научная статья по теме CdTe-ДЕТЕКТОРЫ ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ИМПУЛЬСОВ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С СУБНАНОСЕКУНДНЫМ РАЗРЕШЕНИЕМ Физика

Текст научной статьи на тему «CdTe-ДЕТЕКТОРЫ ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ИМПУЛЬСОВ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С СУБНАНОСЕКУНДНЫМ РАЗРЕШЕНИЕМ»

ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2011, № 4, с. 116-119

ОБЩАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ТЕХНИКА

УДК 539.1.07

CdTe-ДЕТЕКТОРЫ ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ИМПУЛЬСОВ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С СУБНАНОСЕКУНДНЫМ РАЗРЕШЕНИЕМ

© 2011 г. С. Л. Эльяш, А. В. Родигин, Т. В. Лойко, А. И. Поляков*, С. В. Капитанов*

РФЯЦ-ВНИИэкспериментальной физики Россия, 607190, Саров Нижегородской обл., просп. Мира, 37 *ВНИИ автоматики Россия, 101000, Москва, а/я 918 Поступила в редакцию 07.02.2011 г.

Приведены характеристики и технология изготовления полупроводниковых детекторов из прессованного теллурида кадмия. Чувствительность детекторов ~(1—5) • 10-19 А • см2 • с/квант. Проведена калибровка детекторов СППД29к и СППД29-02 с помощью рентгеновского излучения субнаносе-кундной длительности, генерируемого ускорителем СПИН-2. Измеренные длительности импульсов составили т05 = 0.29 нс и т05 = 0.47 нс соответственно. Зарегистрирована форма импульса рентгеновского излучения ускорителя АРСА.

Полупроводниковые детекторы широко используются для регистрации рентгеновского излучения в научных и прикладных работах [1]. Взаимодействие квантов рентгеновского излучения с чувствительным элементом (ч.э.) детектора приводит к образованию электронно-дырочных пар в полупроводнике, которые под действием электрического поля, созданного напряжением питания, вызывают ток в нагрузке. Временное разрешение детекторов определяется подвижностью, временем жизни, скоростью насыщения носителей заряда и структурой чувствительного элемента. С развитием наносекундной высоковольтной техники появилась необходимость в регистрации интенсивных потоков рентгеновского излучения наносекундной длительности, что привело к появлению полупроводниковых детекторов с субна-носекундным временным разрешением.

Во ВНИИА разработаны полупроводниковые детекторы рентгеновского излучения СППД29к и СППД29-02. Детектор СППД29-02 предназначен для регистрации рентгеновского излучения с энергией выше 4 кэВ, детектор СППД29к — выше 30кэВ. Чувствительный элемент детекторов СППД29 изготовлен на основе теллурида кадмия СёТе по методу порошковой металлургии. Использован поликристаллический теллурид кадмия с удельным сопротивлением р > 107 Ом • см, который подвергался измельчению, просеиванию, прессовке и термическому отжигу [2]. В процессе прессовки и последующего отжига формируется полностью разориентированная структура, характеризующаяся наличием потенциальных барьеров между частицами. Высокая

концентрация дефектов на границах раздела между частицами обусловливает высокую радиационную стойкость материала. Время пролета носителей заряда в зависимости от размера частиц полупроводника составляет 10-12—10-9 с.

Чувствительность детектора к ионизирующему излучению определяется размером частиц и степенью "заращивания" дефектов в процессе термического отжига. В результате отжига чувствительность прессованного ч.э. увеличивается в десятки раз и составляет ~(1—5) • 10-19 А • см2 • с/квант для у-излучения с энергией 1.25 МэВ.

Метод порошковой металлургии позволяет формировать ч.э. детектора различной формы, в частности, для детектора СППД29-02 он выполнен в форме диска диаметром 5 мм и толщиной 1 мм. Электроды нанесены напылением слоя алюминия толщиной до 0.5 мкм на обе торцевые стороны ч.э. В плоской геометрии носители заряда находятся в однородном электрическом поле. Чувствительный элемент детектора СППД29к выполнен в виде коаксиальной структуры: центральный электрод-стержень диаметром 2 мм и внешний электрод-цилиндр диаметром 6 мм и длиной 3 мм. При такой геометрии ч.э. находится в неоднородном поле. Цилиндрические конфигурации ч.э. по сравнению с плоской конструкцией дают преимущество по временному разрешению [3].

В работе [4] проведены расчеты для цилиндрического и дискового ч.э. на основе монокристаллического полупроводника (гипотетическая модель). Полученные результаты: т05 = 9 нс для цилиндрического ч.э. и т05 = 40 нс для дискового —

С<Ге-ДЕТЕКТОРЫ ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ИМПУЛЬСОВ

117

Чувствительность, 10 20 А • с • см2/квант 60

50 40 30 20 10

0

200

400

600

800 1000 Энергия, кэВ

Напряжение, В Производная, отн. ед.

2.5 г

1.5 2.0

Время, нс

Рис. 1. Зависимости чувствительности детектора СППД29 от энергии у-излучения для ч.э. разной толщины (цифры у кривых).

Рис. 2. Сигнал к(0 с калибратора Fluke-9500B, прошедший через тракт регистрации (сплошная линия), и производная g(t) этого сигнала (пунктирная линия).

подтверждают преимущество цилиндрической конфигурации по временному разрешению. Проведенные расчеты для ч.э. из теллурида кадмия в коаксиальной цилиндрической геометрии показали, что временное разрешение может достигать т0.5 = 0.2—0.3 нс [4]. Таким образом, при переходе от монокристаллического материала к поликристаллическому временное разрешение значительно улучшается.

Детекторы изготовлены в корпусе разъема СР50-1ФВ. Корпус позволяет подсоединять кабельные линии с разъемами СР50-74ФВ. Темно-вой ток детектора при рабочем напряжении в нормальных условиях не превышает 100 мкА. Максимальный импульсный линейный выходной ток на сопротивлении нагрузки 50 Ом при отклонении от линейности 10% не менее 0.5 А. Расчетные зависимости чувствительности детектора от энергии у-излучения для ч.э. толщиной 1 и 3 мм приведены на рис. 1. При расчетах энергия образования пары носителей заряда принята равной 4.7 эВ.

Измерение временного разрешения полупроводниковых детекторов проводилось с помощью рентгеновского излучения субнаносекундной длительности, генерируемого ускорителем СПИН-2 [5]. Ускоритель СПИН-2, нагруженный на электронную трубку ИМА3-150Э, генерирует на ее выходе электронный пучок субнаносекундной длительности с током ~2 кА и максимальной энергией ~600 кэВ. Преобразование электронного излучения в рентгеновское происходит при торможении электронов на внешней мишени (танталовой фольге толщиной 20 мкм), которая расположена на выходном окне трубки. Прошедшие фольгу

электроны поглощались в фильтре из алюминия толщиной 1 мм. Длительность импульсов излучения, зарегистрированная ранее в [6] осциллографом СРГ-7, составила 0.3 нс, восстановленная — 0.15 нс.

При регистрации импульса рентгеновского излучения детекторы СППД29 располагались на расстоянии 1 см от окна трубки. Доза излучения измерялась термолюминесцентным дозиметром ИКС [7] и составила 20—25 Р/импульс, мощность дозы -1011 Р/с, эффективная энергия квантов ~50 кэВ. Сигнал с детектора по кабелю РК-50-2-22 длиной 6 м через разделительный конденсатор 0.05 мкФ х 2 кВ подавался на вход регистрирующего осциллографа LeCroy WM8500A с полосой пропускания 5 ГГц. При необходимости регистрируемый импульс ослаблялся в 10 раз с помощью быстродействующего делителя коаксиальной конструкции. Напряжение питания детектора составляло 1.6 кВ.

Предварительно были определены переходные характеристики тракта регистрации при помощи калибратора Иике-9500В. С этой целью сигнал с калибратора сначала подавался на осциллограф LeCroy. Зарегистрированный сигнал имел форму "ступеньки" с фронтом (по уровням 0.1—0.9) Тф = 0.18 нс. Затем сигнал с калибратора подавался на тракт регистрации, содержащий кабель и разделительный конденсатор. Осциллограмма сигнала приведена на рис. 2 (сплошная линия). Длительность участка быстрого нарастания переходного процесса составила 0.26 нс. В импульсной технике при определении временного разрешения используют как переходную

118

ЭЛЬЯШ и др.

Напряжение, В 3.0

2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0

-0.5 1.4

0.2 0 0.2

Напряжение, В 1.4 г

1.0 -

34 Время, нс

0.6

0.2 0

-0.2

5 4 3 2 1 0 -1

10

20

30 40

Время, нс

Рис. 3. Осциллограммы рентгеновского излучения ускорителя СПИН-2, зарегистрированные с помощью детекторов: а - СППД-29к, б - СППД-29-02.

Рис. 4. Осциллограммы рентгеновского излучения ускорителя АРСА, зарегистрированные с помощью детекторов: а - СППД-29к, б - СППД-29-02.

Н(/), так и импульсную g(t) характеристики, которые связаны соотношением:

g(t) = ёН^)/^.

За временное разрешение принимается ширина на полувысоте т05 сигнала импульсной характеристики g(t) [8]. Поэтому измеренные переходные характеристики дифференцировались. В результате дифференцирования получены длительности сигнала с калибратора т05к = 0.18 нс и с тракта регистрации т05т = 0.22 нс (рис. 2, пунктирная линия). Отсюда можно определить импульсную характеристику тракта регистрации:

g(t) = л/т0.5т -То.5к = °.13 нс.

Осциллограммы рентгеновского излучения ускорителя СПИН-2, зарегистрированные с помощью детекторов СППД-29к и СППД-29-02, приведены на рис. 3. Длительности импульсов излучения на полувысоте т05 составили 0.29 и 0.47 нс соответственно. С учетом калибровки тракта регистрации и длительности рентгеновского излучения

импульсные характеристики детекторов СППД-29к и СППД-29-02 составили соответственно т0 5 « « 0.21 нс, т0 5 « 0.42 нс.

Описанные детекторы использовались для регистрации наносекундных импульсов рентгеновского излучения малогабаритного ускорителя АРСА на напряжение 1 МВ [9]. Осциллограммы рентгеновского излучения приведены на рис. 4. Наблюдаемые три максимума соответствуют форме импульса высокого напряжения, приложенного к ускорительной трубке, и совпадают с импульсами, зарегистрированными другими детекторами.

Таким образом, экспериментально подтверждено, что полупроводниковые детекторы СППД29 на основе теллурида кадмия, изготовленные по методу порошковой металлургии, обладают субнано-секундным временным разрешением. Зарегистрированные длительности импульсов излучения 0.29 и 0.47 нс свидетельствуют о преимуществе коаксиальных ч.э. по сравнению с плоскими, что соответствует ранее проведенным расчетам [4].

CdTe-ДЕТЕКТОРЫ ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ИМПУЛЬСОВ

119

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Акимов Ю.К., Игнатьев О.В., Калинин А.И. и др. Полупроводниковые детекторы в экспериментальной физике. М.: Энергоатомиздат, 1989.

2. Поляков А.И. Патент № 2103765 РФ. Класс H01L21/02 // БИ. 1998. № 3.

3. Malm H. // Revue de Physique Appliquée. 1977. V. 12. Р. 303.

4. Андреев В.В., Поляков А.И. // Технический прогресс в атомной промышленности. Серия Организация производства.1990. № 10—11. С. 73.

5. Жел

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком