сцинтилляционным материалом, приводит к отчетливой вспышке света, а это означает, что помимо высокой чувствительности сцинтилляционные детекторы могут регистрировать определенные спектроскопические профили для измеряемых радиоактивных материалов.

Сцинтилляционные детекторы работают за счет соединения сцинтилляционного материала с трубкой фотоумножителя (ФЭУ). В трубке с ФЭУ используется фотокатодный материал для преобразования каждого светового импульса в электрон, а затем этот сигнал значительно усиливается, чтобы генерировать импульс напряжения, который затем может быть считан и интерпретирован.Количество этих импульсов, которые измеряются во времени, указывает на мощность измеряемого радиоактивного источника, тогда как информация об удельной энергии излучения, на которую указывает количество фотонов света, захваченных в каждом импульсе, дает информацию о мощности тип присутствующего радиоактивного материала.

Благодаря своей высокой чувствительности и потенциальной способности «идентифицировать» радиоактивные источники сцинтилляционные детекторы особенно полезны для приложений радиационной безопасности.Они могут принимать различные формы, от портативных устройств, используемых для проверки контейнеров на предмет скрытых или экранированных радиоактивных материалов, до мониторов, установленных для проверки больших территорий или групп населения, способных различать естественные или медицинские источники излучения и источники, вызывающие более серьезную озабоченность, такие как Специальный ядерный материал (СНМ).

ТВЕРДОЕ СОСТОЯНИЕ

Последней крупной детекторной технологией, используемой в приборах обнаружения излучения, являются твердотельные детекторы.Обычно при использовании полупроводникового материала, такого как кремний, они работают во многом как ионная камера, только в гораздо меньшем масштабе и при гораздо более низком напряжении. Полупроводники – это материалы, которые имеют высокое сопротивление электронному току, но не такое высокое сопротивление, как изолятор. Они состоят из решетки атомов, которые содержат «носители заряда», то есть либо электроны, которые можно прикрепить к другому атому, либо электронные «дыры», либо атомы с пустым местом, где мог бы / мог бы находиться электрон.

Кремниевые твердотельные детекторы состоят из двух слоев кремниевого полупроводникового материала: одного «n-типа», что означает, что он содержит большее количество электронов по сравнению с дырками, и одного «p-типа», что означает, что он имеет большее количество электронов. дырки, чем электроны. Электроны n-типа мигрируют через соединение между двумя слоями, чтобы заполнить дыры в p-типе, создавая так называемую зону истощения.

Эта зона истощения действует как зона обнаружения ионной камеры.Излучение, взаимодействующее с атомами внутри зоны истощения, заставляет их повторно ионизироваться и создавать электронный импульс, который можно измерить. Небольшой размер детектора и самой зоны истощения означает, что пары ионов могут быть собраны быстро, а это означает, что инструменты, использующие этот тип детектора, могут иметь особенно быстрое время отклика. Это, в сочетании с их небольшими размерами, делает этот тип твердотельного детектора очень полезным для приложений электронной дозиметрии. Они также способны выдерживать гораздо большее количество излучения в течение своего срока службы, чем другие типы детекторов, такие как G-M Tubes, а это означает, что они также полезны для приборов, работающих в областях с особенно сильными радиационными полями.

Обнаружение излучения | NRC.gov

Хотя многие радиоактивные материалы представляют собой металлические твердые частицы серебристого цвета в чистом виде, они могут различаться по цвету и находиться в разных физических состояниях, включая жидкости и газы. Они также физически неотличимы от других (нерадиоактивных) металлов. Кроме того, ионизирующее излучение не обнаруживается органами чувств. Его нельзя увидеть, услышать, понюхать, попробовать или почувствовать. По этим причинам простого визуального осмотра недостаточно для идентификации радиоактивных материалов, а источники излучения практически невозможно распознать без специальной маркировки.Для решения этих проблем ученые разработали следующие четыре основных типа инструментов для обнаружения и идентификации радиоактивных материалов и ионизирующего излучения:

Персональный детектор излучения (PRD)

PRD – это носимый детектор гамма- и / или нейтронного излучения, размером примерно с пейджер. При воздействии повышенного уровня излучения устройство подает сигнал тревоги мигающим светом, звуковым сигналом и / или вибрацией. Большинство PRD численно отображают обнаруженную интенсивность излучения (по шкале от 0 до 9) и, таким образом, могут использоваться для определения местоположения источника излучения; однако они, как правило, не так чувствительны, как портативные измерительные приборы, и не могут определить тип радиоактивного источника.

Портативный измерительный прибор

Как следует из названия, дозиметр представляет собой портативный детектор излучения, который обычно измеряет количество присутствующего излучения и предоставляет эту информацию на цифровом дисплее в единицах отсчетов в минуту, отсчетов в секунду или микрорентген (мкР) или микробэр ( мкбэр) в час. Большинство этих устройств обнаруживают только бета- и гамма-излучение. Однако некоторые модели могут обнаруживать альфа, бета, гамма и / или нейтронное излучение, испускаемое радиоактивными материалами.

Один конкретный измеритель, известный как телетектор, специально разработан для обнаружения гамма- и рентгеновского излучения. Это устройство, названное в честь его «телескопической» способности, может быть увеличено примерно до 4 метров (13 футов) для измерения очень высоких мощностей дозы, не подвергая пользователя ненужному облучению. Кроме того, эти устройства обычно могут измерять мощность дозы в диапазоне от 0 до 1000 рад в час.

Устройство радиационной идентификации изотопов (RIID

RIID – это детектор излучения с возможностью анализа энергетического спектра излучения с целью идентификации конкретного радиоактивного материала (радионуклида), излучающего излучение.Кроме того, эти устройства можно использовать в качестве исследовательских инструментов для обнаружения радиоактивных материалов.

Радиационный портальный монитор (об / мин)

RPM – это большой радиационный монитор (или «портал») для персонала, транспортных средств, контейнерных ящиков или поездов. Как правило, эти устройства состоят из двух колонн с детекторами излучения, за которыми можно удаленно наблюдать с панели дисплея. Эти мониторы сигнализируют о наличии радиоактивных материалов, в том числе материалов с низким уровнем излучения, таких как уран.

Страница Последняя редакция / обновление 20 марта 2020 г.

Пригодность датчиков камеры смартфона для обнаружения излучения

Было протестировано приложение RadioactivityCounter, установленное на iPhone 6s. Измерения проводились с калиброванным источником ( ¹³⁷ Cs) с помощью фронтальной камеры телефона. Другие измерения с использованием задней камеры были выполнены с использованием экологических прокладок. Полученные данные были графически представлены и проанализированы с помощью Microsoft Excel.Приложение RadioactivityCounter также было протестировано при нормальном уровне радиационного фона. Указанная мощность дозы стабилизировалась через 4 мин и составила около 0,10 мкЗв / ч.

Чтобы оценить минимальное время экспозиции, необходимое для стабильного сигнала, iPhone 6s облучали в течение 3 минут в измерительных установках. Судя по данным, записанным приложением с использованием откалиброванного источника ( ¹³⁷ Cs), средняя мощность дозы, полученная через 3 минуты, немного отличалась от ожидаемых значений, но все же в некоторой степени приемлемая.Это контрастирует с предыдущим исследованием, которое показало, что минимальное время, необходимое для стабильного сигнала, должно составлять 10 минут или более ¹² . Подходящее время будет зависеть от используемого приложения, мощности дозы и типа смартфона.

Измерения мощности дозы

Мощность дозы излучения была измерена телефоном как функция расстояния между источником и датчиком смартфона. Кроме того, показаны ожидаемые мощности дозы, определенные из данных калибровки, связанных с калибровкой источника ARPANSA, и сопоставлены с измеренными мощностями дозы (рис.4). При дозах выше примерно 20 мкЗв / ч измеренные значения имели тенденцию совпадать с ожидаемыми мощностями доз; однако ниже этого уровня телефон показывал некоторые отклонения. Кроме того, по мере увеличения расстояния мощность дозы уменьшалась, и, следовательно, уменьшалось излучение, обнаруживаемое приложением. На рисунке 5 показан график зависимости количества в минуту от измеренной мощности дозы, полученной приложением RadioactivityCounter. Был очевиден приблизительно линейный ответ, тогда как при более низких дозах эта взаимосвязь была менее очевидной.При низких мощностях дозы около 10 мкЗв / ч реакция телефона была слабой. Поскольку в идеале реакция дозиметра на ионизирующее излучение не должна зависеть от мощности дозы, приложение было облучено с использованием откалиброванного радиоактивного источника ( ¹³⁷ Cs) с различными мощностями дозы в диапазоне от 104 до 1,0 мкЗв / ч и на разных расстояниях, как показано на рис. 4. Взаимосвязь между ожидаемой и измеренной мощностями дозы (мкЗв / ч) в зависимости от расстояния (см) представлена ​​графически (рис. 4).

Рисунок 4

Ожидаемые и измеренные мощности дозы (мкЗв / ч) в зависимости от расстояния (см).Ожидаемые дозы представляют собой значения откалиброванного источника ( ¹³⁷ CS), тогда как измеренные дозы представляют собой значения, зарегистрированные приложением RadioactivityCounter.

Рис. 5

Измеренные и ожидаемые мощности дозы (мкЗв / ч).

Ожидаемая доза представляет собой значения, полученные от откалиброванного источника (таблица 1) (гамма-излучатель ¹³⁷ Cs-661,6 кэВ), полученного в калибровочном центре. Измеренная доза представляет собой значения, полученные приложением RadioactivityCounter.Полученные данные при мощностях дозы выше 20 мкЗв / ч примерно соответствовали ожидаемым значениям, представленным на рис. 4. Измеренные и эталонные мощности дозы демонстрируют некоторое отклонение при более низких мощностях дозы, вероятно, из-за пониженной чувствительности КМОП-датчиков к низким значениям. значения мощности дозы. На рис. 5 показаны измеренные дозы в сравнении с ожидаемыми. Наблюдалась приблизительная линейная реакция, хотя при более низких мощностях дозы около 10 мкЗв / ч эта взаимосвязь была менее четкой. Таким образом, реакция телефона казалась более слабой при низких мощностях дозы.

Количество импульсов в минуту, зарегистрированное приложением, подвергшимся воздействию радиоактивного источника ( ¹³⁷ Cs), было прямо пропорционально мощности дозы выше 20 мкЗв / ч, как показано на рис. 6. Этот результат контрастирует с предыдущим исследованием, в котором физики протестировали iPhone 4S в Австралийской организации ядерной науки и технологий (ANSTO). Регистрируемые числа импульсов в минуту были прямо пропорциональны мощности дозы выше 30 мкЗв / ч ⁸ . Относительно низкая производительность приложения RadioactivityCounter при мощности дозы ниже 10 мкЗв / ч продемонстрирована на рис.5 и 6, что коррелирует с ранее опубликованными результатами ¹¹ . Такая низкая чувствительность может быть связана с небольшим размером датчика CMOS.

Рисунок 6

Зависимость между числом импульсов в минуту (CPM) и измеренной мощностью дозы (мкЗв / ч).

Измерения угловой зависимости

Угловая зависимость измерений показана на рис. 7. Точками обозначены мощности дозы при разных углах ориентации, измеренные приложением. Анализ графиков ниже указывает на более низкую доза-реакция при 0 ° и 180 °.Наибольшие отклики наблюдались при 30 ° и 135 °, а средние отклики – при других углах. Это говорит об определенной тенденции в отношении углов измерения. Углы 0 ° и 180 ° менее эффективны, и излучение с меньшей вероятностью взаимодействует, когда матрица пикселей является «плоской» относительно угла луча.

Рис. 7

Мощность дозы (мкЗв / ч), зарегистрированная приложением RadioactivityCounter, в зависимости от угла падения (градусы).

Отклик детектора ионизирующего излучения также не должен зависеть от угла падения излучения.Поэтому была оценена угловая зависимость приложения RadioactivityCounter. Угловая характеристика телефона от 0 ° до 180 ° для мощности дозы 37,5 мкЗв / ч показана на рис. 7, и этот результат показывает, что реакция телефона на излучение имеет угловую зависимость от ориентации телефона. Углы 0 ° и 180 ° соответствуют обращению к источнику и обращению от источника излучения. Данные на рис. 7 показывают, что CMOS фронтальной камеры телефона может обнаруживать вредное ионизирующее излучение при любом угле падения излучения.Это помогает определить направление ионизирующего излучения от источника к смартфону ¹⁴ . Изменение угла входящих гамма-лучей изменяет защиту, через которую проходят гамма-лучи, чтобы достичь датчика. Например, под определенными углами гамма-лучи пройдут через батарею, прежде чем достигнут камеры. Этот материал ослабляет гамма-лучи и объясняет, почему мощность дозы различается под разными углами. Взаимодействие с промежуточным материалом также может генерировать электроны высокой энергии, которые затем обнаруживаются датчиками CMOS ¹⁵ .ANSTO обнаружило, что iPhone 4 s имеет угловой отклик, не зависящий от углового удара при 50 и 150 мкЗв / ч ⁸ . Другое предыдущее исследование показало, что угловой отклик iPhone 4s не зависит от значения 1000 мкЗв / ч ¹² . Напротив, из результатов, показанных на рис. 8, угловая характеристика iPhone 6s ‘зависит от его ориентации при более низких мощностях дозы около 37,5 мкЗв / ч.

Рисунок 8

Число отсчетов в минуту (CPM) в зависимости от мощности дозы (мкЗв / ч), измеренной приложением RadioactivityCounter на панели 5.

Измерения бетонной подушки

Измеренные мощности дозы в сравнении с CPM, полученные приложением RadioactivityCounter над калибровочной площадкой № 5 (рис. 8). Телефон не обнаружил обнаружения, так как уровень излучения, излучаемого этой подушечкой, невелик и составляет почти 0,35 мкЗв / ч ¹³ . Этот уровень радиации ниже установленного предела обнаружения.

Данные, записанные приложением RadioactivityCounter на площадке № 5, графически представлены в виде зависимости между количеством отсчетов в минуту и ​​мощностью дозы (мкЗв / ч), как показано на рис.8. Поскольку чувствительность приложения к обнаружению излучения ограничена 10 мкЗв / ч, не было обнаружено, что излучение, исходящее от Pad 5, было на уровне 0,35 мкЗв / ч. Этот вывод соответствует данным разработчика, в котором чувствительность этого приложения начинается с 10 мкЗв / ч ¹¹ . Нижний предел датчика CMOS, вероятно, связан с разрешением датчика CMOS и небольшим размером.

КМОП-сенсоры обсуждались как полезный инструмент для дозовой сигнализации в средах, где рабочие могут подвергаться радиационному воздействию. ¹⁶ .Однако они не получили широкого распространения в приложениях безопасности из-за низкого отношения сигнал / шум и ограниченного динамического диапазона ¹⁶ . Тем не менее, КМОП-датчики дешевы и предлагают доступную мощность. Ожидается, что дальнейшее развитие КМОП-технологии снизит шум, создаваемый этими матрицами датчиков. Крайне важно отметить, что датчики изображения в имеющихся в продаже камерах должны быть тщательно проверены, прежде чем их можно будет использовать в качестве радиационной сигнализации ⁷ . Чтобы использовать смартфоны в качестве радиационной сигнализации, необходимо тщательно охарактеризовать радиационные характеристики смартфонов.Необходимо провести дальнейшие исследования, чтобы охарактеризовать индуцированную излучением интенсивность пикселей на CMOS-датчике смартфона, отличая его от теплового шума.

На рис. 9 показаны измеренные мощности дозы в зависимости от CPM, когда телефон направлен на солнце. Наблюдалась линейная зависимость. Хотя эти результаты не представляют собой измерения радиации, они демонстрируют, что CPM и мощность дозы, регистрируемая приложением, напрямую связаны. Что касается данных, собранных с бетонных площадок, то на калибровочной площадке номер 1 приложение не зафиксировало излучения, так как доза этой площадки ниже предела 10 мкЗв / ч.Однако солнечный свет генерировал ложный сигнал CMOS-сенсором смартфона, как показано на рис. 9. Наблюдалась линейная зависимость между количеством отсчетов в минуту и ​​мощностью дозы (мкЗв / ч), зарегистрированной приложением RadioactivityCounter (рис. 9). Это демонстрирует, что приложение потенциально может быть разработано, что позволит использовать смартфон в качестве люксметра для измерения личного воздействия солнца (таблица 2, рисунки 10, 11, 12).

Рис. 9

Зависимость счета в минуту от мощности дозы (мкЗв / ч), записанная приложением RadioactivityCounter.

Рисунок 10

Измерительная установка с подставкой.

Рисунок 11

Измерительная установка, направленная прямо на солнечный свет над площадкой 1.

Рисунок 12

Измерительная установка без подставки.

Смартфоны могут предлагать настраиваемые данные с помощью удобных приложений, которые могут оказаться более полезными, чем обычное оборудование специального назначения. Качество сенсоров и вычислительная мощность смартфонов постоянно улучшаются. Потребительский спрос на высококачественные датчики изображения высок.Современные камеры смартфонов обладают расширенными функциями, такими как ускоренная интенсивность пикселей камеры, более высокое качество изображения и более невероятная скорость. Эти функции позволяют смартфонам быть особенно полезными в их способности обнаруживать излучение ⁷ . Датчики с зарядовой связью (CCD) ранее были протестированы на обнаружение излучения ¹⁵ . Датчики CCD преобразуют свет в электрический заряд. Заряд, накопленный в каждой ячейке датчика изображения, переносится матрицей ПЗС по чипу и считывает каждый массив перед преобразованием значения каждого пикселя в аналого-цифровом преобразователе (АЦП).АЦП преобразует значения заряда в двоичный сигнал ¹⁶ .

С другой стороны, устройства CMOS используют транзисторы, которые расположены в каждом пикселе матрицы датчиков. Эти транзисторы усиливают и передают накопленный заряд с помощью проводов ^{, 16,} . Хотя они предназначены для обнаружения видимого света, они также могут обнаруживать более высокие энергии ионизирующего излучения ⁸ . КМОП-датчики обсуждались как полезный инструмент для дозиметрической сигнализации в средах, в которых рабочие могут подвергаться радиационному воздействию ¹⁵ .Однако они не получили широкого распространения в приложениях безопасности из-за низкого отношения сигнал / шум и ограниченного динамического диапазона ¹⁵ . Тем не менее, КМОП-датчики дешевы и предлагают доступную мощность. Ожидается, что дальнейшее развитие КМОП-технологии снизит шум, создаваемый этими матрицами датчиков.

Датчики изображения в имеющихся в продаже камерах необходимо тщательно проверить, прежде чем использовать их в качестве радиационной сигнализации. ⁷ . Необходимо провести дальнейшие исследования, чтобы охарактеризовать индуцированную излучением интенсивность пикселей на CMOS-датчике смартфона, отличая его от теплового шума.Для смартфонов доступно несколько платных и бесплатных приложений для обнаружения радиации. Эти приложения включают GammaPix, Cell Rad, RadioactivityCounter, WiFi Radiation Meter download, Pocket Geiger, EMF scanner и другие ¹⁶ .

В предыдущих исследованиях использовались старые типы смартфонов с ограниченными протестированными параметрами. Сообщается, что чувствительность КМОП-сенсора значительно зависит от типов и моделей смартфонов из-за различий в производителях, производственном процессе, используемых фильтрах и различиях в усилении КМОП-усилителей ¹⁷ .Остальные смартфоны демонстрируют разную чувствительность CMOS для разных систем одного и того же типа ¹² . Алессандри ¹⁸ оценил использование трех смартфонов (Samsung S4, Samsung S7 и Samsung A3) для обнаружения излучения с различными источниками излучения (Na-22, Zn-65 и Cs-137). В исследовании сообщается, что смартфоны реагируют на излучение противоположным образом. Смартфоны с усовершенствованными датчиками показали более высокие значения шума. Jochen et al. ¹⁹ сказал, что смартфон используется для измерения доз радиации и тестирования различных параметров в образовательных целях.

Однако, несмотря на низкую чувствительность смартфонов к низкому уровню радиации, они могут быть очень полезны в сценариях аварий. Население может подвергаться более высоким уровням доз ^{20,21, 22} . Следовательно, научное сообщество должно инвестировать и совершенствовать существующие общественные методы. Это помогает развить хорошо информированное общество, и любой пользователь может контролировать радиацию для количественной оценки интенсивности радиоактивности. Обычные методы дозиметрии требуют дорогостоящего оборудования с уникальными навыками.

Ограничения исследования

Одним из заметных ограничений этого исследования является то, что для стабильного измерения требуется подходящее время измерения, которое может составлять от четырех до десяти минут. Следовательно, быстрые радиационные исследования, которые необходимы (часто в считанные секунды) для быстрого реагирования на безопасность, не могут быть выполнены RadioactivityCounter, в котором после надлежащей стабилизации в течение четырех-десяти минут требуется по крайней мере одна дополнительная минута для получения измерения. Кроме того, если черная лента неправильно приклеена к объективу камеры, могут быть обнаружены видимые лучи, которые сделают измерение недействительным.На точность приложения RadioactivityCounter также может влиять высокая температура или низкий заряд батареи. Чувствительность CMOS ограничена 10 мкГр / ч; таким образом, низкие мощности дозы не могут быть обнаружены. Кроме того, обработка данных в приложении быстро разряжает аккумулятор смартфона, а черная лента может повредить объектив телефона при частом использовании. Альфа-излучение невозможно обнаружить, так как оно блокируется корпусом, линзами и крышкой мобильного телефона. Однако с помощью этого приложения можно измерять гамма-лучи, рентгеновские лучи и бета-частицы с высокой энергией.

В чем разница между счетчиком Гейгера и персональным детектором излучения?

Выберите страну / регион *

Выберите страну / regionUnited StatesCanadaAfghanistanAlbaniaAlgeriaAmerican SamoaAndorraAngolaAnguillaAntarcticaAntigua и BarbudaArgentinaArmeniaArubaAustraliaAustriaAzerbaijanBahamasBahrainBangladeshBarbadosBelarusBelgiumBelizeBeninBermudaBhutanBoliviaBosnia и HerzegovinaBotswanaBouvet IslandBrazilBritish Индийского океана TerritoryBrunei DarussalamBulgariaBurkina FasoBurundiCambodiaCameroonCape VerdeCayman IslandsCentral африканского RepublicChadChileChinaChristmas IslandCocos (Килинг) IslandsColombiaComorosCongoCongo, Демократической Республика ofCook IslandsCosta RicaCote D’IvoireCroatiaCubaCyprusCzech RepublicDenmarkDjiboutiDominicaDominican RepublicEast TimorEcuadorEgyptEl SalvadorEquatorial GuineaEritreaEstoniaEthiopiaFalkland остров (Мальвинские) Фарерские острова, Фиджи, Финляндия, Югославская Республика Македония, Франция, Французская Гвиана, Французская Полинезия, Южные французские территории, Габон, Гамбия, Грузия, Германия, Гана, Гибралтар, Греция, Гренландия, Гренада, Гуаделупа, Гуам, Гватемала, Гвин eaGuinea-BissauGuyanaHaitiHeard и McDonald IslandsHoly Престол (Ватикан) HondurasHong KongHungaryIcelandIndiaIndonesiaIran (Исламская Республика) IraqIrelandIsraelItalyJamaicaJapanJordanKazakstanKenyaKiribatiKorea, Корейские Народно-Демократической RepKorea, Республика ofKuwaitKyrgyzstanLao Народный Демократической RepLatviaLebanonLesothoLiberiaLibyan Arab JamahiriyaLiechtensteinLithuaniaLuxembourgMacauMadagascarMalawiMalaysiaMaldivesMaliMaltaMarshall IslandsMartiniqueMauritaniaMauritiusMayotteMexicoMicronesia, Федеративные StatesMoldova, Республика ofMonacoMongoliaMontserratMoroccoMozambiqueMyanmarNamibiaNauruNepalNetherlandsNetherlands AntillesNew CaledoniaNew ZealandNicaraguaNigerNigeriaNiueNorfolk IslandNorthern Mariana IslandsNorwayOmanPakistanPalauPanamaPapua Нового GuineaParaguayPeruPhilippinesPitcairnPolandPortugalPuerto RicoQatarReunionRomaniaRussian FederationRwandaSaint HelenaSaint Китс и НевисСент-ЛюсияСент-Пьер и МикелонСамоаСан-МариноСао-Томе и ПринсипиСаудовская АравияСенегалСейшельские островаS ierra LeoneSingaporeSlovakiaSloveniaSolomon IslandsSomaliaSouth AfricaSpainSri LankaSth Georgia & Sth Sandwich Институт социальных Винсент и GrenadinesSudanSurinameSvalbard и Ян MayenSwazilandSwedenSwitzerlandSyrian Arab RepublicTaiwan, провинция ChinaTajikistanTanzania, Объединенная Республика ofThailandTogoTokelauTongaTrinidad и TobagoTunisiaTurkeyTurkmenistanTurks и Кайкос IslandsTuvaluUgandaUkraineUnited Арабские EmiratesUnited KingdomUruguayUS Малые отдаленные IslandsUzbekistanVanuatuVenezuelaVietnamVirgin острова (Британские) Виргинские острова (U.S.) Острова Уоллис и Футуна, Западная Сахара, Йемен, Югославия, Замбия, Зимбабве,

Галогенид свинцовых перовскитов для обнаружения ионизирующего излучения

1.

Спан М. Детекторы рентгеновского излучения в медицинской визуализации. Nucl. Instrum. Meth. А 731 , 57–63 (2013).

ADS CAS Статья Google ученый

2.

Карел В. Е. В. Неорганические сцинтилляторы в медицинской визуализации. Phys. Med. Биол. 47 , R85 (2002).

Артикул Google ученый

3.

Duan, X. et al. Система рентгеновского досмотра грузовых контейнеров с малоракурсной проекцией. Nucl. Instrum. Meth. А 598 , 439–444 (2009).

ADS CAS Статья Google ученый

4.

Хафф Р. П. и Тойофуку Н. Обнаружение дефектов и загрязнений в пищевой промышленности с помощью рентгеновского излучения. Sens.Instrum. Качество еды. 2 , 262–273 (2008).

Артикул Google ученый

5.

Chapman, H. N. et al. Фемтосекундная рентгеновская нанокристаллография белков. Природа 470 , 73 (2011).

ADS CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый

6.

Хардинг Г. Рентгеновская томография рассеяния для обнаружения взрывчатых веществ. Radiat. Phys. Chem. 71 , 869–881 (2004).

ADS CAS Статья Google ученый

7.

Sales, B.C. & Boatner, L.A. Свинцово-железо-фосфатное стекло: стабильная среда для хранения высокоактивных ядерных отходов. Наука 226 , 45 (1984).

ADS CAS PubMed Статья Google ученый

8.

Яффе, М.Дж. И Роулендс, Дж. А. Детекторы рентгеновского излучения для цифровой радиографии. Phys. Med. Биол. 42 , 1 (1997).

CAS PubMed Статья Google ученый

9.

Зентаи, Г. Рентгеновские изображения для внутренней безопасности. Внутр. J. Signal Imaging Syst. Англ. 3 , 13–20 (2010).

Артикул Google ученый

10.

Kasap, S.и другие. Аморфные и поликристаллические фотопроводники для плоскопанельных датчиков рентгеновского изображения прямого преобразования. Датчики 11 , 5112 (2011).

CAS PubMed Статья Google ученый

11.

Деванатан Р., Корралес Л. Р., Гао Ф. и Вебер У. Дж. Дисперсия сигнала в детекторах гамма-излучения – обзор. Nucl. Instrum. Meth. А 565 , 637–649 (2006).

ADS CAS Статья Google ученый

12.

Лин, Э. С. Радиационный риск от медицинских изображений. Mayo Clin. Proc. 85 , 1142–1146 (2010).

PubMed PubMed Central Статья Google ученый

13.

Zheng, X. et al. Пассивация дефектов в гибридных перовскитных солнечных элементах с использованием анионов и катионов галогенида четвертичного аммония. Нат. Энергетика 2 , 17102 (2017).

ADS CAS Статья Google ученый

14.

Xiao, Z. et al. Эффективные перовскитовые светодиоды с нанометровыми кристаллитами. Нат. Фотон 11 , 108 (2017).

ADS CAS Статья Google ученый

15.

Bao, C. et al. Малошумящие фотоприемники с большим линейным динамическим диапазоном на основе тонких монокристаллов гибридного перовскита. Adv. Матер. 29 , 1703209 (2017).

Артикул CAS Google ученый

16.

Чжао, Дж. и др. . Напряженные гибридные тонкие пленки перовскита и их влияние на внутреннюю стабильность перовскитных солнечных элементов. Sci. Adv . 3 , eaao5616 (2017).

17.

Якунин С. и др. Детектирование рентгеновских фотонов обработанными растворами перовскитами галогенидов свинца. Нат. Фотон 9 , 444 (2015).

ADS CAS Статья Google ученый

18.

Wei, H. et al. Чувствительные рентгеновские детекторы из монокристаллов перовскита трибромида метиламмония и свинца. Нат. Фотон 10 , 333 (2016).

ADS CAS Статья Google ученый

19.

Heiss, W. & Brabec, C. Обнаружение перовскитов при помощи рентгеновского излучения. Нат. Фотон 10 , 288 (2016).

ADS CAS Статья Google ученый

20.

Каннингем И. А. и Шоу Р. Оптимизация отношения сигнал-шум в медицинских системах визуализации. J. Opt. Soc. Являюсь. А 16 , 621–632 (1999).

ADS Статья Google ученый

21.

Касап С.О. Чувствительность фотопроводников к рентгеновскому излучению: приложение к стабилизированному a-Se. J. Phys. Д 33 , 2853 (2000).

ADS CAS Статья Google ученый

22.

Лингрен, К. Л. и Батлер, Дж. Ф. Оценка характеристик полупроводниковых детекторов излучения с помощью статического анализа заряда. IEEE Trans. Nucl. Sci. 45 , 1723–1725 (1998).

ADS CAS Статья Google ученый

23.

Худа, В. и Абрахамс, Р. Б. Медицинская визуализация и разрешение на основе рентгеновских лучей. Am. J. Roentgenol. 204 , W393 – W397 (2015).

Артикул Google ученый

24.

Guerra, M. et al. Характеристики трех различных Si-детекторов рентгеновского излучения для портативных XRF-спектрометров в приложениях, связанных с культурным наследием. J. Instrum. 7 , C10004 (2012).

Артикул CAS Google ученый

25.

Arfelli, F. et al. Кремниевый детектор рентгеновского излучения для цифровой радиологии синхротронного излучения. Nucl. Instrum. Meth. А 353 , 366–370 (1994).

ADS CAS Статья Google ученый

26.

Рикнер, Г. и Грузелл, Э. Влияние радиационного повреждения на кремниевые детекторы p-типа. Phys. Med. Биол. 28 , 1261 (1983).

CAS Статья Google ученый

27.

Nagarkar, V. V. et al. Структурированные сцинтилляторы CsI (Tl) для рентгеновских изображений. IEEE Trans. Nucl. Sci. 45 , 492–496 (1998)

CAS Google ученый

28.

Starkenburg, D. J. et al. Тонкопленочные органические фотодетекторы для непрямого обнаружения рентгеновского излучения, демонстрирующие низкую чувствительность к мощности дозы при низком напряжении. J. Appl. Phys. 122 , 225502 (2017).

ADS Статья CAS Google ученый

29.

Büchele, P. et al. Рентгеновское изображение с помощью сенсибилизированных сцинтиллятором гибридных органических фотоприемников. Нат. Фотон 9 , 843 (2015).

ADS Статья CAS Google ученый

30.

Sellin, P.J. Последние достижения в области составных полупроводниковых детекторов излучения. Nucl. Instrum. Meth. А 513 , 332–339 (2003).

ADS CAS Статья Google ученый

31.

Эванс, Р. Д. и Нояу, А. Атомное ядро ​​, Vol. 582 (McGraw-Hill, Нью-Йорк, 2015).

32.

Купер, Р. Дж., Амман, М., Люк, П. Н. и Веттер, К. Прототип германиевого детектора высокой чистоты для гамма-спектроскопии высокого разрешения при высоких скоростях счета. Nucl. Instrum. Meth. А 795 , 167–173 (2015).

ADS CAS Статья Google ученый

33.

Оуэнс, А. и Пикок, А. Составные полупроводниковые детекторы излучения. Nucl. Instrum. Meth. А 531 , 18–37 (2004).

ADS CAS Статья Google ученый

34.

Лимузен О. Новые тенденции в детекторах CdTe и CdZnTe для приложений рентгеновского и гамма-излучения. Nucl. Instrum. Meth. А 504 , 24–37 (2003).

ADS CAS Статья Google ученый

35.

Zhang, F. et al. Характеристика системы считывания h4D ASIC и 6,0 см ³ 3-D позиционно-чувствительных детекторов CdZnTe. IEEE Trans. Nucl. Sci. 59 , 236–242 (2012).

ADS Статья Google ученый

36.

Хитоми К., Кикучи Ю., Сёдзи Т. и Исии К. Улучшение разрешения по энергии в детекторах TlBr. Nucl. Instrum. Meth. А 607 , 112–115 (2009).

ADS CAS Статья Google ученый

37.

Фанг, Й. и Хуанг, Дж. Устранение слабого света в субпиковатт на квадратный сантиметр гибридными перовскитными фотодетекторами на основе шумоподавления. Adv. Матер. 27 , 2804–2810 (2015).

CAS PubMed Статья Google ученый

38.

De Wolf, S. et al. Металлоорганические галогенидные перовскиты: острый край оптического поглощения и его связь с фотоэлектрическими характеристиками. J. Phys. Chem. Lett. 5 , 1035–1039 (2014).

PubMed Статья CAS PubMed Central Google ученый

39.

Dou, L. et al. Обработанные на растворе гибридные перовскитовые фотоприемники с высокой детектирующей способностью. Нат. Commun. 5 , 5404 (2014).

ADS CAS PubMed Статья PubMed Central Google ученый

40.

Гарсия де Аркер, Ф. П., Армин, А., Мередит, П. и Сарджент, Э. Х. Полупроводники, обработанные на растворе, для фотоприемников нового поколения. Нат. Rev. Mater. 2 , 16100 (2017).

ADS Статья Google ученый

41.

Кодзима А., Тешима К., Шираи Ю. и Миясака Т. Металлоорганические галогенидные перовскиты как сенсибилизаторы видимого света для фотоэлектрических элементов. J. Am. Chem. Soc. 131 , 6050–6051 (2009).

CAS PubMed Статья Google ученый

42.

Stranks, S.D. et al. Длина диффузии электронов и дырок превышает 1 микрометр в металлоорганическом тригалогенидном перовскитном поглотителе. Наука 342 , 341 (2013).

ADS CAS PubMed Статья Google ученый

43.

Dong, Q. et al. Длина диффузии электронов и дырок> 175 мкм в монокристаллах, выращенных из раствора CH ₃ NH ₃ PbI ₃ . Наука 347 , 967 (2015).

ADS CAS Статья PubMed Google ученый

44.

Wang, Q. et al. Соответствующий состав зависит от p и n самодегирования в CH ₃ NH ₃ PbI ₃ . Прил. Phys. Lett. 105 , 163508 (2014).

ADS Статья CAS Google ученый

45.

Pisoni, A. et al. Сверхнизкая теплопроводность в органо-неорганическом гибридном перовските CH ₃ NH ₃ PbI ₃ . J. Phys. Chem. Lett. 5 , 2488–2492 (2014).

CAS PubMed Статья Google ученый

46.

Wei, H. et al. Компенсация примесей в легированных монокристаллах перовскита CH ₃ NH ₃ PbBr _{3 − x} Cl _x для гамма-спектроскопии. Нат. Матер. 16 , 826 (2017).

ADS CAS PubMed Статья Google ученый

47.

Pan, W. et al. Cs ₂ AgBiBr ₆ монокристаллических детекторов рентгеновского излучения с низким пределом обнаружения. Нат.Фотон 11 , 726–732 (2017).

ADS CAS Статья Google ученый

48.

He, Y. et al. Высокое спектральное разрешение гамма-излучения при комнатной температуре по монокристаллам перовскита CsPbBr ₃ . Нат. Commun. 9 , 1609 (2018).

ADS PubMed PubMed Central Статья CAS Google ученый

49.

Yin, W.-J., Shi, T. & Yan, Y. Необычная физика дефектов в CH ₃ NH ₃ PbI ₃ перовскитовый поглотитель солнечных элементов. Прил. Phys. Lett. 104 , 063903 (2014).

ADS Статья CAS Google ученый

50.

Юань Ю. и Хуанг Дж. Миграция ионов в металлоорганическом перовските тригалогенида и ее влияние на фотоэлектрическую эффективность и стабильность. В соотв. Chem. Res 49 , 286–293 (2016).

CAS PubMed Статья Google ученый

51.

Хуанг, Дж., Юань, Ю., Шао, Ю. и Ян, Ю. Понимание физических свойств гибридных перовскитов для фотоэлектрических приложений. Нат. Rev. Mater. 2 , 17042 (2017).

ADS CAS Статья Google ученый

52.

Lang, F. et al. Влияние излучения на свойства и устойчивость гибридных перовскитов. Adv. Матер. 30 , 1702905 (2017).

Артикул CAS Google ученый

53.

Lang, F. et al. Радиационная стойкость и самовосстановление перовскитных солнечных элементов. Adv. Матер. 28 , 8726–8731 (2016).

CAS PubMed Статья Google ученый

54.

Chen, B. et al. Большой электрострикционный отклик в перовскитах галогенидов свинца. Нат. Матер. 17 , 1020–1026 (2018).

ADS CAS PubMed Статья Google ученый

55.

Yang, S. et al. Галогенидорганические перовскиты свинца: более устойчивы, чем стекло, к гамма-излучению. Adv. Матер. 0 , 1805547 (2018).

Google ученый

56.

Zanarini, M. et al. Радиационные повреждения, вызванные протонами 2 МэВ в полупроводниковых детекторах CdTe и CdZnTe. Nucl. Instrum. Meth. B 213 , 315–320 (2004).

ADS CAS Статья Google ученый

57.

Dang, Y. et al. Объемный рост кристаллов гибридного перовскитного материала CH ₃ NH ₃ PbI ₃ . CrystEngComm 17 , 665–670 (2015).

CAS Статья Google ученый

58.

Сайдаминов, М.И., Абдельхади, А. Л., Макулан, Г., Бакр, О. М. Ретроградная растворимость перовскитов галогенидов свинца формамидиния и метиламмония, обеспечивающая быстрый рост монокристаллов. Chem. Commun. 51 , 17658–17661 (2015).

CAS Статья Google ученый

59.

Саидаминов М.И. и др. Высококачественные объемные гибридные монокристаллы перовскита за считанные минуты путем кристаллизации с обращенной температурой. Нат.Commun. 6 , 7586 (2015).

ADS PubMed PubMed Central Статья Google ученый

60.

Сайдаминов Махсуд И. и др. Монокристаллы неорганического галогенида свинца перовскита: фазоселективный низкотемпературный рост, свойства переноса носителей и фотодетектирование с автономным питанием. Adv. Опт. Матер. 5 , 1600704 (2016).

Артикул CAS Google ученый

61.

Nayak, P. K. et al. Механизм быстрого роста кристаллов органо-неорганических галогенидов перовскита. Нат. Commun. 7 , 13303 (2016).

ADS CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый

62.

Shi, D. et al. Низкая плотность ловушечных состояний и диффузия длинных носителей в монокристаллах перовскита тригалогенорганического соединения. Наука 347 , 519 (2015).

ADS CAS Статья PubMed Google ученый

63.

Shrestha, S. et al. Высокопроизводительные рентгеновские детекторы прямого преобразования на основе спеченных гибридных пластин трииодида свинца перовскита. Нат. Фотон 11 , 436 (2017).

ADS CAS Статья Google ученый

64.

Kim, Y.C. et al. Металлоорганический перовскит, пригодный для печати, позволяет получать рентгеновские изображения большой площади с низкой дозой облучения. Природа 550 , 87 (2017).

ADS CAS PubMed Статья PubMed Central Google ученый

65.

Fang, H.-H. и другие. Сверхвысокая чувствительность монокристаллов перовскита трибромида метиламмония свинца к газам окружающей среды. Sci. Adv. 2 , e1600534 (2016).

66.

Wei, W. et al. Монолитная интеграция гибридных монокристаллов перовскита с гетерогенной подложкой для получения высокочувствительных рентгеновских изображений. Нат. Фотон 11 , 315 (2017).

ADS CAS Статья Google ученый

67.

Акинладе Бидеми, И., Фараи Идову, П. и Окунаде Акинтунде, А. Исследование произведения дозы на площадь, полученной пациентами, проходящими общие радиологические обследования в четырех центрах в Нигерии. J. Appl. Clin. Med. Phys. 13 , 188–196 (2012).

PubMed Central Статья Google ученый

68.

Davies, A. G. et al. Обладают ли рентгеновские системы с плоским детектором преимуществами перед системами на основе усилителей изображения? Исследование, сравнивающее дозу рентгеновского излучения и качество изображения. евро. Радиол. 17 , 1787–1794 (2007).

PubMed Статья Google ученый

69.

Viggiano, A. et al. Снижение экспозиции за счет оптимизации набора инструментов визуализации при изоляции легочной вены. евро. Харт J. 34 , P2344 – P2344 (2013).

Артикул Google ученый

70.

Давид М. Х., Белев Г., Касап С.И Мартин, Дж. Ю. Измерены и рассчитаны эффекты K-флуоресценции на ФПМ ПЗС-детектора рентгеновского излучения на основе аморфного селена. Med. Phys. 39 , 608–622 (2012).

Артикул CAS Google ученый

71.

Chen, H. et al. Путь без использования растворителей и вакуума к перовскитным пленкам большой площади для эффективных солнечных модулей. Природа 550 , 92 (2017).

ADS CAS PubMed Статья Google ученый

72.

Якунин С. и др. Детектирование гамма-квантов с использованием выращенных из раствора монокристаллов гибридных перовскитов галогенида свинца. Нат. Фотон 10 , 585 (2016).

ADS CAS Статья Google ученый

73.

Леао, К. Р. и Лорди, В. Ионный ток и эффект поляризации в TlBr. Phys. Ред. B 87 , 081202 (2013).

ADS Статья CAS Google ученый

74.

Luo, Y. et al. Прямое наблюдение миграции галогенидов и ее влияния на фотолюминесценцию монокристаллов перовскита бромистого свинца метиламмония. Adv. Матер. 29 , 1703451 – н / д (2017).

Артикул CAS Google ученый

75.

Schlesinger, T. E. et al. Теллурид кадмия-цинка и его использование в качестве материала для детекторов ядерного излучения. Mater. Sci. Англ. R. Rep. 32 , 103–189 (2001).

Артикул Google ученый

76.

Del Sordo, S. et al. Прогресс в разработке полупроводниковых детекторов излучения CdTe и CdZnTe для астрофизических и медицинских приложений. Датчики 9 , 3491–3526 (2009).

CAS Статья Google ученый

77.

Du, M.-H. Влияние примесного легирования на ионную проводимость и явление поляризации в TlBr. Прил. Phys. Lett. 102 , 082102 (2013).

ADS Статья CAS Google ученый

78.

Shao, Y. et al. В пленках поликристаллического органо-неорганического галогенида перовскита преобладала ионная миграция по границам зерен. Energy Environ. Sci. 9 , 1752–1759 (2016).

CAS Статья Google ученый

79.

Назаренко, О.и другие. Монокристаллы перовскитов галогенида цезия формамидиния и свинца: рост растворов и гамма-дозиметрия. NPG Asia Mater. 9 , e373 (2017).

CAS Статья Google ученый

80.

McMeekin, D. P. et al. Перовскитовый поглотитель на основе смешанных катионов свинца и смешанных галогенидов для тандемных солнечных элементов. Наука 351 , 151 (2016).

ADS CAS PubMed Статья Google ученый

81.

Stoumpos, C.C. et al. Выращивание кристаллов перовскитного полупроводника CsPbBr ₃ : новый материал для регистрации излучения высоких энергий. Кристалл. Рост Des. 13 , 2722–2727 (2013).

CAS Статья Google ученый

82.

Dirin, D. N. et al. Выращенные из раствора монокристаллы перовскита CsPbBr ₃ для регистрации фотонов. Chem. Матер. 28 , 8470–8474 (2016).

CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый

83.

Nakazawa, K. et al. Усовершенствование диодных детекторов CdTe с использованием защитного кольца. IEEE Trans. Nucl. SCI 51 , 1881–1885 (2004).

ADS CAS Статья Google ученый

84.

Zentai, G. et al. in Medical Imaging 2003 15 (SPIE).https://doi.org/10.1117/12.480227.

85.

Иванов Ю.М. и другие. Возможности использования полуизолирующих кристаллов CdTe в качестве детектирующего материала для рентгеновской визуализации. Phys. Стат. Sol. С 0 , 840–844 (2003).

CAS Google ученый

86.

Bellazzini, R. et al. Хроматическое рентгеновское изображение с помощью датчика CdTe с мелким шагом, соединенного с ASIC пикселя подсчета фотонов большой площади. Дж.Instrum. 8 , C02028 (2013).

Артикул Google ученый

87.

Yang, G. et al. Исследование свойств кристаллов германия высокой чистоты. J. Phys. 606 , 012013 (2015).

Google ученый

Обнаружение радиации | Хамамацу Фотоникс

Чтобы использовать все доступные функции на этом сайте, в вашем браузере должен быть включен JavaScript.

Системы обнаружения и мониторинга радиации необходимы для обнаружения и мониторинга ионизирующего излучения (альфа-частицы, бета-частицы, гамма-лучи и рентгеновские лучи) и нейтронов. Эти системы обычно основаны на прямых или косвенных (на основе сцинтилляций) методах обнаружения излучения.

Прямое обнаружение основывается на том, что детектор сам поглощает излучение.Прямой метод дает лучшее энергетическое разрешение, чем косвенный, но доступные детекторы ограничены по размеру и не могут использоваться, например, для больших портальных систем, установленных в пунктах пограничного патрулирования.

Непрямое обнаружение основано на сцинтилляторе, преобразующем излучение в видимый свет для обнаружения детектором. Детекторы, используемые в косвенном методе, различаются по размеру от маленьких до больших, поэтому их можно интегрировать в системы, начиная от карманных персональных мониторов и заканчивая гораздо более крупными портальными мониторами.Они также обладают высокой чувствительностью и обычно дешевле.

Мы предлагаем различные детекторы для непрямого обнаружения, включая MPPC (или SiPM), кремниевые фотодиоды и фотоэлектронные умножители (PMT). Мы поможем вам выбрать лучшую технологию для вашего приложения. Кроме того, мы предлагаем полные модули, состоящие из детекторов, сцинтилляторов, специализированных интегральных схем (ASIC) и других компонентов. Мы также можем адаптировать продукты к вашим конкретным требованиям.

Наши детекторы и компоненты используются для производства радиационных мониторов, в том числе карманных, портативных и портальных.

При выборе различных технологий детекторов учитывайте следующие характеристики:

• Квантовая эффективность (QE) или эффективность регистрации фотонов (PDE) определяет энергетическое разрешение
• Высокое усиление позволяет обнаруживать диапазоны низких энергий
• Динамический диапазон определяет, насколько широкий диапазон энергии детектор может обнаружить
• Более низкий счет темноты влияет на разрешение по энергии и анализ дискриминации формы импульса (PSD) и позволяет работать при более высоких температурах окружающей среды
• Быстрый отклик улучшает анализ PSD и позволяет лучше различать гамма-лучи и нейтроны
• Рабочее напряжение влияет на требования к компоновке платы и любые специальные компоненты (напр.конденсаторы) необходимо
• Потребляемая мощность определяет требования к источнику питания и выходной ток
• Большая активная область должна быть точно согласована с размером сцинтиллятора для лучшего энергетического разрешения

границ | Моделирование толстой гидрированной подложки из аморфного кремния для детекторов ионизирующего излучения

1. Введение

В настоящее время технология на основе кремния является золотым стандартом для большинства твердотельных микроэлектроники и детекторных технологий.В таких устройствах обычно используется высококачественный кристаллический кремний (c-Si) из-за его хорошо известных характеристик и технологического совершенства. Однако изготовление кремниевых датчиков требует производства и имплантации пластин, что ограничивает использование кремния устройствами с относительно небольшой площадью (см2). Альтернативным материалом, подходящим для изготовления пиксельных устройств большой площади с потенциально очень высокой радиационной стойкостью, является гидрогенизированный аморфный кремний (a-Si: H), который уже используется в различных областях, от фотоэлектрических устройств [1, 2] до детекторы рентгеновского излучения большой площади [3–5].

Желательность a-Si: H частично обусловлена ​​не только способностью материала наноситься на большую площадь (т. Е. Без необходимости в физическом укладывании плитки), но также наноситься на множество различных подложек, включая гибкие материалы, такие как полиамид (каптон), открывают множество потенциальных применений в физике обнаружения радиации [6]. Более того, он становится все более востребованным в приложениях для детекторов частиц, учитывая его низкую стоимость и превосходную радиационную стойкость [7, 8].Эта радиационная стойкость может быть объяснена неупорядоченной структурой, присущей a-Si: H, и пассивацией делокализованных состояний или дефектов за счет введения высоких концентраций водорода. В отличие от упорядоченной природы c-Si, состоящей из четко определенной электронной энергетической структуры, состоящей из энергетических зон и энергетических щелей, электронные состояния сильно разупорядоченного материала a-Si: H можно рассматривать как квазинепрерывные. a-Si: H характеризуется наличием оборванных связей (DB) из-за того, что некоторые связи Si-Si не выполняются.Введение водорода (обычно 4–10% атомного минимума) используется для пассивирования DB и будет иметь прямое влияние на ширину запрещенной зоны (E _g ) и концентрацию хвостовых состояний в зависимости как от концентрация вводимого водорода и температура отжига. Распределение дефектов внутри зонной структуры a-Si: H можно описать с помощью модели пула дефектов, разработанной в 1990 г. для моделирования солнечных элементов [9]. ДБ действуют как центры рекомбинации или дефекты в материале a-Si: H и присутствуют в виде непрерывного распределения состояний в пределах E _g [2, 8].Эти состояния можно классифицировать либо как протяженные «хвосты» валентной зоны и зоны проводимости, либо как локализованное распределение состояний в пределах E _g . Состояния хвоста можно рассматривать как локализованные состояния с практически нулевой подвижностью (прыжковая проводимость будет наблюдаться при низкой температуре). Проводимость при комнатной температуре или выше проходит через состояния расширенного хвоста (в валентной зоне или зоне проводимости) посредством механизма, называемого множественным захватом, в результате чего переносимые носители заряда могут стать пространственно локализованными / захваченными и возбужденными [10].Легированный a-Si: H может быть получен путем добавления в процесс фосфина, например, PH ₃ (n-тип) или диборана (6), т.е. B ₂ H ₆ (p-тип). газ (например, смесь силана – SiH ₄ и водорода – H ₂ ) во время процесса осаждения.

Учитывая большой разброс в заявленных свойствах материала для a-Si: H, в настоящее время не существует установленной коммерческой модели материала, которая бы действительно имитировала электрические характеристики и свойства сбора заряда уникального материала в контексте приложений обнаружения ионизирующего излучения.Подавляющее большинство основанных на моделировании исследований, касающихся a-Si: H, в первую очередь касается тонкопленочных устройств (т.е. диапазона толщины нм) для фотоэлектрических приложений. Эти исследования проводились с использованием различных коммерческих и некоммерческих программных пакетов. Одним из первых таких примеров использования численных методов для исследования характеристик устройств на основе a-Si: H был пример Дутта и др. [11] и Деспейссе и др. [12]. Датта использовал специальную электрооптическую модель, известную как ASDMP, для исследования возможных средств повышения чувствительности к напряжению холостого хода для солнечных элементов p-i-n на основе a-Si: H [11].Despeisse использовал HSPICE для моделирования сгенерированного сигнала в детекторе частиц на основе a-Si: H из-за импульсного лазерного света (660 нм), показав отличное согласие с экспериментальными результатами. Моделирование имитировало экспериментальное поведение как величины индуцированного тока, так и времени, связанного с дрейфовым сбором заряда [12]. Наилучшие результаты в этом исследовании были получены при установке постоянной времени индуцированного электронами сигнала τ _c равной 5,6 нс и подвижности электронов μ _e равной 2 см2 В-1 с-1.В 2010 году Nawaz et al. использовали коммерческий набор инструментов моделирования Technology Computer Aided Design (TCAD), предоставленный SILVACO ©, для исследования солнечных элементов на основе a-Si: H [2]. Наваз реализовал, пожалуй, наиболее полное описание распределения дефектов в a-Si: H на сегодняшний день. Вместо использования стандартных моделей плотности состояний (DOS), Nawaz определяет дефекты как комбинацию дефектов с одним энергетическим уровнем внутри «середины промежутка». Совсем недавно произошел переход к использованию набора инструментов Sentaurus TCAD, распространяемого SYNOPSYS © [13].Инструмент моделирования Sentaurus TCAD был разработан в первую очередь для оптимизации проектирования и производства полупроводниковых электронных устройств. Учитывая, что a-Si: H недоступен в стандартных библиотеках материалов, пользователи SYNOPSYS ©, заинтересованные в моделировании устройств на основе a-Si: H, вынуждены разрабатывать свои собственные модели материалов, чтобы имитировать поведение материала в интересующем режиме. Ли и др. представляет одно из первых задокументированных применений Sentaurus TCAD для моделирования производительности устройства на основе a-Si: H и обеспечивает сравнение с AMPS-1D, уже демонстрируя функциональность Sentaurus TCAD в конкуренции с другими числовыми кодами, такими как AMPS-1D , SCAPS-1D, PC-1D, SimWindows, ADEPT-F, AFORS-HET и ASA [14].Sentaurus TCAD также использовался в более позднем исследовании Отеро и др. С целью моделирования характеристик солнечных элементов a-Si: H [15]. Структура n-i-p, представляющая интерес в этом исследовании, хотя и намного тоньше, но очень похожа на ту, которая исследуется в этой работе. Подобно Nawaz et al. Авторы этого исследования рассматривали дефекты, присутствующие в a-Si: H, как непрерывное экспоненциальное распределение хвостов, происходящее из зоны проводимости и валентной зоны, соответственно, а также как гауссово распределение состояний ловушки в середине запрещенной зоны.В отличие от Nawaz, Otero использует модель DOS, которая, хотя и проверена для кристаллического кремния, еще не проверена для a-Si: H. За исключением исследования, проведенного Despeisse, большинство исследований на основе моделирования, связанных с a-Si: H, связаны с пониманием или повышением эффективности оптически стимулированного тока и не учитывают рабочие требования, необходимые для обнаружения ионизирующих частиц.

Возобновление интереса к фотодиодам на основе a-Si: H n-i-p для датчиков излучения побудило исследовать численные модели, имитирующие электрические характеристики и характеристики накопления заряда таких устройств.Ключевой момент в этом исследовании связан с соответствующим моделированием различных дефектов глубоких уровней в запрещенной зоне a-Si: H, которые могут действовать как центры рекомбинации и / или состояния ловушек. Эффективность сбора заряда и время сбора заряда для минимальных ионизирующих частиц (MIP) были выбраны в качестве эталонного показателя качества для проверки модели. Реализация и применение точной численной модели для материала a-Si: H дает возможность воспользоваться предсказательной способностью для оптимизации геометрии и структуры имплантации таких полупроводниковых устройств.

2. Методология

2.1. Параметры материала

Sentaurus TCAD – это набор инструментов, которые были специально разработаны для моделирования производственных процессов, используемых для создания полупроводниковых устройств, а также их рабочих характеристик в установившихся и динамических условиях. Sentaurus TCAD оснащен множеством экспериментально подтвержденных численных моделей для описания соответствующего физического и электронного поведения обычно используемых материалов, используемых при производстве полупроводниковых устройств.К сожалению, модель, имитирующая поведение a-Si: H в рамках библиотеки материалов Sentaurus TCAD, еще не реализована. Следовательно, необходимо реализовать файл параметров настраиваемого материала «aSiH.par». С этой целью стандартная модель «Silicon.par» была изменена, чтобы включить уникальные и особые физические и электронные свойства гидрированной формы аморфного кремния. В дополнение к разработке этого нового файла параметров материала, необходимо реализовать дополнительное описание распределения дефектов в физическом модуле «sdevice», встроенном в Sentaurus TCAD.

Чтобы правильно смоделировать неупорядоченную природу a-Si: H в рамках Sentaurus TCAD, необходимо реализовать как акцепторные (электронная ловушка), так и донорные (дырочная ловушка) дефекты на дискретных уровнях энергии в средней щели. С этой целью подход, аналогичный двухуровневой модели дефекта, описанной Petasecca et al. [16], была принята и модифицирована для согласования с моделью дефекта, предложенной Навазом. Уровни энергии отдельных дефектов, указанные Nawaz, были сначала изменены, чтобы соответствовать среднему зазору материала a-Si: H, используемого в этом исследовании.Это было достигнуто путем умножения каждого уровня энергии на отношение ширины запрещенной зоны, использованной в этом исследовании, и ширины запрещенной зоны, определенной Nawaz. Затем гауссовы дефектные состояния были нормализованы до плотности DB 4 × 10 ¹⁵ см-2. Чтобы достичь согласия с экспериментальными результатами, были применены уникальные масштабные коэффициенты к концентрации отдельных акцепторных / донорных дефектов в хвостах (DTi и ATi) и гауссовскому распределению дефектов (DGi и AGi), где обозначение (i) относится к каждому отдельному дефектному состоянию (см. рисунок 1).Точные сведения об уровне энергии, сечении электронов / дырок и концентрации приведены в дополнительном материале. Уровни энергии, описанные в следующих таблицах, относятся к их положению в средней щели по отношению к валентной зоне (VB).

Рисунок 1 . Плотность или концентрация дефектов (без весового коэффициента) состояний хвоста проводимости и валентной зоны, а также гауссовых состояний в материале a-Si: H.

Несмотря на значительные различия в структуре c-Si и a-Si: H, только несколько параметров в новом “aSiH.par »требовалось изменить файл параметров материала. Во-первых, подвижности электронов и дырок были отрегулированы от 1417 и 470,5 см2 В-1 с-1 до 10 и 0,01 см2 В-1 с-1, соответственно, в соответствии с соответствующей литературой [2, 17]. Вторым важным изменением в файле параметров материала была регулировка ширины запрещенной зоны, результаты которой представлены в таблице 1. Согласно литературным данным, ширина запрещенной зоны a-Si: H составляет от 1,7 до 1,9 эВ, в зависимости от концентрации водорода и температуры отжига.

Таблица 1 . Соответствующие критерии файла параметров a-Si: H, использованного в этом исследовании, в сравнении со значениями, найденными в литературе.

2.2. Физическая модель

Набор инструментов для моделирования устройств для интеллектуальных интегрированных систем (DESSIS), встроенный в Sentaurus TCAD, решает уравнения Пуассона и неразрывности электронов / дырок для моделирования электрического поведения устройства a-Si: H n-i-p. Для описания всех процессов генерации / рекомбинации носителей заряда были активированы зависимые от допирования модели Шокли-Рида-Холла и Оже-физики с использованием ловушек.Для описания подвижности носителей в рамках моделирования были активированы модели, зависящие от допирования, Enormal и сильное насыщение поля. Модель Пула-Френкеля, относящаяся к ловушкам в средней щели, была активирована для того, чтобы учесть повышенную вероятность эмиссии (Γ _PF ) для заряженных центров ловушек из-за уменьшения потенциального барьера, связанного с присутствием сильных внешних электрических полей ( E ). Как показано в уравнении (1), роль Γ _PF заключается в корректировке начальных сечений ловушки от σn, p0 до их нового значения σn, penh, как определено моделью ловушки Пула-Френкеля.Вероятность повышенной эмиссии (см. Уравнение 2) может рассматриваться как переменная путем изменения параметра настройки α (см. Уравнение 3) путем корректировки ε _PF от значения по умолчанию 11,7 [30]. Следует отметить, что k, T и q в уравнении (3) относятся к постоянной Больцмана, температуре и электронному заряду.

σn, penh = σn, p0 (1 + ΓPF) (1) ΓPF = 1α2 [1+ (α-1) ехр (α)] – 12 (2) α = 1kTq3EπεPF (3)

Модель мобильности Пула-Френкеля была первоначально разработана в TCAD для моделирования органических полупроводников для тонкопленочных транзисторов и фотоэлектрических устройств и рассматривалась на ранних этапах этой работы, однако впоследствии ее включение было прекращено, поскольку считалось несовместимым с распределение дефектов, внесенных в модель дефектного пула DB, и, следовательно, его неспособность правильно имитировать зависимость E-поля (E) от плотности тока.

2.3. Геометрия устройства

В этом исследовании мы решили смоделировать упрощенную 2D-версию n-i-p (n-легированные, собственные и p-легированные слои) a-Si: H диодной структуры, как описано Wyrsch et al. [8]. Геометрия, изображенная на рисунке 2, представляет собой слой n-типа толщиной 90 нм на собственном слое толщиной 30 мкм на слое p-типа толщиной 90 нм. Собственный слой моделируется с двумя разными толщинами, чтобы оценить способность модели соответствующим образом масштабировать макроскопические характеристики, такие как ток утечки, распределение электрического поля и эффективность сбора заряда, с толщиной.Легированные слои p-типа и n-типа моделируются с использованием аналитической функции Гаусса с пиковыми концентрациями 3 × 10 ⁺¹⁸ и 8 × 10 ⁺¹⁸ см-3 соответственно. Смоделированное устройство имеет ширину 50 мкм и, учитывая его двумерный характер, по умолчанию имеет глубину 1 мкм.

Рисунок 2 . n-i-p структура диода a-Si: H. Слои n-типа (красный) и p-типа (синий) имеют толщину 90 нм, а собственный (зеленый) слой имеет толщину 30 мкм.

Учитывая, что модель представляет собой двумерное представление устройства a-Si: H n-i-p, был использован геометрический масштабный коэффициент A _F для сравнения экспериментальной и моделируемой плотности тока утечки.Этот геометрический масштабный коэффициент используется для учета значительно отличающихся площадей экспериментальных (2 × 2 мм2) и смоделированных (50 × 1 мкм2) структур устройства. Стратегия дискретизированной сетки была применена ко всей геометрии, чтобы решить и оценить уравнения Пуассона и неразрывности электронов / дырок по всей геометрии. В рамках процесса построения сетки использовалась стратегия сетки, зависящая от легирования, чтобы оптимизировать количество узлов в представляющих интерес областях, чтобы повысить точность моделирования и минимизировать время вычислений.

2.4. Процесс моделирования

После соответствующей спецификации отрегулированных параметров материала и распределения дефектов в среднем зазоре было выполнено предварительное стационарное моделирование электрического поведения устройства a-Si: H n-i-p толщиной 30 мкм и сравнение с экспериментальными результатами. Метод моделирования постоянного тока использовался для исследования тока утечки устройства толщиной 12 и 30 мкм от 0 до 200 и от 0 до 400 В, соответственно. Та же самая схема моделирования использовалась для исследования распределения электрического поля как функции смещения для проверки достижимой области обеднения во внутреннем слое устройства.Наконец, эффективность сбора заряда была оценена посредством моделирования переходных процессов MIP с линейной передачей энергии 1,28 × 10 ^-5 пКл мкм-1, проходящей через центр устройства.

3. Результаты и обсуждение

3.1. Вольт-амперные характеристики

Потому что ширина запрещенной зоны a-Si: H зависит от концентрации введенного водорода. Предварительное исследование было выполнено для изучения влияния ширины запрещенной зоны (1,70 эВ ≤ E _г ≤ 1.90 эВ) на смоделированную плотность тока утечки и показано на рисунке 3. В этом исследовании наиболее подходящее значение ширины запрещенной зоны E _g было определено равным 1,84 эВ. Соответствие значения E _g было определено с учетом соответствия между экспериментальной и смоделированной плотностью тока утечки и описано более подробно ниже.

Рисунок 3 . Смоделированная плотность тока как функция приложенного смещения для диапазона различных значений ширины запрещенной зоны от 1 до 1.70 ≤ E _г ≤ 1,90.

Уникальные масштабные коэффициенты были применены к состояниям акцепторного и донорного дефектов ATi, AGi, DGi и DTi, изображенным на рисунке 1, которые составляют 0,001, 5, 1 и 0,001 соответственно. Результаты моделирования тока утечки с помощью статического моделирования постоянного тока для устройств с зажимом a-Si: H толщиной 12 и 30 мкм представлены на рисунках 4, 5. Сравнение результатов моделирования с экспериментальными результатами, предоставленными Wyrsch et al. . сделано [8]. В обоих случаях использованная модель не могла удовлетворительно имитировать экспериментальные результаты.Это несоответствие является результатом перехода от переноса с преобладанием дрейфа к транспорту Пула-Френкеля с его хорошо известной зависимостью квадратного корня от электрического поля (E) [31]. По мере увеличения величины электрического поля носители заряда, захваченные в центрах дефектов, могут приобретать достаточную энергию, чтобы вносить вклад в проводимость внутри устройства. С этой целью была использована функция подгонки, описанная уравнением (4), чтобы имитировать сильную полевую зависимость экспериментальной плотности тока утечки ( Дж ).Вышеупомянутое уравнение включает модифицированную версию эффекта Пула-Френкеля, которая описывает зависимость E. Обратите внимание, что в этом уравнении Дж ₀ – это константа размерности (А · см-2), E – напряженность электрического поля (В · см-1), d – толщина подложки в см и Дж _SRH – плотность тока, моделируемая TCAD на основе статистики Шокли-Рида-Холла, с учетом температуры, электрического поля, эффективной концентрации носителей заряда и центров генерации-рекомбинации.Следует отметить, что ранее обсуждавшаяся модель ловушки Пула-Френкеля была исследована в этом исследовании. Однако было установлено, что его активация не влияет на результаты.

J = J0 [ebEd-1] + JSRH (E, T) (4)

Суммирование (зеленые кружки) моделируемой плотности тока (красные кружки) и функции аппроксимации (синие треугольники) обеспечивает отличное согласие с экспериментальными данными (черные квадраты) для устройств зажима a-Si: H толщиной 12 и 30 мкм. (см. рисунки 4, 5). Результат, представленный в полулогарифмическом масштабе, показывает согласие (в пределах 10 нА см-2) между двумя наборами данных.Параметры подгонки b и J ₀ установлены равными 2,5 × 10 ⁻⁴ см 0,25 V-0,5 и 5,5 × 10 ⁻¹³ А см-2 для толщины 12 и 30 мкм. подложки, демонстрирующие способность модели масштабировать ток утечки в соответствии с толщиной внутреннего слоя, сохраняя хорошее согласие с экспериментальными результатами. Подобно коэффициенту идеальности в уравнении диода Шокли [32, 33], параметры подгонки b и J ₀ должны учитывать изменения качества материала a-Si: H и / или процессов изготовления.

Рисунок 4 . Сравнение экспериментальных (черный квадрат) и смоделированных (красный кружок) характеристик плотности тока в зависимости от приложенного извне смещения для устройства a-Si: H n-i-p толщиной 12 мкм. Функция подгонки (синие треугольники), описанная уравнением (4), использовалась для подбора компонентов данных, зависящих от поля. Сумма результатов моделирования и аппроксимации (зеленые кружки) по сравнению с экспериментальным результатом представлена ​​справа.

Рисунок 5 .Сравнение экспериментальных (черный квадрат) и смоделированных (красный кружок) характеристик плотности тока в зависимости от приложенного извне смещения для устройства a-Si: H n-i-p толщиной 30 мкм. Функция подгонки (синие треугольники), описанная уравнением (4), использовалась для подбора компонентов данных, зависящих от поля. Суммирование результатов моделирования и подгонки (зеленые кружки) по сравнению с экспериментальным представлено справа.

3.2. Распределение электрического поля

Электрическое поле получается из градиента электростатического потенциала.В этом разделе исследуется распределение электрического поля для структур a-Si: H n-i-p толщиной 12 и 30 мкм для различного приложенного смещения. На рисунке 6 показано поперечное сечение распределения электрического поля для структур a-Si: H n-i-p толщиной 12 и 30 мкм соответственно. Поперечное сечение берется через центр устройства, т.е. x = 0, чтобы показать, как электрическое поле изменяется в зависимости от толщины диода. Результаты измерения постоянного тока для структур зажима a-Si: H толщиной 12 мкм показывают полное истощение приложенного смещения от 48 до 96 В, что соответствует напряженности электрического поля (E _Mag ) с величиной 4-8 В · мкм-1. .Аналогичным образом, результаты измерения постоянного тока для структур a-Si: H n-i-p толщиной 30 мкм показывают полное истощение для приложенного смещения от 300 до 360 В (E _Mag = 10–12 В мкм-1). Этот количественный анализ смещения, необходимого для полного истощения структур a-Si: H n-i-p толщиной 12 и 30 мкм, имеет решающее значение с точки зрения понимания рабочих условий, необходимых для работы таких устройств для обнаружения единичных событий ионизирующего излучения.

Рисунок 6 . Смоделированное распределение электрического поля внутри зоны контакта a-Si: H-диода (слева) толщиной 12 мкм и диода a-Si: H (справа) толщиной 30 мкм в виде поперечного сечения распределения электрического поля в такое же устройство.

3.3. Исследование по сбору платежей

Модель HeavyIon, присущая Sentaurus TCAD, была адаптирована для имитации MIP, проходящего через устройства a-Si: H n-i-p толщиной 12 мкм в определенное время (t ₀ = 10 нс) и местоположение (x = 0). Линейная передача энергии (LET) для MIP была установлена ​​на 1,28 × 10 ^-5 пКл мкм-1, что соответствует приблизительно 80 парам · мкм-1. Как было показано ранее, большая концентрация ловушек связана с большой плотностью тока утечки. Это также приводит к значительной нестабильности переходного поведения материала.Чтобы рассчитать сбор заряда, связанный с ударом иона, необходимо принять во внимание переходную нестабильность. На рисунке 7 (слева) показано переходное поведение подложки a-Si: H толщиной 12 мкм из-за удара MIP при приложенном смещении 96 В после вычитания базового тока утечки без MIP. Используя этот результат, оценивается эффективность сбора заряда (CCE) путем рассмотрения интеграла тока за временное окно в 3 нс и нормализуется по отношению к максимальному наблюдаемому CCE.CCE как функция квадратного корня из приложенного смещения для устройств с зажимом a-Si: H толщиной 12 мкм представлена ​​на рисунке 8. Чтобы оценить функциональность модели ловушки Пула-Френкеля, моделирование было выполнено с использованием и без активированной модели, как показано на рисунке 8.

Рисунок 7 . Удар МИП внутри подложки a-Si: H толщиной 12 мкм при t ₀ = 10 нс при приложенном смещении 96 В. Этот результат учитывает чувствительное ко времени поведение тока утечки.Интеграл переходной характеристики используется для оценки сбора заряда, связанного с ударом MIP.

Рисунок 8 . CCE в сравнении с V для устройства a-Si: H n-i-p толщиной 12 мкм. Моделирование проводилось с (слева), и без (справа) , с активированной моделью ловушки Пула-Френкеля.

Хотя смоделированное поведение CCE с активированной моделью ловушки Пула-Френкеля показывает предсказуемую тенденцию при более низких смещениях, оно показывает значительное отклонение от ожидаемого поведения при более высоких смещениях, с очевидной нелинейной тенденцией и отсутствием насыщения CCE, что указывает на то, что модель в настоящее время не может моделировать истощение толстых подложек a-Si: H.Напротив, смоделированное поведение CCE без активированной модели ловушки Пула-Френкеля демонстрирует ожидаемую тенденцию с линейным увеличением CCE при более низких смещениях и насыщении в условиях чрезмерного истощения. При малых смещениях CCE препятствуют дефекты в материале a-Si: H, ограничивающие сбор заряда за счет процессов захвата и уменьшения длины свободного пробега носителей. Как только смещение увеличивается в достаточной степени, увеличивается доля носителей заряда, способных вносить вклад в ток, до такой степени, что сбор заряда достигает насыщения.

Использование поведения CCE без модели ловушки Пула-Френкеля позволяет использовать альтернативный метод определения рабочих условий, необходимых для полного разряда устройства, чтобы измерить сигнал, вызванный падающим ионизирующим излучением. Построение двух линейных аппроксимирующих функций для поведения CCE, одной в области низкого смещения, а второй в области высокого смещения, где сбор заряда достиг насыщения, позволяет определить точку, в которой эти линии пересекаются. Определение положения пересечения по оси x, т.е.е., квадратный корень из смещения дает грубое приближение к напряжению истощения. Используя этот метод, задается напряжение 68 ± 20 В, что соответствует напряженности электрического поля 5,7 В мкм-1. Despeisse et al. [12] и Wyrsch et al. [34] предоставляет эмпирический формализм для прогнозирования напряжения истощения (V _D ) устройств на основе a-Si: H с плотностью DB порядка 10 ¹⁴ с использованием только толщины устройства в мкм (D). , т.е. V _D ≈ 0.48 × Г ² . Согласно этому формализму, замена нашего устройства толщиной 12 мкм дает напряжение истощения 69 В, что соответствует напряженности электрического поля 5,75 В мкм-1. В случае устройства толщиной 12 мкм оба метода обеспечивают отличное согласие (≈1%) с точки зрения прогноза напряжения истощения. Это согласуется с результатом, предсказанным моделированием постоянного тока, которое отображает напряженность электрического поля как функцию глубины в подложке a-Si: H и предсказывает истощение напряженности электрического поля от 4 до 8 В · мкм-1 для 12 мкм. толстое устройство.

Применяя ту же методологию к набору данных, полученному для устройства толщиной 30 мкм (см. Рисунок 9), напряжение истощения, определяемое CCE как функция квадратного корня из смещения, составляет 300 ± 30 V, что соответствует напряженности электрического поля 10 В мкм-1. Этот результат согласуется с более ранним прогнозом истощения между 300 и 360 В на основе распределения электрического поля. Для сравнения, напряжение истощения, полученное с помощью формализма, предложенного Деспейссом, показывает расхождение примерно в 20%, что соответствует напряженности электрического поля 14.4 В мкм-1.

Рисунок 9 . CCE в сравнении с sqrt (V) для устройства a-Si: H n-i-p толщиной 30 мкм без активации модели ловушки Пула-Френкеля.

4. Обсуждение и заключение

Технология аморфного кремния дает несколько преимуществ для разработки детекторов ионизирующего излучения: она позволяет наносить поверх гибких материалов, таких как пластмассы; его можно легко структурировать, создавая пиксельные детекторы большой площади; ему присуща высокая радиационная стойкость, связанная с высокой степенью естественного беспорядка.По этим причинам желателен инструмент, способный оптимизировать конструкцию геометрии детектора излучения на основе a-Si: H. В этом исследовании с использованием пакета Sentaurus TCAD была разработана новая модель материала, имитирующая поведение a-Si: H по сбору электричества и заряда. Были смоделированы две идентичные за исключением толщины (12 и 30 мкм) приборные структуры на основе a-Si: H. Для моделирования сильно разупорядоченной структуры подложки a-Si: H были введены множественные акцепторные / донорные дефекты, характерные для квазинепрерывных состояний проводимости / валентного хвоста и гауссовых состояний средней запрещенной зоны.

Использование коммерчески доступного пакета TCAD, широко распространенного в научном сообществе обнаружения радиации, дает некоторые преимущества для разработки модели радиационного детектора: модель является портативной, воспроизводимой и расширяемой для включения дополнительных свойств или параметров в моделирование радиационного детектора. устройство. Ограничением, связанным с этой стратегией, является использование моделей, которые не могут быть разработаны специально для принятого материала. В настоящее время в TCAD нет библиотеки для a-Si: H, и ни одна из моделей, связанных с транспортом Пула-Френкеля, не была оптимизирована для этого конкретного материала.Из-за этого ограничения плотность тока утечки, смоделированная как функция приложенного потенциала, не могла имитировать экспериментальное поведение без применения аппроксимирующей функции, показывающей квадратный корень из зависимости электрического поля, связанной с переносом Пула-Френкеля в a-Si. :ЧАС. Тем не менее, модель продемонстрировала способность определять рабочие условия, то есть смещение, необходимое для истощения, устройств на основе a-Si: H. Статическое моделирование постоянного тока использовалось для демонстрации распределения электрического поля как функции положения по толщине устройств 12 и 30 мкм.Модель смогла показать, что рабочее напряжение для устройства толщиной 12 мкм от 48 до 96 В, соответствующее напряженности электрического поля 4–8 В мкм-1, требовалось для полного истощения устройства; очевидная необходимость, учитывая контекст работы в качестве датчика ионизирующих событий. Аналогичным образом, модель 30 мкм предсказывает рабочее напряжение от 300 до 360 В, что соответствует напряженности электрического поля 10–12 В мкм-1 для полного истощения устройства. Предыдущее исследование De Greef et al.доказали, что модель, основанная на сочетании статистики SRH и амфотерного поведения дефектов, эффективна при моделировании поведения aSi: H [35]. Хотя они не исследовали влияние высоких электрических полей на темновой обратный ток, они доказали, что при низком смещении рекомбинация является основным источником тока утечки, тогда как при высоких температурах (эквивалентных условиям сильного электрического поля) формализм амфотерных состояний становится более значительным. Этот результат подтверждает наш вывод о том, что плотность тока, рассчитанная TCAD с использованием статистики SRH, значима только при низком смещении, в то время как при высоких напряжениях в ней преобладает излучение, связанное с состояниями хвоста, описываемыми эффектом Пула-Френкеля.Модель, обсуждаемая De Greef et al. [35] вычисляет с большой точностью все эффекты на плотность тока, обусловленные температурой, плотностью и пространственным распределением дефектов в устройстве с одномерной геометрией (с использованием программного обеспечения D-AMPS). Модель Synopsys TCAD, разработанная в этом исследовании, в настоящее время не обеспечивает такой же точности, как модель, разработанная в D-AMPS, из-за ограничений числовых моделей, уже встроенных в коммерческий инструмент. Однако Synopsys TCAD предоставляет средства для настройки моделей для достижения приемлемой точности.Кроме того, это дает дополнительное преимущество моделирования 2D или даже 3D моделей устройства. Эта особенность позволяет лучше понять влияние на распределение электрического поля и эффективность сбора заряда, создаваемое конкретной геометрией, относительным положением и размерами электродов, что имеет первостепенное значение для точной настройки позиционно-чувствительного детектора ионизирующего излучения. Переходный анализ MIPs был выполнен с и без активации модели ловушки Пула-Френкеля для структуры устройства a-Si: H толщиной 12 мкм.Результаты, полученные в результате моделирования с активированной моделью ловушки Пула-Френкеля, отображают поведение, которое расходится с тем, что было экспериментально показано в литературе [8], и поэтому модель ловушки Пула-Френкеля в ее текущей реализации считается несовместимой. с толстыми подложками a-Si: H. И наоборот, результаты, полученные в результате моделирования без активации модели ловушки Пула-Френкеля, отображают ожидаемое поведение устройства сбора заряда до и после полного разряда.Анализ вышеупомянутых результатов дает напряжение истощения 68 ± 20 В, что находится в пределах 1% от предсказанного формализмом Despeisse et al. [12] 69 В. Напряжение истощения, полученное от CCE как функция квадратного корня из приложенного смещения для подложки толщиной 30 мкм, составляет 300 ± 30 В, что отличается от формализма Despeisse примерно на 20%. Модель недооценивает напряжение истощения в толстых устройствах по сравнению с результатами, полученными экспериментальными методами, потому что более толстая подложка представляет большую вероятность иметь различную степень беспорядка в собственном слое, требуя большего напряжения для истощения.Такое поведение можно учесть, создавая последовательные слои подложки с увеличением концентрации хвостовых состояний. Хорошее соответствие между смоделированным сбором заряда и вышеупомянутыми требованиями для полного истощения устройства указывает на пригодность подхода к моделированию TCAD в качестве инструмента прогнозирования для проектирования и оптимизации детекторов излучения a-Si: H. Следует отметить, что определение напряжения истощения через эффективность сбора заряда как функции напряжения не является стандартным методом и должно рассматриваться только как приближение.Таким образом, следующим шагом в этой работе будет использование метода моделирования анализа слабого сигнала, с помощью которого можно определить емкость устройств a-Si: H как функцию смещения. Дальнейшая работа в этой области будет сосредоточена на оптимизации геометрии устройств для обнаружения частиц, включая разделение заряда, межпиксельную емкость и распределение электрического поля, а также на продолжении разработки модели с точки зрения радиационного повреждения при воздействии и изменении CC и истощение как функция температуры.Кроме того, интерфейс физической модели Sentaurus (PMI) будет исследован как средство реализации модификаций существующей модели мобильности Пула-Френкеля, которая будет применяться для толстых подложек a-Si: H, чтобы повысить надежность численной модели.

Заявление о доступности данных

Подробный список энергетических состояний, включенных в моделирование, включен в дополнительный материал.

Взносы авторов

JD, BT и MP в равной степени внесли свой вклад в проведение всех симуляций.ML помогал в анализе данных J-V характеристик данных моделирования. Все остальные авторы участвовали в обсуждении результатов и написании рукописи.

Финансирование

Это исследование является частью проекта 3D-SiAm, финансируемого Национальной комиссией 5 Национального института ядерной физики Италии.

Конфликт интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Дополнительные материалы

Дополнительные материалы к этой статье можно найти в Интернете по адресу: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fphy.2020.00158/full#supplementary-material

Список литературы

1. Бора Б., Састри О., Кумар А., Дахия Р., Бангар М., Прасад Б. Оценка наиболее частых условий и оценка производительности трех модулей фотоэлектрической технологии. Дж Солнечная энергия Eng . (2016) 138 : 054504. DOI: 10.1115 / 1.4034202

CrossRef Полный текст | Google Scholar

2.Наваз М. Анализ конструкции солнечных элементов a-Si / c-Si HIT. Научно-технический консультант . (2010) 74 : 131–6. DOI: 10.4028 / www.scientific.net / AST.74.131

CrossRef Полный текст | Google Scholar

4. Дюкурант Т., Вирт Т., Бахер Дж., Боссет Б., Виньоль Дж., Бланшон Д. и др. Последние достижения в области ультрасовременных плоскопанельных рентгеновских детекторов на основе aSi. В: Proceedings SPIE, Medical Imaging 2018 : Physics of Medical Imaging. Хьюстон, Техас (2018).п. 10573. DOI: 10.1117 / 12.2291908

CrossRef Полный текст | Google Scholar

5. Brace OJ, Alhujaili S, Deshpande S, Davis JA, Vial P, Metcalfe P, et al. Возможность двойной детекторной системы для выполнения транзитной дозиметрии и визуализации МВ in vivo . Дж. Приборы . (2019) 14 : P01019. DOI: 10.1088 / 1748-0221 / 14/01 / P01019

CrossRef Полный текст | Google Scholar

6. Fortunato E, Pereira L, Aguas H, Ferreira I, Martins R.Гибкие чувствительные к положению детекторы a-Si: H. Протокол IEEE . (2005) 93 : 1281–6. DOI: 10.1109 / JPROC.2005.850302

CrossRef Полный текст | Google Scholar

7. Деспейсс М., Джаррон П., Йохансен К.М., Мораес Д., Шах А., Уирш Н. Предварительные радиационные испытания пленок гидрогенизированного аморфного кремния толщиной 32 м. Nucl Instrum Methods Phys Res Sect A . (2005) 552 : 88–92. DOI: 10.1016 / j.nima.2005.06.012

CrossRef Полный текст | Google Scholar

8.Wyrsch N, Ballif C. Обзор детекторов частиц на основе аморфного кремния: поиски обнаружения одиночных частиц. Полупроводниковые науки и технологии . (2016) 31 : 103005. DOI: 10.1088 / 0268-1242 / 31/10/103005

CrossRef Полный текст | Google Scholar

9. Винер К. Модель дефектного пула образования дефектов в a-Si: H. Дж Некристаллические твердые тела . (1991) 137 : 157–62. DOI: 10.1016 / S0022-3093 (05) 80080-8

CrossRef Полный текст | Google Scholar

10.Мовагар Б., Грюневальд М., Польманн Б., Вюрц Д., Ширмахер В. Теория прыжкового и множественного захвата транспорта в неупорядоченных системах. Дж. Стат. Физ. . (1983) 30 : 315–34. DOI: 10.1007 / BF01012306

CrossRef Полный текст | Google Scholar

11. Датта У., Чаттерджи П. Напряжение холостого хода в p-i-n солнечных элементах из аморфного кремния и его связь с параметрами материала, устройства и темного диода. Журнал прикладной физики . (2004) 96 : 2261–71.DOI: 10.1063 / 1.1769092

CrossRef Полный текст | Google Scholar

12. Деспейсс М., Анелли Дж., Джаррон П., Каплон Дж., Мораес Д., Нардулли А. и др. Датчик из гидрированного аморфного кремния, нанесенный на интегральную схему для обнаружения излучения. IEEE Trans Nucl Sci . (2008) 55 : 802–11. DOI: 10.1109 / TNS.2008.918519

CrossRef Полный текст | Google Scholar

14. Ли К., Эфстатиадис Х., Рейнольдс Дж., Халдар П. Двумерное компьютерное моделирование солнечных элементов a-Si: H с одним переходом.В: 2009 34-я Конференция специалистов по фотоэлектрической технике (PVSC) IEEE. Филадельфия, Пенсильвания (2009). п. 001118–22. DOI: 10.1109 / PVSC.2009.5411215

CrossRef Полный текст | Google Scholar

15. Отеро П., Родригес Дж. А., Веттер М., Андреу Дж., Комеса на Е., Гарсиа Лоурейро А. Моделирование температурной зависимости вольт-амперных характеристик солнечного элемента a-Si: H. В: Испанская конференция по электронным устройствам. Пальма-де-Майорка (2011 г.). п. 1–4. DOI: 10.1109 / SCED.2011.5744227

CrossRef Полный текст | Google Scholar

16. Петасекка М., Москателли Ф, Пассери Д., Пигнател GU. Численное моделирование эффектов радиационного повреждения в кремниевых детекторах FZ p-типа и n-типа. IEEE Trans Nucl Sci . (2006) 53 : 2971–6. DOI: 10.1109 / TNS.2006.881910

CrossRef Полный текст | Google Scholar

17. Despeisse M, Anelli G, Commichau S, Dissertori G, Garrigos A, Jarron P и др. Определение характеристик гидрогенизированных аморфных кремниевых диодов толщиной 13 и 30 м, нанесенных на интегральные схемы КМОП для обнаружения частиц. Nucl Instrum Methods Phys Res Sect A . (2004) 518 : 357–61. DOI: 10.1016 / j.nima.2003.11.022

CrossRef Полный текст | Google Scholar

18. Си Дж., Холлингсворт Р. Э., Буитраго Р. Х., Окли Д., Кумалат Дж. П., Науэнберг Ю. и др. Минимальное обнаружение ионизирующих частиц с помощью диодов из аморфного кремния. Nucl Instrum Methods Phys Res Sect A . (1991) 301 : 219–22. DOI: 10.1016 / 0168-9002 (91) -Y

CrossRef Полный текст | Google Scholar

19.Эквер Б., Карар А. Эффект первичной ионизации в детекторах из аморфного кремния. Nucl Instrum Methods Phys Res Sect A . (1988) 271 : 574–84. DOI: 10.1016 / 0168-9002 (88) -5

CrossRef Полный текст | Google Scholar

20. Перес-Мендес В., Каплан С.Н., Чо Г., Фуджиеда И., Куреши С., Уорд В. и др. Пиксельные детекторы из гидрированного аморфного кремния для минимальной ионизации частиц. Nucl Instrum Methods Phys Res Sect A . (1988) 273 : 127–34.DOI: 10.1016 / 0168-9002 (88) -8

CrossRef Полный текст | Google Scholar

21. Perez-Mendez V, Cho G, Drewey J, Jing T, Kaplan SN, Mireshghi A, et al. Пиксельные детекторы излучения из аморфного кремния и связанные с ними электронные устройства на тонкопленочных транзисторах. Ядерная Физика B . (1993) 32 : 287–95. DOI: 10.1016 / 0920-5632 (93)

-6

CrossRef Полный текст | Google Scholar

22. Анелли Дж., Коммишау С.К., Деспейсс М., Диссертори Дж., Джаррон П., Миацца С. и др.Новая концепция монолитных кремниевых пиксельных детекторов: гидрированный аморфный кремний на ASIC. Nucl Instrum Methods Phys Res Sect A . (2004) 518 : 366–72. DOI: 10.1016 / j.nima.2003.11.024

CrossRef Полный текст | Google Scholar

23. Куреши С., Перес-Мендес В., Каплан С.Н., Фуджиеда I, Чо Джи, улица РА. Генерация сигналов в детекторе из гидрогенизированного аморфного кремния. IEEE Trans Nucl Sci . (1989) 36 : 194–8. DOI: 10.1109 / 23.34433

CrossRef Полный текст | Google Scholar

24.Hong WS, Drewery JS, Jing T, Lee H, Kaplan SN, Perez-Mendez V и др. Детекторы заряженных частиц на основе высококачественного аморфного кремния, осажденного водородом или гелиевым разбавлением силана. IEEE Trans Nucl Sci . (1995) 42 : 240–6. DOI: 10.1109 / 23.467843

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

25. Dubeau J, Pochet T., Hamel LA, Equer B, Karar A. Отклик p-i-n детекторов на аморфном кремнии на ионизирующие частицы. Nucl Instrum Methods Phys Res Sect B .(1991) 54 : 458–71. DOI: 10.1016 / 0168-583X (91) 95394-S

CrossRef Полный текст | Google Scholar

26. Mireshghi A, Cho G, Drewery JS, Hong WS, Jing T, Lee H и др. Высокоэффективные нейтронно-чувствительные пиксельные детекторы из аморфного кремния. IEEE Trans Nucl Sci . (1994) 41 : 915–21. DOI: 10.1109 / 23.322831

CrossRef Полный текст | Google Scholar

27. Хасегава С., Язаки С., Шимицу Т. Влияние отжига на щелевые состояния в пленках аморфного кремния. Твердотельная Коммуна . (1978) 26 : 407–10. DOI: 10.1016 / 0038-1098 (78)

-X

CrossRef Полный текст | Google Scholar

28. Ванечек М., Стучлик Ю., Кочка Ю., Тржиска А. Определение подвижности аморфного кремния с помощью измерения фотопроводимости при низких температурах. Дж Некристаллические твердые тела . (1985) 77–8: 299–302. DOI: 10.1016 / 0022-3093 (85)

-X

CrossRef Полный текст | Google Scholar

29. Омер Б., Мохаммед Ф.А., АСАМ.Имитационное исследование напряжения холостого хода p-i-n солнечных элементов из аморфного кремния с использованием AMPS-1D. Дж. Нано Электронная Физика . (2014) 6 : 1–4.

Google Scholar

30. Колалонго Л., Валдиночи М., Баккарани Г., Миглиорато П., Талларида Г., Рейта К. Численный анализ поли-TFT в выключенных условиях. Твердотельный электрон . (1997) 41 : 627–33. DOI: 10.1016 / S0038-1101 (96) 00201-8

CrossRef Полный текст | Google Scholar

31.Френкель Дж. О предпробойных явлениях в изоляторах и электронных полупроводниках. Phys Rev. . (1938) 54 : 647–8. DOI: 10.1103 / PhysRev.54.647

CrossRef Полный текст | Google Scholar

32. Шокли В. Теория p-n-переходов в полупроводниках и транзисторы с p-n-переходом. Белл Syst Techn J . (1949) 28 : 435–89. DOI: 10.1002 / j.1538-7305.1949.tb03645.x

CrossRef Полный текст | Google Scholar

33.Мао Л.Ф. Физические истоки фактора идеальности уравнения тока в переходах Шоттки. Прамана Дж. Физика . (2020) 94 : 16. DOI: 10.1007 / s12043-019-1868-2

CrossRef Полный текст | Google Scholar

34. Вирш Н., Миацца С., Дунанд С., Шах А., Блан Н., Кауфманн Р. и др. Разработка вертикально интегрированных датчиков изображения и частиц. В: Симпозиум Общества исследования материалов – Труды. Сан-Франциско, Калифорния (2003 г.). п. 762. DOI: 10.1557 / PROC-762-A18.14

CrossRef Полный текст | Google Scholar

35. Greef MGD, Rubinelli FA. Оценка характеристических кривых устройств на основе a-Si: H в приближении Симмонса-Тейлора при использовании модели пула дефектов.