Введение к работе
Актуальность работы
Информативность любого субатомного опыта напрямую определяется возможностями тех детекторов, которые в нём используются. История ядерной физики и физики частиц - это, по существу, история создания всё новых методов регистрации частиц и совершенствования старых. В настоящее время в арсенале физиков имеется большое число отдельных детекторов и детекторных систем.
Функции их многообразны - регистрация «события», определение энергетических и координатных характеристик частиц, избирательная регистрация определенной частицы на фоне других частиц.
Основой любой системы регистрации ионизирующего излучения являются детекторы, снабженные сервисной электроникой (схемы первичной обработки сигнала и средства ЭВМ), предназначенной для визуализации изображения. В качестве рабочего тела таких детекторов используются газы, жидкости, либо твердые тела.
Основным достоинством газовых детекторов, принцип действия которых основан на ионизации рабочего газа и пропорциональном преобразовании энергии кванта (частицы) в ток упомянутых ионов, является высокая стойкость к радиационным нагрузкам. К недостаткам относится неудовлетворительное пространственное разрешение, что препятствует их использованию в системах позиционирования пучка, либо распознавания плоских изображений. Кроме того, детекторы на основе газовых камер имеют длинные треки из ионизированных частиц, низкую поглощательную способность и большие геометрические размеры. В лучших пропорциональных счетчиках достигаются величины энергетического разрешения порядка 3% при энергии заряженных частиц ~1 МэВ. Плоские дрейфовые (проволочный газонаполненный ионизационный детектор) камеры больших размеров используются в экспериментах на ускорителях высоких энергий. Так в ЦЕРНе разработана дрейфовая камера размером 2x4x5 м3.
Ионизационные детекторы с жидким рабочим телом (с жидким аргоном и ксеноном) находят широкое применение. Создана жидкостная ионизационная камера с очень высоким пространственным разрешением (20 мкм). Лучшее энергетическое разрешение (34 кэВ) получено в LAr ионизационной камере для энергии квантов 976 кэВ, так что относительная величина энергетического разрешения составляет ~ 3,5%.
Другая область применения жидких ионизационных детекторов - это калориметры для измерения энергии релятивистских частиц.
Твердотельные, в частности полупроводниковые, детекторы имеют неоспоримые преимущества перед выше нами перечисленными: 1) высокое энергетическое разрешение (~ на 2 порядка выше прототипов) и быстродействие; 2) более высокая плотность регистрирующего вещества, что особенно существенно при регистрации фотонов и заряженных частиц высокой энергии. Такие детекторы могут быть как дискретными, так и многоэлементными (микрополосковые детекторы, либо матрицы). В настоящее время с их использованием связывают ряд крайне важных областей.
Медицинские применения - цифровые рентгеновские маммографы и томографы с дозо вой нагрузкой на пациента, более чем в 100 раз меньшей по сравнению с существующими аналогами. В частности, в сотрудничестве с производителем медицинского оборудования Vatech, компания Samsung Electronics в 2008 году разработала плоскопанельный рентгеновский детектор (flat panel X-ray detector, FPXD) для рентгеновских установок. Геометрические размеры матрицы, на которой формируется изображение, составляют 45 х 46 см (61 см по диагонали), разрешение — 3072 х 3072 пикселя (9,4 Мп).
Область применения детектора Samsung не ограничивается медициной. Например, FPXD может стать частью систем контроля качества строительства или систем безопасности в аэропортах.
В целом же, современный зарубежный цифровой комплекс для общей диагностики стоит 500 и более тысяч долларов (выпускают Hitachi (Япония), Aloka (Япония), General Electric (США), Siemens (Германия) и
ДР)-
Промышленные применения: дефектоскопы; системы
неразрушающего контроля различных промышленных объектов, включая конструкции стратегических объектов - например, ядерные реакторы, трубы газопроводов; антитеррористический контроль, и т.д.
Например, металлооксидные полупроводниковые датчики сероводорода General Monitors (высокая чувствительность, воспроизводимость результатов, крепость конструкции и надежность работы в широком диапазоне температур и влажности) идеально подходят для применения на бурильных нефтегазодобывающих установках, на предприятиях нефтепереработки и производства нефтепродуктов, а также для целого ряда других промышленных применений, где присутствует
сероводород. Возможность проводить одноточечное калибрование значительно снижает время и стоимость их обслуживания.
Экологический и технологический контроль: координатные детекторы заряженных частиц для предприятий современной физики высоких энергий; системы экологического мониторинга окружающей среды и территорий атомных объектов, и т.д.
В настоящее время наибольшее распространение получили полупроводниковые детекторы из кристаллов кремния и сверхчистого германия (HPGe). Например, один из лучших гамма-спектрометров фирмы "Canberra" (США) с полупроводниковым детектором из HPGe с тонким бериллиевым окном имеет следующие характеристики: диапазон регистрируемых энергий - от 3 кэВ до 3 МэВ; энергетическое разрешение - 1,5 кэВ по линии 122 кэВ (относительная величина ~ 1,5%) от радионуклида Со57 и 2,2 кэВ, по линии 1332 КэВ от радионуклида Со60.
Лучшее пространственное разрешение (—10 мкм) достигнуто в кремниевых микростриповых детекторах; временное разрешение - 10"8 с.
Однако, современным кремниевым детекторам свойственен и ряд существенных недостатков. Так, в твердотельных детекторах на основе высокоомного кремния, области преобразования энергии кванта (частицы) в неравновесные электронно-дырочные пары и последующего считывания носителей в виде тока во внешнюю цепь пространственно совмещены. В силу этого, в такой конструкции, считывание заряда во внешнюю цепь приводит к потери информационного сигнала, а регистрируемые пороговые величины ионизирующих излучений, энергетическое разрешение и энергетические шумы определяются не только фоновыми («темновыми») токами, но и тепловыми и генерационно-рекомбинационными шумами, значительными при считывании токов в высокоомных материалах. К недостаткам кремниевых твердотельных детекторов относится также и их низкая стойкость к дозовым радиационным нагрузкам.
Последний из недостатков можно преодолеть посредством использования таких альтернативных твердотельных материалов как, например, арсенида галлия, искусственных алмазов и PbSeEu. Уровень развития технологии роста алмазных пленок и приборных технологий на алмазных материалах на сегодняшний день значительно уступает развитию кремниевых технологий. Твердые растворы на основе PbSeEu обладают значительной величиной коэффициента поглощения у-квантов. Однако, в силу узкозонности материала (необходимость охлаждения датчиков) и сложных технологических проблем реализации в них
качественных р-n переходов (значительные токи утечки и малые пробойные поля при обратном смещении) трудно ожидать, что в ближайшие годы эти материалы составят значимую конкуренцию Si в этом качестве. Таким образом, учет физических характеристик материалов и достигнутый уровень развития на этих материалах ростовой и маршрутной технологий, позволяют ожидать, что наиболее значимую конкуренцию кремнию в области детектирования ионизирующих излучений (особенно в области больших энергий и потоков) может составить арсенид галлия и твердые растворы на его основе. В настоящее время множество лабораторий мира продолжают участвовать в разработках арсенид галлиевых детекторов резистивного и барьерного типов для указанных применений.
Между тем, актуальной остается задача создания детектирующих систем, способных регистрировать слабые потоки ионизирующего излучения. Это особенно важно в проектировании и изготовлении базовых модулей детектирующих систем в медицине, в развитии которых наблюдается устойчивая тенденция к снижению дозовых нагрузок на пациента, а также при разработке систем экологического мониторинга.
Целью настоящей работы является разработка и исследование активного детектора интегрального типа с низким порогом регистрации и низким уровнем шума, позволяющего регистрировать малые потоки ионизирующих излучений.
Достичь указанной цели предполагается посредством предложенной и запатентованной в нашей работе конструкции, позволяющей накапливать информационный заряд и неразрушающим образом считывать его в процессе накопления в любой желаемый момент времени. Это позволяет существенно понизить порог регистрации излучения. Основное конструктивное отличие такого детектора -пространственное разделение области накопления заряда и цепи считывания информации о накопленном заряде. При этом, реализуется считывание информации о заряде либо токовое - по существенно менее шумящему каналу полевого транзистора, сформированного в эпитаксиальном проводящем слое, либо посредством считывания соответствующего информационному заряду потенциала. Предлагаемая конструкция позволяет детектировать плоские изображения в потоках частиц либо ионизирующих излучений. Потенциальный вариант считывания информационного заряда в таких конструкциях особенно эффективен при реализации детекторов пиксельной организации.
Одним из этапов разработки является выбор материала приемной области детектора. Он сделан в пользу полуизолирующего арсенида галлия. В рамках этого этапа разработки проведены теоретические исследования условий образования полуизолирующего GaAs.
Научная новизна работы
Предложена модель возникновения физических механизмов и условий, приводящих к образованию полуизолирующего арсенида галлия. Численным решением уравнения электронейтральности установлена математическая зависимость для данного материала концентрации свободных носителей заряда от концентрации ГЭЦ (глубоких энергетических центров) при заданной величине энергии залегания глубокого центра и суммарной концентрации мелкой акцепторной и донорной примеси. Исходя из полученных зависимостей определены оптимальные соотношения между легирующими компонентами материала, приводящие к реализации проводимости материала близкой к собственной.
Предложены принципы реализации низко пороговых детекторов и запатентованы конструкции дозиметрических детекторных ячеек с разделенными областями накопления и считывания заряда. Детектор, изготовленный в рамках предложенной конструкции, позволяет преобразовывать энергию частиц либо квантов ионизирующего излучения в неравновесные электронно-дырочные пары, накапливать и хранить информационный заряд и неразрушающим образом считывать во внешнюю цепь информацию о накопленном заряде в произвольный момент времени.
Предложена физико-математическая модель процессов, протекающих в детекторах с разделенными областями накопления и считывания заряда, позволяющая в отличие от существующих моделей количественно оценить величину заряда на ловушках в произвольный момент времени как функцию потоков ионизирующих частиц, энергии ловушек, их концентрации и температуры.
Практическая ценность
Представлен новый класс активных детекторных устройств интегрального типа - детекторы с разделенными областями накопления и неразрушающего считывания информации, эффективных в качестве дозиметров слабых потоков ионизирующего излучения с низким порогом регистрации излучения и низким уровнем шума.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы были доложены на следующих конференциях:
XII Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2005», Москва, МИЭТ
XIII Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция
студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2006»,
Москва, МИЭТ
Всероссийская научно-техническая конференция «Новые материалы и технологии»-НМТ-2006, Москва, МАТИ
XIV Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция
студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2007»,
Москва, МИЭТ
Научная сессия МИФИ-2008
XV Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция
студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2008»,
Москва, МИЭТ
51-я научная конференция МФТИ, 2008
а также в выступлениях на семинарах в НИИФП им. Ф.В. Лукина
Публикации
По теме диссертационных исследований опубликовано 13 печатных работ, получено 1 авторское свидетельство и 2 патента РФ.
Структура и объем диссертации
