RU2229731C1

RU2229731C1 - Diamond detector of ionizing radiations

Info

Publication number: RU2229731C1
Application number: RU2002126863/28A
Authority: RU
Inventors: Н.И. Терентьев (RU); Н.И. Терентьев; В.А. Сенаторов (RU); В.А. Сенаторов; А.Ю. Чернов (RU); А.Ю. Чернов
Original assignee: Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт импульсной техники"
Priority date: 2002-10-07
Filing date: 2002-10-07
Publication date: 2004-05-27

Abstract

FIELD: equipment recording radiation. SUBSTANCE: detector is produced on base of high-frequency connector inside which sensitive element based on diamond plate with hole in center is placed. One side of diamond plate carries conducting contacts in the form of closed concentric surfaces of complex shape positioned one inside other. Contacts are separated by gap. Outlines of surfaces of conducting contacts facing gap include alternating protrusions and recesses arranged in symmetry with reference to center of sensitive element. Recesses of inner outline of external contact are located opposite to protrusions of outer outline of internal contact. EFFECT: enhanced time resolution of detector with preservation of high sensitivity and absence of dependence of sensitivity on radiation energy. 4 dwg

Description

Изобретение относится к технике регистрации излучений, а именно к алмазным детекторам, предназначенным для преобразования однократных или редко повторяющихся импульсов ионизирующих излучений, в частности мягкого рентгеновского или фотонного излучения в электрические аналоги.The invention relates to a technique for detecting radiation, namely, diamond detectors designed to convert single or rarely repeated pulses of ionizing radiation, in particular soft x-ray or photon radiation into electrical analogues.

При разработке таких детекторов встает задача достижения высокой чувствительности детектора при ее слабой зависимости от энергии излучения и высокого временного разрешения.When developing such detectors, the task is to achieve a high sensitivity of the detector with its weak dependence on the radiation energy and high temporal resolution.

Известен алмазный детектор ионизирующего излучения [1], содержащий чувствительный элемент в виде алмазной пластины 1 с проводящими контактами 2, расположенными на противоположных сторонах пластины 1, так называемый “сэндвич” (фиг.1). Недостатком детектора является зависимость его чувствительности от энергии излучения в мягкой области спектра. При энергиях ниже 0,5 кэВ происходит сильное снижение чувствительности детектора за счет поглощения квантов излучения материалом контакта, являющимся входным окном детектора.Known diamond ionizing radiation detector [1], containing the sensing element in the form of a diamond plate 1 with conductive contacts 2 located on opposite sides of the plate 1, the so-called “sandwich” (figure 1). The disadvantage of the detector is the dependence of its sensitivity on the radiation energy in the soft region of the spectrum. At energies below 0.5 keV, the detector sensitivity decreases significantly due to the absorption of radiation quanta by the contact material, which is the input window of the detector.

Известен алмазный детектор быстрых электронов [2], содержащий чувствительный элемент поверхностного типа в виде алмазной CVD - пленки 1 (фиг.2). Токопроводящие контакты 2 расположены на одной стороне алмазной пластины и разделены зазором 3 шириной 1 мм и длиной 1 мм. Электрический сигнал снимается с контактов с помощью проводников 4, соединенных с проводящими контактами. Входное окно у детектора отсутствует, поэтому детектор способен измерять очень мягкие излучения. Рабочей областью детектора является зазор между контактами. Недостатком является низкая чувствительность детектора с таким чувствительным элементом вследствие малого объема рабочей области (~10^-13Кл/рад).Known diamond fast electron detector [2], containing a surface-type sensitive element in the form of diamond CVD film 1 (figure 2). The conductive contacts 2 are located on one side of the diamond plate and are separated by a gap 3 of a width of 1 mm and a length of 1 mm. The electrical signal is removed from the contacts using conductors 4 connected to the conductive contacts. The detector does not have an input window; therefore, the detector is capable of measuring very soft radiation. The working area of the detector is the gap between the contacts. The disadvantage is the low sensitivity of the detector with such a sensitive element due to the small volume of the working area (~ 10 ^-13 C / rad).

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является фотодетектор [3] с чувствительным элементом поверхностного типа (фиг. 3) на основе алмазных и CVD пленок. Токопроводящие контакты 2 расположены на одной стороне пластины и разделены зазором 3. Контакты имеют конфигурацию “гребенка в гребенке”. Электрический сигнал снимается с контактов с помощью выводов 4. Наличие у чувствительного элемента контактов с более развитой поверхностью приводит к увеличению чувствительности детектора в сравнении с [2]. Принцип работы детектора заключается в следующем: потоки квантов фотонного излучения взаимодействуют с атомами углерода (алмаза). В результате образуются фото- и комптоновские электроны, которые, в свою очередь, ионизируют алмаз, являющийся широкозонным полупроводником, и создают в нем пары носителей - электроны и дырки. Под действием приложенного к контактам электрического напряжения носители движутся по криволинейным траекториям, определенным конфигурацией электрического поля. В цепи возникает электрический ток, величина которого пропорциональна плотности потока фотонного излучения.The closest technical solution to the proposed one is a photo detector [3] with a surface-type sensitive element (Fig. 3) based on diamond and CVD films. The conductive contacts 2 are located on one side of the plate and are separated by a gap 3. The contacts have a “comb-in-comb” configuration. The electrical signal is removed from the contacts using conclusions 4. The presence of the sensitive element contacts with a more developed surface leads to an increase in the sensitivity of the detector compared to [2]. The principle of the detector is as follows: the fluxes of photon radiation quanta interact with carbon atoms (diamond). As a result, photo- and Compton electrons are formed, which, in turn, ionize a diamond, which is a wide-gap semiconductor, and create carrier pairs in it - electrons and holes. Under the action of an electric voltage applied to the contacts, the carriers move along curved paths determined by the configuration of the electric field. An electric current arises in the circuit, the magnitude of which is proportional to the flux density of photon radiation.

Недостатком детектора является невысокое временное разрешение, обусловленное влиянием индуктивности выводов.The disadvantage of the detector is the low temporal resolution due to the influence of the inductance of the findings.

Техническим результатом, обеспечиваемым заявляемым изобретением, является повышение временного разрешения детектора при сохранении высокой чувствительности и при отсутствии зависимости чувствительности от энергии излучения.The technical result provided by the claimed invention is to increase the temporal resolution of the detector while maintaining high sensitivity and in the absence of dependence of sensitivity on radiation energy.

Технический результат обеспечивается тем, что в алмазном детекторе ионизирующих излучений, содержащем чувствительный элемент на основе пластины из естественного алмаза или CVD-пленки, на одной из сторон которой расположены проводящие контакты, разделенные зазором, контакты выполнены в виде замкнутых концентрических поверхностей, обращенные к зазору контуры которых имеют чередующиеся выступы и впадины, расположенные симметрично относительно центра чувствительного элемента, в котором выполнено отверстие, причем напротив выступов внешнего контура внутреннего контакта расположены впадины внутреннего контура наружного контакта. Сущность изобретения заключается в том, что вследствие предложенной формы контактов и их расположения конструкция детектора является коаксиальной, что приводит к высокому временному разрешению. В то же время рабочая область чувствительного элемента имеет сложную по сравнению с обычным зазором форму, поэтому чувствительность детектора в мягкой области выше, чем у прототипа.The technical result is ensured by the fact that in a diamond ionizing radiation detector containing a sensing element based on a plate of natural diamond or a CVD film, on one side of which there are conductive contacts separated by a gap, the contacts are made in the form of closed concentric surfaces facing the gap contours which have alternating protrusions and depressions symmetrically located relative to the center of the sensing element in which the hole is made, and opposite to the protrusions of the outer internal contour of the contact located hollows of the inner contour of the external contact. The essence of the invention lies in the fact that due to the proposed shape of the contacts and their location, the design of the detector is coaxial, which leads to high temporal resolution. At the same time, the working area of the sensitive element has a complex shape compared to the usual gap, therefore, the sensitivity of the detector in the soft region is higher than that of the prototype.

На фиг. 4 представлена форма выполнения чувствительного элемента детектора. Принятые обозначения: 1 - алмазная пластина, 2, 6 - наружный и внутренний контакты, 3 - зазор между контактами, 5 - отверстие в центре чувствительного элемента.In FIG. 4 shows an embodiment of a detector sensitive element. Accepted designations: 1 - diamond plate, 2, 6 - external and internal contacts, 3 - the gap between the contacts, 5 - hole in the center of the sensing element.

Предлагаемый алмазный детектор ионизирующих излучений может быть выполнен на базе высокочастотного разъема, внутри которого расположен чувствительный элемент на основе алмазной пластины 1 с отверстием 5 в центре. Проводящие контакты 2, 6 нанесены на одной из сторон алмазной пластины 1 в виде замкнутых концентрических поверхностей сложной формы, расположенных одна внутри другой. Контакты разделены зазором 3. Обращенные к зазору 3 контуры поверхностей проводящих контактов 2, 6 имеют чередующиеся выступы и впадины, расположенные симметрично относительно центра чувствительного элемента, причем напротив выступов внешнего контура внутреннего контакта расположены впадины внутреннего контура наружного контакта. Внутренний контакт 6 чувствительного элемента выводится через отверстие 5, а наружный контакт 2 соединен с корпусом детектора (высокочастотного разъема). Отверстия в алмазных чувствительных элементах изготавливались на импульсной лазерной установке. Необходимый контактный рисунок может наноситься методом фотолитографии.The proposed diamond ionizing radiation detector can be made on the basis of a high-frequency connector, inside of which there is a sensitive element based on a diamond plate 1 with a hole 5 in the center. Conductive contacts 2, 6 are applied on one side of the diamond plate 1 in the form of closed concentric surfaces of complex shape located one inside the other. The contacts are separated by a gap 3. The contours of the surfaces of the conductive contacts 2, 6 facing the gap 3 have alternating protrusions and depressions symmetrically relative to the center of the sensing element, and depressions of the inner contour of the external contact are opposite the protrusions of the external internal contact circuit. The internal contact 6 of the sensing element is output through the hole 5, and the external contact 2 is connected to the detector housing (high-frequency connector). The holes in the diamond sensitive elements were made on a pulsed laser system. The necessary contact pattern can be applied by photolithography.

Принцип работы детектора заключается в следующем: потоки квантов рентгеновского излучения взаимодействуют с атомами углерода (алмаза). В результате образуются фото- и комптоновские электроны, которые, в свою очередь, ионизируют алмаз, являющийся широкополосным полупроводником, и создают в нем пары носителей - электроны и дырки. Под действием приложенного к контактам электрического напряжения носители движутся и часть их собирается на контактах, а часть рекомбинирует на введенных центрах рекомбинации. В цепи возникает электрический ток, величина которого пропорциональна плотности потока рентгеновского излучения. Рабочей областью чувствительного элемента является зазор сложной формы между внутренним и наружным контактами. Форма контактов, а соответственно и зазора была подобранна экспериментальным путем. Развитая поверхность зазора приводит к увеличению чувствительности детектора поверхностного типа, а коаксиальность конструкции позволяет до минимума снизить паразитные индуктивности и, следовательно, получить более высокое временное разрешение. Отсутствие входного окна снимает зависимость чувствительности детектора от энергии излучения.The principle of operation of the detector is as follows: the fluxes of X-ray quanta interact with carbon atoms (diamond). As a result, photo- and Compton electrons are formed, which, in turn, ionize a diamond, which is a broadband semiconductor, and create carrier pairs in it - electrons and holes. Under the action of an electric voltage applied to the contacts, the carriers move and some of them collect at the contacts, and some recombine at the introduced recombination centers. An electric current arises in the circuit, the magnitude of which is proportional to the density of the x-ray flux. The working area of the sensing element is a gap of complex shape between the internal and external contacts. The shape of the contacts, and, accordingly, the gap, was selected experimentally. The developed clearance surface leads to an increase in the sensitivity of the surface-type detector, and the coaxiality of the design allows to minimize parasitic inductances and, therefore, to obtain a higher time resolution. The absence of an input window removes the dependence of the detector sensitivity on the radiation energy.

Таким образом, предлагаемый алмазный детектор в сравнении с прототипом обладает более высоким временным разрешением при сохранении высокой чувствительности и отсутствии зависимости чувствительности от энергии излучения.Thus, the proposed diamond detector in comparison with the prototype has a higher time resolution while maintaining high sensitivity and the absence of dependence of sensitivity on radiation energy.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИSOURCES OF INFORMATION

1. Терентьев Н.И. Полупроводниковые детекторы импульсных излучений на основе алмаза. В сборнике “Новые промышленные технологии”, вып.3-4 (296-297), М., 2000 г., стр.75-80.1. Terentyev N.I. Diamond based semiconductor pulsed radiation detectors. In the collection "New Industrial Technologies", issue 3-4 (296-297), Moscow, 2000, pp. 75-80.

2. S.Han, R.S.Wagner, J.Joseph, M.A.Piano et al, Chemical vapor deposited diamond radiation detector for ultrahigh radiation dose-rate measurement: Response to subnanosecond, 16-MeV electron pulses. Rev. Sci. Instrum. 66 (12), December 1995, pp.5516-5521.2. S. Han, R. S. Wagner, J. Joseph, M.A. Piano et al, Chemical vapor deposited diamond radiation detector for ultrahigh radiation dose-rate measurement: Response to subnanosecond, 16-MeV electron pulses. Rev. Sci. Instrum. 66 (12), December 1995, pp. 5516-5521.

3. V.I.Polykov, A.I.Rukovishnikov, V.G.Ralshenko Photodetector with CVD diamond films: electrical and photoelectrical properties photoconductive and photodiode structures. Diamond and Related Materials 7 (1998), 821-825 (прототип).3. V.I. Polykov, A. I. Rukovishnikov, V. G. Ralshenko Photodetector with CVD diamond films: electrical and photoelectrical properties photoconductive and photodiode structures. Diamond and Related Materials 7 (1998), 821-825 (prototype).

Claims

A diamond ionizing radiation detector containing a sensing element based on a diamond plate made of natural diamond or a CVD film, on one side of which there are conductive contacts separated by a gap, characterized in that the contacts are made in the form of closed concentric surfaces, the contours of which face the gap have alternating protrusions and depressions symmetrically relative to the center of the sensing element in which the hole is made, and opposite to the protrusions of the external contour inside ennego contact outer located internal contact contour hollows.