Детектор іонізуючого випромінювання

Реферат: Детектор іонізуючого випромінювання містить чутливий елемент, виготовлений з кристала шаруватої структури у вигляді паралелепіпеда, опромінювана поверхня якого є площиною сколу, омічні контакти, нанесені на протилежні поверхні сколу чутливого елемента тангенціально до кристалографічної осі С6, і реєструючий прилад. Як чутливий елемент використано кристал йодистого свинцю. UA 90345 U (54) ДЕТЕКТОР ІОНІЗУЮЧОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ UA 90345 U UA 90345 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до галузі приладобудування і може використовуватись для реєстрації інтенсивності рентгенівського випромінювання в лабораторіях, медичних закладах, виробничих умовах. Відомий детектор іонізуючого випромінювання [АС СРСР № 1387680. Детектор ионизирующего излучения, 1987], який складається з чутливого елемента, на бокові грані якого нанесені контакти, та реєструючого приладу. Чутливий елемент виготовляють із шаруватого кристала CdI2 у вигляді паралелепіпеда так, що опромінювана поверхня утворює з кристалографічною віссю шостого порядку С6, спрямованою по нормалі до площин спайності кристала, середні кути φ від 5º до 85º. Контакти в цьому випадку нанесені на бокові грані паралелепіпеда, перпендикулярні до опромінюваної поверхні, і утворюють з віссю С6 кристала кут 90º-φ. Робоча поверхня чутливого елемента перпендикулярна до потоку іонізуючого випромінювання. Недоліком детектора є складний і тривалий процес виготовлення чутливого елемента, який включає в себе: орієнтацію заготовки з кристала для чутливого елемента на кристалотримачі, змонтованому на універсальному столику Федорова; різання кристала на механічній пилі з вольфрамовою ниткою, що змочується абразивною суспензією; додаткове шліфування і полірування зразка. У результаті різання можлива деформація і розшарування кристала та послаблення його механічної міцності й через це погіршення параметрів чутливого елемента. Використання суспензії, подальша обробка кристала призводять у низці випадків також до порушення його кристалічної структури. У зв'язку з такою технологією виготовлення чутливий 3 елемент отримують досить об'ємним (300-500 мм ). Найближчим аналогом за технічною суттю є детектор іонізуючого випромінювання [Деклараційний патент України на винахід № 39800 А, Детектор іонізуючого випромінювання, 2001], що містить чутливий елемент з нанесеними контактами та реєструючий прилад. 3 Чутливим елементом служить кристал CdI2, який має густину 5,6 г/см і ефективний атомний номер Zeф = 52. Найменша енергетична віддаль між валентною зоною і зоною провідності CdI 2 для непрямих переходів становить ~3,48 еВ. Прямі переходи між зонами спостерігаються на ділянці 3,88 еВ. При кімнатній температурі йодистий кадмій характеризується р-типом провідності. Враховуючи анізотропію провідності кристала CdI 2, чутливий елемент виготовляють шляхом сколювання відповідної товщини вздовж шарів спайності у вигляді паралелепіпеда так, що опромінювана поверхня є площиною сколу, і омічні контакти наносять на протилежні поверхні сколу чутливого елемента тангенціально до кристалографічної осі С6. У цьому випадку суттєво скорочений процес виготовлення чутливого елемента, набагато менша імовірність розшарування кристалічної структури. Робочий об'єм чутливого елемента значно зменшується приблизно в 10 разів. Генерована е.р.с. такого чутливого елемента об'ємом ~50 3 мм при потужності дози рентгенівського випромінювання ~700 Р/хв сягає 100-110 мВ. До недоліків детектора іонізуючого випромінювання можна віднести те, що його чутливий елемент має відносно низьку ефективність і незадовільну чутливість при реєстрації рентгенівського випромінювання. В основу корисної моделі поставлено задачу удосконалити детектор іонізуючого випромінювання шляхом застосування для чутливого елемента кристалічного матеріалу з підвищеною ефективністю реєстрації і чутливістю до дії рентгенівського випромінювання, що дасть змогу покращити параметри детектора. Поставлена задача вирішується тим, що у детекторі іонізуючого випромінювання, що містить чутливий елемент, виготовлений з кристала шаруватої структури у вигляді паралелепіпеда, опромінювана поверхня якого є площиною сколу, омічні контакти, нанесені на протилежні поверхні сколу чутливого елемента тангенціально до кристалографічної осі С6, реєструючий прилад, згідно з корисною моделлю, як чутливий елемент використано кристал йодистого свинцю. Технічний результат досягається тим, що кристал РbІ2 характеризується більшим значенням 3 густини (ρ = 6,16 г/см ) і ефективного атомного номера (Zеф = 69), меншою ніж CdI2 шириною забороненої зони (Eg ≈ 2,55 eB). Сполука РbІ2 формується у гексагональну гратку шаруватого типу (структурний тип С6). При кімнатній температурі йодистий свинець характеризується ртипом провідності. Питома провідність монокристалів РbІ2 при прикладанні електричного поля паралельно базисній площині кристала становить відповідно ll C 6   2,5  10 9 Ом см , а при взаємно перпендикулярному розміщенні вектора електричного поля і базисної площини -1 -1 кристала -  C 6   50  10 12 Ом см . Фіг. 1. Принципова схема детектора, де 1 - чутливий елемент, 2 - омічні контакти, 3 реєструючий прилад. -1 -1 1 UA 90345 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Фіг. 2. Орієнтація чутливого елемента відносно кристалографічної осі С6 і потоку рентгенівського випромінювання, де 1 - площини спайності кристала. Фіг. 3. Залежність величини е.р.с. чутливого елемента на основі кристала РbІ 2 від потужності дози рентгенівського випромінювання при кімнатній температурі. Для одержання запропонованого чутливого елемента вирощують кристал РbІ 2 методом Бріджмена-Стокбаргера із солі кваліфікації "чда", додатково очищеної способом напрямленої кристалізації. Кристал отримують за таким прикладом. У кварцову ампулу з конічним дном -2 -3 засипають шихту масою ~80 г і висушують її в умовах вакууму (0,5·10 -8·10 мм рт. ст.) при нагріванні до температури ~140 °C упродовж 3 год. Потім ампулу запаюють і поміщають у піч росту, де проводять плавлення шихти і вирощування монокристала шляхом пропускання ампули з розплавом солі РbІ2 зі швидкістю ~2 мм/год. через зону кристалізації з температурним градієнтом 40-50 град./см. Після закінчення процесу росту ампулу з монокристалом охолоджують до кімнатної температури зі швидкістю 20-30 град./год. Зразок для чутливого 3 елемента у вигляді паралелепіпеда розміром ~10×10×1 мм вирізають із кристалічного злитка і сколюють вздовж шарів тонким лезом бритви. Анізотропія хімічного зв'язку усередині і між шарами в кристалах на основі РbІ2 дозволяє шляхом сколу отримувати дзеркальну атомарногладку поверхню з низькою густиною поверхневих дефектних станів, що призводить до однорідного поглинання іонізуючого випромінювання. Детектор, що заявляється, складається з чутливого елемента 1 на основі кристала РbІ2 у вигляді паралелепіпеда з нанесеними омічними контактами 2 і реєструючого приладу 3 (фіг. 1). Омічні контакти у вигляді смужок, наприклад, із срібної пасти К-13Б, наносять тангенціально до напрямку кристалографічної осі С6 на протилежні поверхні сколу на відстані ≈1 мм від бічних граней паралелепіпеда. Чутливий елемент розміщують так, що поверхня сколу є опромінюваною поверхнею (фіг. 2). Роботу детектора можна простежити на поданому прикладі. При опромінюванні чутливого елемента 1 іонізуючим рентгенівським випромінюванням на контактах 2 виникає е.р.с, яку вимірюють реєструючим приладом 3 (типу ВК2-16, В7-30), і за величиною е.р.с. оцінюють інтенсивність іонізуючого випромінювання. Опромінювання здійснюють за допомогою рентгенівського апарата типу УРС-55А, а зміну інтенсивності рентгенівського випромінювання за допомогою стандартного набору алюмінієвих послаблювачів. Потужність дози рентгенівського випромінювання вимірюють вимірювачем дози і потужності дози типу ИДМД-1. Вимірювана е.р.с, яка виникає при взаємодії рентгенівського випромінювання з анізотропним шаруватим кристалом РbІ2, є сумарною величиною поперечної та поздовжньої е.р.с. Дембера. 3 Генерована е.р.с. для чутливих елементів об'ємом ~100 мм при потужності дози рентгенівського випромінювання ~700 Р/хв сягає 2,0-2,2 В. Ця е.р.с. майже лінійно залежить від потужності дози рентгенівського випромінювання (фіг. 3). Отримані результати дослідження фотовольтаїчних характеристик чутливого елемента на основі кристала йодистого свинцю узгоджуються з результатами дослідження електрофізичних властивостей кристалів РbІ2, поданими у роботах [Новосад И.С. Термо- и фотостимулированная деполяризация в кристаллах РbI 2 / И.С. Новосад, С.С. Новосад, О.М. Бордун, И.П. Пашук // Неорганические материалы. - 2006. - Т. 42, № 3. - С. 268-272. Матвиишин И.М. Поперечный фотоэффект в кристаллах РbI2 при рентгеновском и лазерном возбуждениях / И.М. Матвиишин, С.С. Новосад, Л.И. Ярицкая, И.С. Новосад, А.В. Футей // Неорганические материалы. - 2006. - Т. 42, № 9. - С. 1134-1139. Новосад И.С. Термо- и фотостимулированная деполяризация в кристаллах РbI2 / И.С. Новосад, С.С. Новосад, О.М. Бордун, И.П. Пашук // Неорганические материалы. - 2006. - Т. 42, № 3. - С. 268-272.]. Перевагою детектора іонізуючого випромінювання, що заявляється, у порівнянні з найближчим аналогом, є те, що його чутливий елемент на основі йодистого свинцю характеризується підвищеною ефективністю реєстрації і чутливістю до дії рентгенівського випромінювання. Чутливі елементи, виготовлені із кристалів РbІ2, стійкі до великих доз іонізуючого випромінювання. Вони можуть використовуватись для реєстрації фотонного випромінювання широкого енергетичного спектра. Оскільки чутливий елемент працює на ефекті Дембера, то в складі детектора іонізуючого випромінювання не потрібне зовнішнє джерело напруги. 55 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 60 Детектор іонізуючого випромінювання, що містить чутливий елемент, виготовлений з кристала шаруватої структури у вигляді паралелепіпеда, опромінювана поверхня якого є площиною сколу, омічні контакти, нанесені на протилежні поверхні сколу чутливого елемента 2 UA 90345 U тангенціально до кристалографічної осі С6, і реєструючий прилад, який відрізняється тим, що як чутливий елемент використаний кристал йодистого свинцю. 3 UA 90345 U Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4