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, і реєструючий прилад. Як чутливий елемент використаний кристал йодистого кадмію з домішкою AgI. UA 90346 U (54) ДЕТЕКТОР ІОНІЗУЮЧОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ UA 90346 U UA 90346 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, виробничих умовах. Відомий детектор іонізуючого випромінювання (АС СРСР № 1387680. Детектор ионизирующего излучения, 1987), який складається з чутливого елемента, на бокові грані котрого нанесені контакти, та реєструючого приладу. Чутливий елемент виготовляють із шаруватого кристала СdI2 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 5 до 85. Контакти в цьому випадку нанесені на бокові грані паралелепіпеда, перпендикулярні до опромінюваної поверхні, і утворюють з віссю С6 кристала кут 90 -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 до 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 3 чутливий елемент утримують досить об'ємним (300-500 мм ). Найближчим аналогом за технічною суттю є детектор іонізуючого випромінювання (Деклараційний патент України на винахід № 39800, 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 Zеф=52. Найменша енергетична віддаль між валентною зоною і зоною провідності CdI2 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 CdI2, 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 чутливість реєстрації рентгенівського випромінювання і характеризується нелінійною залежністю величини е.р.с. від потужності дози рентгенівського випромінювання. В основу корисної моделі поставлено задачу удосконалити детектор іонізуючого випромінювання шляхом застосування для чутливого елемента кристалічного матеріалу з підвищеною чутливістю та лінійною залежністю величини е.р.с. від потужності дози 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 паралелепіпеда тангенціально до кристалографічної осі С6, реєструючий прилад, як чутливий елемент використано кристал йодистого кадмію з домішкою AgI при такому співвідношенні компонентів у вихідній шихті, мол. %: AgI 0,15-2,0 CdI2 решта. Технічний результат досягається тим, що при опроміненні чутливого елемента вимірювана е.р.с, яка виникає при взаємодії іонізуючого рентгенівського випромінювання з анізотропним шаруватим кристалом CdI2:AgI, є сумарною величиною поперечної і поздовжньої е.р.с. Дембера та фотогальванічних ефектів, пов'язаних з асиметрією процесів взаємодії носіїв заряду з дефектами у різних кристалографічних напрямках кристала, характерних для чутливого елемента прототипу, і е.р.с. фотогальванічного ефекту, зумовленого електронними збудженнями домішки Ag. Виникнення у кристалах CdI2:AgI домішкових станів і збільшення концентрації неосновних носіїв заряду досягаються тим, що легування CdI2 здійснюється домішкою AgI з меншою, ніж матриці, шириною забороненої зони (Eg~3,02 eB). 1 UA 90346 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Введення в шихту домішки AgI в кількості менше 0,15 мол. % призводить до зменшення в CdI2:AgI кількості центрів, пов'язаних з Ag, у результаті чого чутливість матеріалу послаблюється, оскільки виникнення е.р.с. фотогальванічного ефекту, пов'язаного з + електронними збудженнями іонів Ag , відбувається з меншою ефективністю. Збільшення в шихті домішки AgI більше 2,0 мол. % призводить до погіршення структури кристала, у результаті чого понижується його чутливість. Фіг. 1. Принципова схема детектора, де 1 - чутливий елемент, 2 - омічні контакти, 3 реєструючий прилад. 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. чутливих елементів на основі кристалів CdI2 (1) і CdI2:AgI (2) від потужності дози рентгенівського випромінювання при кімнатній температурі. Для одержання монокристалічного матеріалу для запропонованого чутливого елемента готують шихту CdI2 з домішкою AgI (0,15-2,0 мол. %) із загальною масою 60-70 г. У кварцову -2 -3 ампулу з конічним дном засипають шихту і висушують її в умовах вакууму (0,5•10 -8•10 мм рт. ст.) при нагріванні до температури 150-180 С. Потім ампулу запаюють і поміщують у верхню секцію печі росту, де відбувається плавлення шихти і витримування розплаву упродовж 20-30 хв. при температурі 400-420 С. Вирощування кристалів здійснюють методом БріджменаСтокбаргера шляхом пропускання ампул через зону кристалізації з температурним градієнтом 30-40 град./см. Після закінчення процесу росту ампули з кристалами охолоджують до кімнатної температури зі швидкістю 30-40 град./год. Зразки для чутливого елемента вирізають з 3 кристалічних злитків у вигляді паралелепіпеда розміром ~10 × 10 × 1 мм . Анізотропія хімічного зв'язку в кристалах на основі CdI2 дає змогу шляхом сколювання вздовж шарів тонким лезом бритви отримувати атомарно-гладку 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 CdI2:AgI 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 рентгенівськими квантами 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 визначають вимірювачем дози і потужності дози типу ИДМД-1. Вимірювана е.р.с, яка виникає при взаємодії рентгенівського випромінювання з анізотропним шаруватим кристалом, є сумарною величиною поперечної та поздовжньої е.р.с. Дембера та фотогальванічних ефектів, пов'язаних з асиметрією процесів взаємодії носіїв заряду з дефектами в різних кристалографічних напрямках кристала. Ця е.р.с. для чутливого елемента на основі CdI2 є не зовсім лінійною залежністю від потужності дози рентгенівського випромінювання (фіг. 3, крива 1). Вимірювана е.р.с, що виникає при взаємодії рентгенівського випромінювання з кристалом CdI2:AgI, є сумарною величиною поперечної і поздовжньої е.р.с, характерних для матриці, та е.р.с. фотогальванічного ефекту, пов'язаного з електронними збудженнями домішки Ag. Генерована 3 е.р.с. для чутливого елемента на основі CdI2:AgI, об'ємом ~100 мм лінійно залежить від потужності дози рентгенівського випромінювання і при ~700 Р/хв. сягає -150 мВ (фіг. 3, крива 2). Отримані результати дослідження фотовольтаїчних характеристик запропонованого чутливого елемента узгоджуються з результатами дослідження електрофізичних властивостей кристалів на основі йодистого кадмію, поданими у роботах [Kostyuk В. М. Thermo-and X-rays stimulated electrical processes in CdI2 crystals / B.M. Kostyuk, A.B. Lyskovich, I.M. Matviishyn, S.S. Novosad // Functional Materials. - 2000. - Vol. 7, N 2. - P. 220-223. Лыскович А.Б. Поперечные фотоэффекты в слоистых кристаллах CdI2 при оптическом и рентгеновском возбуждениях / А.Б. Лыскович, В.Д. Бондарь, И.М. Матвиишин, С.Б. Харамбура // Неорганические материалы. 1990. - Т. 26. - С. 660-661]. Перевагою детектора іонізуючого випромінювання, що заявляється, у порівнянні з найближчим ангалогом, є те, що його чутливий елемент має більшу чутливість та лінійну залежність е.р.с. від потужності дози рентгенівського випромінювання. Чутливі елементи на основі радіаційно стійких кристалів йодистого кадмію характеризуються високою стабільністю і 2 UA 90346 U надійністю. Вони можуть використовуватись для реєстрації фотонного випромінювання широкого енергетичного спектра. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 10 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 тангенціально до кристалографічної осі С6, і реєструючий прилад, який відрізняється тим, що як чутливий елемент використаний кристал йодистого кадмію з домішкою AgI при такому співвідношенні компонентів у вихідній шихті, мол. %: AgI 0,15-2,0 Cdl2 решта. 3 UA 90346 U Комп’ютерна верстка М. Мацело 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