Файл: Полупроводниковые детекторы в дозиметрии ионизирующих излучений..pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 21.10.2024
Просмотров: 82
Скачиваний: 0
оптического контакта используется силиконовое масло. Значе ние 5ф при расчете принималось равным 5ф = 5 0/2. Эксперимен тальные точки показаны на рис. 5.2 крестиками (измерения с отражателем).
Расхождение между расчетными и опытными данными не превышает 50—100%. Это можно считать удовлетворительным, учитывая приближенность самой формулы Фена и погрешность в значениях исходных данных (т|, ап) для расчета.
Как видно из рис. 5.2, в условиях полного отражения (■Пот=1) существует параболическая зависимость между током фотоэлемента и диаметром сцинтиллятора (т. е, линейная зави симость между током и площадью сцинтиллятора, обращенной к фотоэлементу). При г|от=?М зависимость /ф= [ (S) близка к линейной лишь до тех пор, пока диаметр сцинтиллятора не превышает диаметр фотопреобразователя. При дальнейшем увеличении размеров сцинтиллятора существенное отклонение от линейности обусловлено уменьшением эффективности соби рания света от периферийных участков сцинтиллятора. Расчет показывает, что при использовании материалов с высоким коэффициентом отражения (цот^ОД) допустимо некоторое увеличение диаметра сцинтиллятора по отношению к диаметру. фотопреобразователя (до 1,3—1,5 раза).
Уменьшение Эффективности собирания света при удалении облучаемого участка сцинтиллятора от края фотоэлемента значительно замедляется с ростом отражательной способности покрытия.
Из анализа формулы (5.5) следует, что при значении коэф фициента диффузного отражения Цот, равном 1, имеет место полное светособирание (£=1), независимо от величины
On (^l)/So) ■
Для улучшения качества оптического контакта необходимо, чтобы между сцинтиллятором и фотоэлементом находился ма териал, коэффициент преломления пм которого был бы проме жуточным между коэффициентом преломления вещества сцин тиллятора «сц и вещества фотоэлемента Пф. Оптимальную величину пм определяют из соотношения [182]
«м = V ЯфЛсд • |
(5 -6 ) |
Коэффициент преломления фотоэлемента на основе кремния или арсенида галлия с ' травленой чувствительной поверх ностью составляет 3,5—4 [171, 183].
В выпускаемых фотоэлементах принимают специальные ме ры для уменьшения световых потерь на отражение нанесением одного или нескольких «просветляющих» слоев на чувствитель ную поверхность фотоэлемента. Коэффициент преломления такого слоя определяется также в соответствии с (5.6), где псц заменяют 1, и составляет около 1,8—2,0. Коэффициент прелом
109
ления сцинтиллятора Csl (TI) /гсц=1,79, следовательно, коэф фициент преломления материала оптического контакта комби нированного детектора по формуле (5.6) должен составлять 1,8—1,9. К сожалению, материалы с таким высоким коэффи циентом преломления обладают обычно малой прозрачностью, химической нестабильностью н прочими недостатками (см., например, работу [184]), в частности, вызывают ухудшение параметров фотоэлемента [180, 181]. Поэтому в качестве про межуточных материалов используют вещества с коэффициентом преломления 1,4—1,5, не изменяющие характеристик фотоэле мента. Это накладывает дополнительные ограничения на выбор материала оптического контакта. Так, иммерсионная жидкость типа дау-корнинг, оптический лак хисол 20-20 вызывают разру шение чувствительной поверхности поверхностно-барьерных кремниевых фотодиодов. Силиконовое масло, часто применяе мое как материал оптического контакта, также может привести к увеличению тока утечки при обратном смещении [180] у фотоэлементов и фотодиодов с близколежащими к поверхности р — /г-переходами. Поэтому в случаях, когда к надежности конструкции детекторов и стабильности в работе предъявля ются повышенные требования, между сцинтиллятором и фото элементом оставляют тонкий воздушный зазор. Однако при этом величина g существенно уменьшается; степень уменьшения зависит от геометрических параметров детектора.
Лучшим материалом оптического контакта, нейтральным к поверхности фотоэлементов, считаются кремнийорганические компаунды [180]. Их можно также использовать как эффектив ный отражающий и конструкционный материал. Из отечествен
ных типов |
рекомендуется |
применять |
в качестве |
защитных, |
отражающих и оптических |
материалов |
кремнийорганические |
||
компаунды |
КЛ-16, КЛТ-30, |
КЛ-4 соответственно |
на основе |
|
синтетического каучука марки СКТН-4 с отвердевателями типа К-1, К-2 [130].
Компаунд КЛТ-30 (компаунд КЛ-4 с добавкой окиси тита на) является хорошим отражателем. Коэффициент отражения
увеличивается с ростом толщины dK компаунда |
и при |
с?к^0 ,5 мм достигает постоянного значения. Характер |
отраже |
ния компаунда: диффузный, зеркальный, промежуточный опре деляется в основном профилем формирующей поверхности. В частности, поверхность компаунда, образующаяся при залив
ке на неполированный сцинтиллятор Csl (Т1), |
имеет |
практи |
|
чески диффузное отражение |
с цОт = 0,9—0,95 и Цот не |
изменя |
|
ется после облучения рентгеновским излучением |
(£эф= Ю кэв) |
||
дозами до 3- 10е р. |
перед обычными |
отражающими |
|
Преимущество компаунда |
|||
материалами (MgO, фторопласт, специальные белые краски) —
упрощение |
технологии изготовления |
комбинированных детек |
торов при |
одновременном обеспечении |
герметизации изделий. |
ПО |
|
|
Применение кремнийорганических компаундов не только упро щает конструкцию, но и повышает стабильность работы детек торов [181].
§ 5.4. ДОЗИМЕТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОМБИНИРОВАННЫХ ДЕТЕКТОРОВ C sI(T I)+ Si, CsI(TI)+GaA s
Зависимость фототока от мощности дозы излучения
Фототок комбинированного детектора линейно зависит от мощности дозы излучения в том случае, если световой выход сцинтиллятора линеен с мощностью дозы и линейно преобразо вание сцинтилляционного свечения в электрический сигнал. Условия последнего рассмотрены в гл. 4.
Минимальная измеряемая величина мощности дозы Р ком бинированным детектором определяется флуктуациями темно вого тока детектора. Так как этот ток весьма мал (см. § 2), то практически Рмим ограничивается чувствительностью существую щих измерителей токов с низким входным сопротивлением (для сохранения условий линейности /ф= /(Р )).
Верхний предел измеряемых мощностей доз ограничивается эффектами «насыщения» сцинтиллятора, т. е. нарушением ли нейной зависимости между мощностью дозы и интенсивностью люминесценции, влиянием радиационных эффектов и допусти мой мощностью рассеивания фотоэлементов. Этот предел тем выше, чем меньше эффективность и объем используемого сцин тиллятора.
Оценим чувствительность комбинированных детекторов. Для удобства сравнения с экспериментом расчет проведен для де тектора, состоящего из монокристалла Csl (Т1) размером 10X10X4 мм и арсенидгаллиевого фотоэлемента, на который
воздействует |
рентгеновское |
излучение |
с |
эффектной энергией |
|||||||
100 кэв. |
Материал |
оптического контакта — силиконовое масло, |
|||||||||
специальный |
отражатель |
отсутствует. |
При этом УСц = 0,4 |
сж3, |
|||||||
линейный |
коэффициент поглощения у-излучения с £ѵ =100 |
кэв |
|||||||||
цг —8,7 см-1 |
[185] |
и энергия, поглощаемая |
сцинтиллятором при |
||||||||
мощности |
экспозиционной |
дозы |
1 р/мин |
(87,7 эрг/мин погло |
|||||||
щается |
в |
1 а воздуха), |
раина |
£ п = 60,3 |
эрг/сек=60,3- ІО-7 |
вт. |
|||||
Для |
монокристаллов |
Csl (Т1) |
примем г| = 6%. У |
рассматри |
|||||||
ваемого |
комбинированного |
детектора |
5ф=1 сж2; |
50 = 3,6 |
см2, |
||||||
ап=0,38 |
|
[6] |
и, |
следовательно, |
ап(5ф/50) =0,107, |
учитывая, |
|||||
что отражение света в детекторе плохое, примем Лот= 0,5. Для этого случая |, определенное по формуле (5.6), составляет около 20%, т. е. фотоэлемент получает 0,4% энергии излучения, поглощенной в сцинтилляторе, — 0,724-ІО-4 мет. Чувствитель ность арсенидгаллиевого элемента в максимуме спектральной чувствительности можно считать равной 400 мка/мвт, а глубину расположения перехода rf=l мкм.
Предполагая, что все сцинтилляционные фотоны имеют энер гию, соответствующую максимуму спектра излучения Csl (Т1) (к = 5600 Â), в соответствии с кривой 6 на рис. 5.1 получаем чувствительность фотоэлемента 270 мка/мв. Таким образом,.
Іф/Ряі 1,9510_s а/(рIмин).
Т а б л и ц а 5.1 Экспериментальные данные о чувствительности комбинирова иных детекторов
|
|
|
Ч у в с т в и т е л ь н о с т ь , |
|
Т и п п о л у п р о в о д н и к о в о го |
Р а зм е р |
|
а - м и н Ц р - с м 2) |
|
эл е м е н та ; р а зм е р ы , мм |
с ц и н т и л л я т о р а |
б ез с ц и н т и л |
СО с ц н н т н л - |
|
|
C s l ( Т І ) , мм |
|
||
|
|
л я т о р а /ф |
л н т о р о м /фсЦ |
Й|)/Й|ГСЦ |
Кремниевый ФКД-3; 20x10x4 |
1,1.10-» |
ю — 7 |
90 |
|
20X10X0,8 |
ЮХЮХ4 |
0,9-10-в |
4,8-10-8 |
53 |
Арсенид галлиевый |
||||
ФГМ-2: 10хЮ хО,8 |
025 Х4 |
0 ,7 -10-ю |
4,5-10-8 |
640 |
Селеновый, ГОИ; |
||||
025X1 |
|
|
|
|
В табл. 5.1 приведены сравнительные экспериментальные данные о чувствительности комбинированных детекторов к рентгеновскому излучению с £ Эф=100 кэв по току короткого замыкания. Чувствительность детекторов рассчитана на 1 см2 рабочей поверхности фотоэлемента. Материал оптического кон такта— силиконовое масло, специальный отражатель отсут ствует.
• Расхождение между расчетной и экспериментальной величи нами чувствительности невелико (в пределах одного порядка величины) и может быть отнесено за счет неопределенности некоторых взятых для расчета величин (цот, £ф и др.).
Ход с жесткостью
Ход с жесткостью сцинтиллятора Csl (Т1) изучен [186], ход с жесткостью кремниевых и арсенидгаллиевых фотоэлементов рассмотрен в гл. 4. Все три энергетические зависимости (ком бинированного детектора, сцинтиллятора и фотоэлемента) описываются одним уравнением (1.51). Поэтому для анализа кривой энергетической чувствительности комбинированного детектора необходимо установить вклад, вносимый сцинтилля тором и фотоэлементом.
При этом имеется два крайних случая: а) сцинтиллятор, достаточно толстый, т. е. поглощает все падающее на него из лучение и б) сцинтиллятор достаточно тонкий, т. е. поглощает незначительную часть излучения.
В первом |
случае ход с жесткостью определяется ходом с |
жесткостью |
сцинтилляторов, во втором — фотоэлемента. На |
112