Спосіб вимірювання-альфа-радіоактивних “гарячих” частинок та пристрій для його реалізації

Изобретение относится к области измерений ядерных излучений, в частности к измерениям aрадиоактивных "горячих" частиц их геометрических размеров, конфигурации, пространственной локализации с получением изображения и может быть использовано в прикладных ядернофизических исследованиях. Известны полупроводниковые интегральные постоянно запоминающие устройства (ПЗУ), изготовленные на основе энергонезависимых элементов памяти. В качестве запоминающего элемента памяти используются запоминающие транзисторы, например: МНОП-транзисторы (металл - нитрид - окисел - полупроводник) с электрической записью и электрическим стиранием заряда, МОП-транзисторы (металл - окисел полупроводник) с поликремниевым плавающим затвором с электрической записью и ультрафиолетовым стиранием, а также КМОПтранзисторы (комплементарные МОП) FLOTOX или FLASH с плавающим затвором и электрическим стиранием заряда [1 - 4], выбранный в качестве прототипа по способу измерения и по устройству позиционно-чувствительного детектора a-частиц, согласно технологии их изготовления. Основные недостатки заключаются в том, что: 1. Нет возможности в корпусах использовать запоминающую матрицу в качестве позиционночувствительного детектора a-частиц, так как корпус является непрозрачным для проникновения aчастиц в матрицу ПЗУ. 2. Нет возможности получить изображение, так как сигнал из матрицы ПЗУ выводится в цифровом виде. Известно стационарное контрольноизмерительное устройство, используемое для измерения электрических характеристик в производстве ПЗУ [2 - 3], выбранное в качестве прототипа по способу и устройству для измерения a-радиоактивных "горячих"частиц с получением изображения. Устройство предназначено для измерения электрических параметров микросхем, например, параметров программирования, считывания, токов потребления, токов утечки, динамических параметров и так далее. Записанная информация в цифровом символьном виде (в виде цифр или букв) отображается на мониторе компьютера. Основной недостаток прототипа состоит в том, что нет возможности получить изображение всей матрицы, и считывать аналоговую информацию для модуляции яркости растра синхронно развертке по строкам матрицы не в символьном виде, а согласно требованиям растра для получения изображения. Задача определение геометрических размеров, конфигурации, пространственной локализации, получение цветного изображения aрадиоактивных "горячих" частиц с использованием в качестве позиционно-чувствительного детектора a-частиц запоминающей матрицы ПЗУ при экспонировании ее в поле a-излучения, как в активном, так и пассивном режиме при отключенном питании ПЗУ, с возможностью моделирования объемного изображения. Поставленная задача достигается тем, что: Способ измерения «-радиоактивных "горячих" частиц, отображающий цифровую информацию из запоминающей матрицы на мониторе электронновычислительной машины (в виде символов или знаков) согласно изобретению основан на получении изображения a-радиоактивных "горячих" частиц, модуляцию яркости свечения растра осуществляют по токам истоков (стоков) запоминающих транзисторов матрицы для вывода информации в аналоговом или цифровом виде, затем при корпусировании микросхемы оставляют открытой только запоминающую матрицу для проникновения a-частиц, и проводят запись информационного заряда в каждый запоминающий транзистор матрицы, после этого проводят экспонирование в поле a-излучения "горячей" частицы, при этом осуществляют счи тывание информации по строкам запоминающей матрицы синхронно развертке растра изображения, величина стертого информационного заряда в затворе запоминающих транзисторов a-частицами соответствует сдви гу их порогового напряжения, от которого зависит ток истока (стока), считанная аналоговая информация после аналоговоцифрового преобразования заводится по программе в компьютер для модуляции яркости, а по областям стертого информационного заряда формируется изображение "горячих" частиц от времени экспонирования, периодически с одним и тем же временным шагом считанная информация по программе заводится в память компьютера, таким образом осуществляется запись динамики формирования изображения, после окончания экспонирования проводят просмотр изображения в любом масштабе всей матрицы или отдельных ее частей и по масштабной сетке определяют геометрические размеры "горячих" частиц, их конфигурацию и пространственную локализацию. Способ, согласно изобретению, дополнительно содержит получение цветного изображения за счет разложения на основные три цвета в зависимости от энергии a-частиц, длины свободного пробега, путем разделения красных строк запоминающей матрицы от зеленых, и зеленых от голубых, материалом толщиной не большей, чем половина длины свободного пробега a-частиц в этом материале, а цветность строк определяют кодом считывания и далее как описано выше. Способ, согласно изобретению, дополнительно содержит моделирование объемного изображения на основе измерении, проводимых по третьей Zкоординате с шагом, не большим геометрических размеров запоминающих транзисторов за одно и то же время, при этом полученное изображение заносится в память компьютера после каждого шага, перемещение осуществляют по Zкоординате "горячей" частицы к запоминающей матрице или наоборот. Способ, согласно изобретению, дополнительно содержит, после записи информационного заряда в запоминающую матрицу, экспонирование в поле a-излучения в автономном режиме при отключении питания, а после экспонирования измерения проводят как указано выше. Способ, согласно изобретению, дополнительно содержит считывание информации из запоминающей матрицы согласно телевизионным системам кодирования SECAM, NTSC или PAL, изображение "горячих" частиц и определение их размеров получают с помощью телевизионного приемника, а динамику формирования изображения записывают на видеомагнитофон. Существенные отличия предлагаемого способа измерения: 1. Предлагаемый способ измерения aрадиоактивных "горячих" частиц, основанный на получении их изображения с использованием в качестве позиционно-чувстви тельного детектора aчастиц запоминающей матрицы ИМС ПЗУ имеет достаточно большую избирательную способность к a-излучению, информационный заряд стирается aчастицами, так как для стирания сопутствующим излучением требуются дозы более 10рад. 2. Не требуется использование низких (азотных) температур и высокочувствительных усилителей (в сравнении с позиционночувствительными детекторами на основе ПЗСматрицы). 3. Так, как время хранения информационного заряда в матрице ПЗУ достаточно большое более нескольких лет, а информационный заряд стирается a-частицами и без источника питания самого детектора автономно, при экспонировании в поле a-излучения, то с этого следует, что такой режим работы удобно использовать при проведении радиационного мониторинга, по сравнению с другими методами. 4. Отсутствуют эффекты, связанные с недопроявлением, перепроявлением, которые присутствуют при получении изображения "горячих" частиц с помощью ядерных фотоэмульсий, за счет того, что предлагаемый способ для измерения a-радиоактивных "горячих" частиц позволяют получать и записывать динамику формирования изображения с любым шагом измерения. 5. Возможно моделирование объемного изображения и получение цветного изображения. Суть способа измерения a-радиоактивных "горячих" частиц заключается в следующем. Известно, что информационный заряд стирается aчастицами при попадании их в подзатворную область запоминающего транзистора. Сдвиг порогового напряжения при этом зависит от дозы, которую создает a-частица в подзатворной области. Так например, для полного стирания информационного заряда g-квантами изотопа Co60 требуются дозы более чем 105рад, a-частица на оси трека создает дозу не менее, чем 106рад. Поэтому при микронных размерах затвора запоминающего транзистора заряд стирается одной или несколькими частицами в зависимости от места прохождения a-частиц. Скорость стирания информационного заряда зависит от интенсивности a-источника, величины самого заряда, напряжения на затворе (стирание информационного заряда происходит и при нулевом напряжении на затворе в процессе облучения). Поэтому для использования запоминающей матрицы в качестве позиционночувствительного детектора для a-частиц необходимо ее открыть для проникновения aчастиц в матрицу, таким образом, чтобы открытой оставалась только матрица, а схемы обрамления были защищены слоем диэлектрического материала толщиной не менее длины свободного пробега a-частиц в этом материале. Это необходимо для того, чтобы a-частицы не вызвали сбоев или других отказов в работе микросхемы. Модуляция яркости свечения изображения по токам истоков (стоков) осуществляется сдвигом порогового напряжения запоминающих транзисторов, определяется количеством a-частиц, прошедших через подзатворную область, имеет достаточно широкий динамический диапазон для аналогово-цифрового преобразования. Количество запоминающих транзисторов в строках матрицы и количество самих строк определяется телевизионным растром. Перед измерением проводят запись заряда в матрицу. Запись информационного заряда в запоминающий транзистор осуществляется импульсом записи за счет инжекции носителей заряда с кремния через туннельный окисел SiO2 в подзатворную область. Величина его может достигать 10 - 105 единиц зарядам зависимости от режима записи, что приводит к изменению порогового напряжения запоминающего транзистора на (5 - 8)В. Уровень логического "0" и логической "1" определяется относительно амплитуды импульса считывания, в одном случае транзистор открыт, в другом закрыт. Информационный заряд сохраняется на границе раздела SiO2 и Si3N4 для запоминающих МНОПтранзисторов, или на поликремниевом затворе для запоминающих транзисторов с плавающим затвором. Время хранения информационного заряда при отключенном источнике питания в запоминающих транзисторах более 5 лет. Стирание информационного заряда при перепрограммировании осуществляется в транзисторах с плавающим затвором ультрафиолетовыми лучами, в запоминающих МНОП-транзисторах за счет импульса стирания противоположной полярности относительно импульса записи. Количество циклов перепрограммирования для транзисторов с плавающим затвором 102 - 106 раз, для МНОПтранзисторов 104 - 106 раз. После записи информационного заряда в матрицу, проводят экспонирование в поле aизлучения и осуществляют считывание записанной информации. Считанная аналоговая информация используется для модуляции яркости телевизионного изображения или после аналоговоцифрового преобразования заводится в цифровом виде в память компьютера для получения изображения с помощью компьютера. По областям стертого заряда формируется изображение "горячих" частиц, размеры которого определяются по масштабной сетке. При экспонировании, периодически с одним и тем же временным шагом считанная информация по программе заводится в память компьютера, или записывается на видеомагнитофон, таким образом осуществляется запись динамики формирования изображения. После экспонирования проводят просмотр изображения в любом масштабе и определяют размеры. Получение цветного изображения осуществляется разложением на основные три цвета в зависимости от энергии a-частиц их длины свободного пробега, путем разделения красных строк матрицы от зеленых, и зеленых от голубых материалом толщиной не большей, чем половина длины свободного пробега a-частиц в этом материале, а цветность строк определяется кодом считывания. Моделирование объемного изображения осуществляется по программе на основе комплекса измерений, проведенных по третьей Zкоординате с шагом, не большим геометрических размеров запоминающих транзисторов за одно и то же время. Устройство для измерения a-радиоактивных "горячих" частиц, содержащее: генератор импульсов записи и стирания, программатор, выход генератора импульсов записи и стирания подключен к первому входу программатора, видеомагнитофон, выход которого соединен с вторым входом телевизионного приемника, источник питания, генератор тактовых импульсов, генератор масштабной сетки, компьютер, устройство считывания, интерфейс, устройство управления X, Y, Z-позиционным микростоликом, позиционный микростолик, контактное устройство ИМС ПЗУ, схему раздвоения сигнала, устройство отображения информации на экране телевизионного приемника, согласно изобретения и способа измерения первый выход генератора тактовых импульсов соединен с входом генератора импульсов записи и стирания, второй выход генератора тактовых импульсов соединен с тактовым входом устройства считывания и тактовым входом устройства отображения информации на экране телевизионного приемника, третий выход генератора тактовых импульсов соединен с тактовым входом генератора масштабной сетки, группа входов-выходов генератора масштабной сетки соединена с второй группой входов-вы ходов устройства о тображения информации на экране телевизионного приемника, выход которого соединен с входом схемы раздвоения сигнала, первый выход схемы раздвоения сигнала подключен к первому входу телевизионного приемника, второй выход схемы раздвоения сигнала подключен к входу видеомагнитофона, вторая группа входов-выходов устройства считывания подключена к первой группе входов-выходов устройства отображения информации на экране телевизионного приемника, входы-вы ходы устройства управления X, Y, Zпозиционным микростоликом через шины управления соединены с первой группой входоввыходов интерфейса, вторая группа входоввыходов интерфейса соединена с второй группой входов-вы ходов коммутатора, при этом согласно изобретению дополнительно введены позиционночувствительный детектор на основе матрицы, состоящей из запоминающих транзисторов ИМС ПЗУ, схема выбора режимов работы ИМС ПЗУ, схема управления устройством, причем информационно-управляющие входы-выходы и выводы питания позиционно-чувствительного детектора - ИМС ПЗУ через контактное устройство ИМС подключены к первой группе входов-выходов схемы выбора режимов работы ИМС ПЗУ, в которой вторая группа входов-выходов соединена с источником питания, третья группа входоввыходов схемы выбора режимов работы ИМС ПЗУ через информационно-управляющие шины соединена с третьей группой входов-выходов программатора, вторая группа входов-выходов программатора соединена с второй гр уппой входов-вы ходов схемы управления устройством, тактовый вход схемы выбора режимов работы ИМС ПЗУ и тактовый вход схемы управления устройством соединены между собой и подключены ко второму выходу генератора тактовых импульсов, четвертая гр уппа входоввыходов схемы выбора режимов работы ИМС ПЗУ соединена с первой группой входов-выходов устройства считывания, третья группа входов выходов которого соединена с третьей группой входов-вы ходов схемы управления устройством, пятая группа входов-выходов схемы выбора режимов работы ИМС ПЗУ подключена к первой группе входов-вы ходов схемы управления устройством, первая группа входов-вы ходов компьютера соединена с четвертой группой входов-вы ходов схемы управления работой устройства. Устройство согласно изобретению содержит позиционно-чувствительный детектор, по периметру матрицы которого выполнен формирователь адреса, соединенный шинами с дешифратором X и дешифратором Y, выходы дешифратора X соединены с входами коммутатора X, вы ходы дешифратора Y соединены с входами коммутатора Y, коммутатор X и коммутатор Y шинами соединены из запоминающей матрицей, коммутатор напряжения питания соединен с коммутатором X, формирователь напряжения смещения соединен из запоминающей матрицей и опорными элементами, усилители считывания подключены к коммутатору Y и к опорным элементам, выходы усилителей считывания подключены к входам усилителей информации, выход формирователя команды программирования PGM соединен с коммутатором напряжения питания и формирователем напряжения смещения, а также согласно изобретению дополнительно содержит введенные схему управления, импульсные усилители, схему сложения аналоговых сигналов и аналоговоцифровой преобразователь, причем входы схемы управления параллельно соединены с выходами усилителей считывания, а управляющий вход схемы управления соединен с формирователем команды программирования PGM, вы ходы схемы управления соединены с входами импульсных усилителей, выходы которых соединены с входами схемы сложения аналоговых сигналов, выход схемы сложения аналоговых сигналов соединен с входом аналогово-цифрового преобразователя и разварен к отдельному выводу микросхемы, выводы аналогово-цифрового преобразователя разварены также отдельными выводами, корпусирование выполнено так, что открытой для проникновения a-частиц осталась только запоминающая матрица. Устройство согласно изобретению дополнительно содержит нанесенные на поверхность защитного пассивированного слоя матрицы полосы, из диэлектрического материала (прозрачного для ультрафиолетовых лучей, если матрица состоит из запоминающих транзисторов с плавающим затвором) по синим и зеленым строкам, красные строки не покрыты, ширина и длина полос соответствует ширине и длине строк матрицы, толщина полос по синим строкам не превышает длины свободного пробега a-частиц в этом материале, а по зеленым строкам не превышает половины длины свободного пробега aчастиц. Устройство согласно изобретению дополнительно содержит матрицу позиционночувствительного детектора, выполненную ровной и гладкой, путем вытравленных в кремнии двуступенчатых канавок, глубиной для синих строк не больше длины свободного пробега a-частиц, для зеленых строк не больше ее половины, шириной не меньше геометрических размеров запоминающих транзисторов, длиной, равной длине строк матрицы, красные строки не вытравлены, таким образом изготовленная трехступенчатая структура периодически повторяется вдоль ширины матрицы, количество ступеней соответствуе т числу красных, зеленых и синих строк телевизионного растра, на поверхности дна вытравленных канавок и на поверхности не вытравленных красных строк изготовлены запоминающие транзисторы, которые закрыты диэлектрическим материалом (для транзисторов с плавающим затвором прозрачным для ультрафиолетовых лучей) соответственных толщин для синих строк не больше длины свободного пробега a-частиц в этом материале, для зеленых не больше ее половины, а для красных до нескольких микрон, на изготовленной ровной поверхности на вскрытые контактные площадки стоков, истоков и затворрв нанесена металлизация для двухуровневой или трехуровневой разводки токоведущих шин, изготовленная матрица покрыта защитным пассивирующим слоем толщиной порядка микрона. Устройство согласно изобретению дополнительно содержит матрицу позиционночувствительного детектора, выполненную с ровной и гладкой поверхностью по технологии кремний на диэлектрику в виде трехмерной, структуры, путем изготовленной на подложке первой матрицы из запоминающих транзисторов для синих строк телевизионного растра, которая покрыта сверху диэлектрическим материалом, толщиной не больше половины длины свободного пробега aчастиц в этом материале, на поверхность этого диэлектрического материала нанесен кремний, на котором изготовлена вторая матрица для зеленых строк растра и также поверхность второй матрицы покрыта диэлектрическим материалом толщиной не больше половины длины свободного пробега aчастиц и на поверхность второго диэлектрического слоя нанесен слой кремния, на котором выполнена третья матрица для красных строк, которая покрыта защитным пассивирующим слоем толщиной порядка микрона. Так как предлагаемое устройство для измерения a-радиоактивных "горячих" частиц предназначено для реализации предложенного способа измерения, то и существенные отличия будут одними и теми. На фиг.1 изображено сечение позиционночувствительного детектора a-частиц на основе ИМС ПЗУ для получения цветного изображения "горячих" частиц: а) изготавливаемого на основе стандартных кристаллов ИМС ПЗУ; б) изготавливаемого из сохранением гладкой поверхности запоминающей матрицы. На фиг.1 обозначено: 1 - кремниевая пластина, на которой изготавливаются ИМС ПЗУ; 2 запоминающие транзисторы; 3 -диэлектрический материал (прозрачный для ультрафиолетовых лучей и запоминающих транзисторов с плавающим затвором), с обозначением толщин: d1 - для синих строк, d2 - для зеленых, d3 - для красных; a-длина свободного пробега a-частиц; 4 - токоведущие шины; 5 - слой диэлектрического материала толщиной d для защиты схем обрамления от попадания a-частиц. На фиг.2 представлено схематическое изображение сечения позиционно-чувствительного детектора a-частиц на основе трехмерной структуры с использованием технологии кремний на диэлектрику для получения цветного изображения "горячих" частиц. На фиг.2 обозначено: 1 - кремниевая пластина; 2 - запоминающие транзисторы; 3 - диэлектрик - 1; 4 - кремний - 1; 5 - диэлектрик - 2; 6 - кремний - 2; 7 - диэлектрик - 3 (защитный диэлектрический слой); 8 - защитный диэлектрический слой толщиной d большей за единицу свободного пробега a-частиц в этом материале для защиты схем обрамления от попадания a-частиц. На фиг.3 изображено функциональную схему позиционно-чувствительного детектора a-частиц на основе ИМС ПЗУ, на которой обозначено: 1 формирователь адреса АО - AN ; 2 - де шифратор X; 3 - коммутатор X; 4 - запоминающая матрица ПЗУ; 5 - усилители считывания; 6 - схема управления; 7 - импульсные усилители; 8 - схема сложения аналоговых сигналов; 9 - аналоговоцифровой преобразователь; 10 - усилители информации; 11 - дешифратор Y; 12 - коммутатор Y; 13 формирователь команды программирования; 14 - коммутатор напряжения питания Ucc, Up; 15 - формирователь напряжения смещения; 16 - опорные элементы; 17 формирователь команды ОЕ; 18 - формирователь команды CS; Ucc - напряжение питания; Up напряжение программирования; Вх. - вход устройства; Вых. - вы ход устройства; PGM команда программирования; Uупр. - напряжение на входе схемы управления, или на выходе формирователя PGM. На фиг.4 изображена блок-схема устройства для измерения a-радиоактивных "горячих" частиц, на которой обозначено: 1 - исследуемая aрадиоактивная "горячая" частица; 2 - позиционночувствительный детектор на основе ИМС ПЗУ; 3 контактное устройство ИМС ПЗУ; 4 - схема выбора режимов работы ИМС ПЗУ; 5 - источник питания ИМС ПЗУ; 6 - генератор тактовых импульсов; 7 устройство считывания; 8 устройство отображения информации на экране телевизионного приемника; 9 - схема раздвоения сигнала; 10 - телевизионный приемник; 11 видеомагнитофон; 12 - генератор масштабной сетки; 13 - схема управления устройством; 14 вычислительная машина; 15 - генератор импульсов записи и стирания; 16 - программатор; 17 - X, Y, Zпозиционный микростолик; 18 - устройство для управления X, Y, Z-позиционным микростоликом; 19 - интерфейс. Согласно описанию приведенной формулы по пп.7, 8, 9, 10 изготавливается позиционночувствительный детектор на основе интегральной микросхемы ПЗУ и матрица, состоящей из запоминающих транзисторов фиг.1 (а), (б), фиг.2 и фиг.3. Количество запоминающих транзисторов в матрице, определяется требованиями растра изображения. Рассмотрим работу позиционночувствительного детектора в составе предлагаемого устройства для измерения "горячих" частиц. Позиционно-чувствительный детектор через контактное устройство ИМС - 3 (фиг.4) подключается к схеме выбора режимов работы ИМС ПЗУ - 4, к которой подключен источник питания - 5 и программатор - 16. Схема выбора режимов работы детектора - 5 и программатор - 16 через схему управления устройством - 13 подключены к компьютеру - 14. Данное устройство имеет два режима программирования, которые устанавливаются схемой управления устройством - 13. Первый режим автономный, когда программатор последовательно проводит запись информационного заряда в каждый запоминающий транзистор матрицы. Второй режим программирования осуществляется компьютером, который управляет работой программатора. Параметры импульса записи устанавливаются генератором импульсов записи и стирания - 15. Так как при записи информационного заряда в запоминающие транзисторы матрицы при программировании детектора в усилителях считывания - 5 (фиг.3) могут появляться импульсы при переходных процессах для предотвращения их попадания в схему сложения аналоговых сигналов - 8 и аналогово-цифровой преобразователь - 9, между импульсными усилителями 7 и усилителями считывания - 5 используется схема управления - 6. На время программирования с формирователя команды программирования - 13 подается импульс на вход схемы управления - 6, который блокирует их попадание в импульсные усилители - 7. После программирования детектора осуществляют счи тывание записанной информации. Существуют три режима считывания, которые задаются схемой управления устройства 13 и схемой выбора режимов работы ИМС ПЗУ - 4. Первый режим считывания осуществляется компьютером, при этом изображение в цифровом виде заводится в память компьютера с помощью аналогово-цифрового преобразователя - 9 (фиг.3). Второй режим считывания осуществляется схемой сложения аналоговых сигналов - 8 в аналоговом виде информация считывается устройством считывания - 7 и устройством отображения информации на экране телевизионного приемника - 8 (фиг.4) и передается на телевизионный приемник через схему раздвоения сигнала - 9 с записью изображения на видеомагнитофон - 11. Третий режим комбинированный, включающий первый и второй режимы считывания одновременно. Экспонирование в поле aизлучения осуществляется следующим образом. Исследуемая "горячая" частица излучающая aчастицы (или другой источник a-частиц) ложится на поверхность позиционного микростолика и с помощью устройства управления X, Y, Zпозиционным микростоликом - 18 вручную, или с помощью компьютера - 14, через интерфейс - 19 подводится к позиционно-чувстви тельному детектору - 2. Информация считывается с детектора или непрерывно или периодически с одинаковым шагом, через любое время, которое определяется активностью источника a-частиц, таким образом осуществляется запись динамики формирования изображения. Для определения геометрических размеров с помощью телевизионного приемника используется генератор масштабной сетки - 12. Просмотр и определение геометрических размеров "горячих" частиц с помощью компьютера осуществляется по программе. В этом случае просматривается, как вся матрица, так и отдельные ее части в любом масштабе. Для получения объемного изображения измерения осуществляют по третьей Z-координате с шагом, устанавливаемым с помощью устройства управления X, Y, Z-позиционным микростоликом 18, при этом после каждого шага полученное изображение заносится в память компьютера. После проведения полного комплекса измерений по программе на компьютере моделируется объемное изображение частиц.