Файл: Полупроводниковые детекторы в дозиметрии ионизирующих излучений..pdf

1,8 квант/мкр [165]. Нижний предел измеряемой мощности дозы ограничен естественным фоном и составляет около 3-10-9 рад/сек. Обычно верхний предел измеряемой мощности дозы составляет 1 —10 мрад/сек [161].

Экспериментально измеренная энергетическая зависимость чувствительности [161] приведена на рис. 4.10, кривая 5. Ее максимум сдвинут в сторону малых энергий, число импуль-

Рис. 4.11. ППД с усилением:

а — пропорциональны й; Т Д — туннельны й днод: L — индуктивность; UT' д — нап ряж ен ие смещ ения туннельного ди ода, б — пробойный,

U — источник нап ряж ен ия смещ ения, Ян — нагрузочны й резистор.

сов в секунду на единицу мощности дозы при £ ѵ =50 кэв всего в четыре раза больше, чем при Е ѵ —1,25 Мэв. Коррекция энер­ гетической зависимости с помощью фильтров позволяет умень­ шить ход с жесткостью приблизительно вдвое [166].

В работах [167—170] рассмотрены другие типы ППД с про­ порциональным усилением.

102

ГЛАВА 5

КОМБИНИРОВАННЫЕ ДЕТЕКТОРЫ

§ 5.1. ОСОБЕННОСТИ КОМБИНИРОВАННОГО ДЕТЕКТОРА

Основное преимущество комбинированного детектора по сравнению с ППД состоит в существенно большей чувствитель­ ности за счет увеличения чувствительного объема до несколь­ ких десятков кубических сантиметров при обеспечении стабиль­ ности в работе. Одновременно расширяются возможности изме­ нения хода с жесткостью и изготовления детектора с заданной конфигурацией.

При основном недостатке— меньшей дозовой чувствитель­ ности— комбинированный детектор обладает некоторыми пре­ имуществами по сравнению со сцинтмлляционными: а) мень­ шими габаритами и весом; б) нечувствительностью к магнитным полям; в) не требует источников питания высоким напряже­ нием; г) прост по конструкции; д) высокой надежностью.

§5.2. ОПТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ЭЛЕМЕНТА И СЦИНТИЛЛЯТОРА

Для выбора компонентов комбинированного детектора не­ обходимо знать кривые спектральной чувствительности фотоэле­ ментов. Эти кривые определяются многими факторами: типом полупроводника, видом и количеством введенных примесей, материалом контактов, глубиной залегания р—п-перехода, нару­ шениями стехиометрии в образцах и др. Значительные измене­ ния спектральной характеристики для элементов, в зависимости, например, от глубины залегания р—«-перехода, видны из рис. 5.1 (кривые 6, 7, 8) [171]. Влияние напряжения смещения на спектральные характеристики поверхностно-барьерных детек­ торов представлено на рис. 5.1 (кривые 9, 10) [172]. На рис. 5.1 приведены типичные кривые для полупроводниковых элементов, наиболее часто используемых в сочетании со сцинтилляторами [173, 174, 175]. Все кривые характеризуются одним достаточно широким максимумом, имеющим обычно более крутой спад в длинноволновой части спектра. Характерно, что максимумы кри­ вых лежат в области длин волн ^>5000 А, что затрудняет их сочетание со многими сцинтилляторами.

104

Из других типов фотоэлементов заслуживают внимания си­ стемы с р—/г-переходом, включающим область с переменной шириной запрещенной зоны, в частности фотоэлемент на основе GaAs—GaP [176J. Фотоэлемент представляет собой комбина­ цию двух полупроводников (GaAs и GaP) с разной шириной запрещенной зоны, разделенных узкой областью, в которой ши-

р—/2-перехода положение максимума спектральной чувстви­ тельности варьирует в широком диапазоне А,=4500—8500 Â. Отсюда следует возможность направленного изменения спек­ тральной чувствительности, что принципиально позволяет соче­ тать такие элементы с различными сцинтилляторами.

Как любую систему, состоящую из источника и приемника светового излучения [159], комбинированный детектор можно

Амане

I Ы ІасГ)х^

?.мнн

105

Ямакс определяется соотношением hc/K^Eg, поскольку генера­ ция носителей возможна только в случае, когда энергия фотона

Ямакс= 5300 А, а также CsI(Sm) с Ямакс= 7000-4-9000 А и У20з(Еи) с Ямакс= 6100 А [178].

Таким образом, выбор сцинтилляторов весьма ограничен. Наиболее подходящим для сочетаний с фотоэлементами на ос­ нове кремния и арсенида галлия является монокристалл CsI(Tl), а для сочетаний на основе сернистого кадмия и селена, кроме

Сцинтиллятор CsI(Tl) почти негигроскопичен, и его можно меха­ нически обрабатывать на открытом воздухе, он устойчив к меха­ ническим воздействиям (пластичен), обладает значительной плотностью, т. е. высокой эффективностью регистрации у-излу- чения, имеет высокий световой выход, легко выращивается в виде больших монокристаллов [179].

Недостатком пластического сцинтиллятора по сравнению с монокристаллом СэЦТЧ) является меньшая эффективность регистрации излучения, а преимуществом — простота механи­ ческой обработки. Из рассмотренных полупроводниковых и сцинтилляционных элементов в практике дозиметрических из­ мерений наибольшее применение получили детекторы на основе сочетания Si- и GaAs-фотопреобразователей со сцинтиллятором CsI(Tl). Их характеристики рассмотрены в § 5.4.

§ 5.3. СВЕТОПЕРЕДАЧА В КОМБИНИРОВАННОМ ДЕТЕКТОРЕ

Выбор элементов конструкции

Если в сцинтилляторе поглотилась энергия излучения Еп,

вом сцинтиллятора. Полагая среднюю энергию фотона рав­ ной Еф, получаем число образованных в сцинтилляторе фотонов

106

В фотоэлемент попадает только часть фотонов, N$, равная, по определению, УѴф£, где g— эффективность собирания света сцинтиллятора фотоэлементом. Число образованных при этом в фотоэлементе пар электрон—дырка равно

Для сцинтиллятора площадью 5 и толщиной dcц (объем которого ѴСц=5-гісц) с учетом соотношения (1.43) и принимая во внимание, что при дозиметрических измерениях используется обычно режим короткого замыкания ФЭП, получаем дозовую чувствительность комбинированного детектора:

тсв — коэффициент светопередачи световода, в этом случае g —эффективность собирания света сцинтиллятора на приемной части световода.

Из-за ограниченного выбора сцинтилляторов и фотоэлемен­ тов для комбинированного детектора величина ряда множите­ лей является, по существу, заданной (г), рсц, V, ß). Значения величин Ѵсц, dczx определяются, как правило, решаемыми задачами (например, размеры детектора определяются требо­ ваниями клинической дозиметрии). В широких пределах при разработке комбинированного детектора можно влиять лишь на величину эффективности собирания света g, зависящую от геометрии детектора, материалов отражателя, качества оптиче­ ского контакта.

Существует два метода повышения эффективности регистра­ ции света сцинтиллятора. В первом создаются условия полного внутреннего отражения фотонов за счет выбора формы и поли­ ровки сцинтиллятора. Такое отражение света легко осуществить у пластмассовых сцинтилляторов из-за простоты их механиче­ ской обработки. Во втором — поверхность делается шерохова­ той и покрывается диффузно отражающим материалом. Так упаковывается монокристалл CsI(Tl), используемый в боль­ шинстве комбинированных детекторов.

Процесс светопередачи в системе сцинтиллятор—фотоэлемент при диффузном отражении рассмотрен Феном [6], устано-

107

вившим, что эффективность £ собирания света фотопреобразо­ вателем равна

где ап— вероятность поглощения фотона преобразователем, если он попадает на площадь 5Ф— площадь окна сцинтиллятора, равная площади фотопреобразователя; 50 — полная площадь

X —■эксперимент.

поверхности сцинтиллятора; т|от — коэффициент диффузного от­ ражения материала, в который упакован сцинтиллятор.

Формула (5.5) выведена в предположении, что после каж­ дого внутреннего диффузного отражения вероятность попадания фотона на площадь S<i> равна 5ф/5 0 и поглощением фотонов в сцинтилляторе можно пренебречь. Это предположение осуществ­ ляется для сцинтилляторов достаточно малых размеров и обыч­ но на практике выполняется.

На рис. 5.2 приведены кривые зависимости относительных

равен диаметру фотоэлемента) от отношения диаметра сцинтил­ лятора 0 Сц к диаметру фотоэлемента Дф [181].. Кривые 1^-5 рассчитаны по формуле (5.4) с учетом значений | по формуле (5.5) при величине ап=0,4. Данное значение ап взято из работы [180] и соответствует случаю, когда в качестве материала

108