Введение к работе
Актуальность работы. Созданные в последнее десятилетие полупроводниковые детекторы рентгеновского и гамма излучения на основе CdTe, CdZnTe, Hgb, GaAs позволили решить широкий ряд практических задач создания приборов экспресс анализа состава материалов. Детекторы на основе вьппеупомянутых полупроводников работают при комнатной температуре, что существенно упрощает конструкцию регистрирующих элементов аналитических приборов по сравнению с приборами, созданными на основе Ge и Si, которые громоздки из-за использования охлаждения жидким азотом. На базе не-охлаждаемых детекторов был создан ряд перспективных приборов, которые нашли применение в металлургии, в решении задач таможенного контроля и задач контроля ядерных материалов, а также созданы матричные детекторы для изготовления медицинских приборов и приборов для исследования космического пространства.
Однако детекторы на основе широкозонных полупроводников имеют некоторые недостатки - недостаточно высокую разрешающую способность и малую эффективность регистрации по сравнению с Ge и Si детекторами. Для решения этих задач необходимо было разработать технологию производства детектирующих структур, обеспечивающих необходимые требования более эффективного собирания наведенного гамма и рентгеновским излучением заряда.
Целью работы являлось создание детектирующих структур на основе монокристаллов CdTe и исследование их параметров для обеспечения высоких эксплуатационных характеристик детекторов: энергетического разрешения, сравнимого с Ge детекторами (1.5 кэВ для энергии 662 кэВ), эффективности регистрации гамма излучения с энергией от 20 до 1400 кэВ, временной стабильности (при времени непрерывной работы 8 часов).
Задачи диссертационной работы:
оптимизация технологии изготовления p-i-n CdTe детекторов;
исследование спектрометрических характеристик p-i-n детекторов и основных факторов, влияющих на спектрометрические характеристики:
экспериментальные исследования;
моделирование по методу Монте-Карло;
исследование распределения электрического поля в p-i-n структурах, из
готовленных из высокоомных (полуизолирующих) кристаллов CdTe, вклю
чая:
і БИБЛИОТЕКА І
- экспериментальное определение пространственного распределения
поля и его динамики после подачи на структуры электрического сме
щения;
' '" - численное моделирование распределения поля при различных граничных условиях;' ' , изучение воздействия перестройки электрического поля на спектромет-„ рические характеристики структур:
- численный расчет амплитудных спектров по измеренным профи
лям электрического_поля;
'). г ., - сравнение расчетных данных с экспериментально измеренными.
, t Научная новизна представленных в диссертационной работе результатов состоит в следующем:
Проведено экспериментальное и численное исследование распределения электрического поля в p-i-n структурах из высокоомного CdTe с различными условиями на контактах, включающее определение динамики и . степени локализации деформирования поля.
Дано объяснение эффекту временной нестабильности («поляризации») детекторов изготовленных из полупроводниковых кристаллов CdTe, CdZnTe. "
Разработана программа расчета по методу Монте-Карло амплитудных спектров детекторов p-i-n структуры, учитывающая распределение электрического поля и транспортных характеристик в объеме исследуемых детекторов и предоставляющая возможность прогнозирования предельных характеристик детекторов (энергетическое разрешение, эффективность регистрации, временная стабильность) детекторов из широкозонных полупроводников.
Практическое значение работы заключается в создании детекторов гамма и рентгеновского излучения и их внедрении в практику разработки портативных спектрометрических приборов и портативных рентгенофлюорес-центных анализаторов. Данные приборы по ряду параметров превосходят известные аналоги и имеют более широкий спектр функциональных возможностей. Разработаны p-i-n CdTe детекторы гамма и рентгеновского излучения с энергетическим разрешением близким к детекторам из Ge и Si. Детекторы объемом 200 мм имеют разрешение по линии 662 кэВ равное 2.6юВ, а по линии 12:2 кэВ равное І.ЗкзВ, что сравнимо с кремниевыми и германиевыми детекторами, у которых разрешение по линии 662 кэВ составляет 1.0-1.3 кэВ, а по линии 122 кэВ разрешение 0.4-0.6 кэВ.
Результаты работы использованы при выполнении:
технического контракта МАГАТЕ #9984/RFB;
контракта с Radiant Detector Technology LLC: "Разработка и применение улучшенной электроники и технологии приборов для: Спектрометрической системы с Пельтье охлажденным CdTe детектором ("Polaris") от 25.10.2001 и дополнений к нему от 2001-2004 гг.;
Имеются акты об использовании результатов диссертационной работы Ильвеса А.Г. в Петербургском институте ядерной физики им. Б.П. Константинова РАН и в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина).
Научные положения, выносимые на защиту:
-
Причиной временной нестабильности характеристик CdTe p-i-n детекторов является изменение распределения напряженности электрического поля в і-области p-i-n структуры из-за образования отрицательного объемного заряда и нарушения компенсации і-области при перезарядке глубоких центров.
-
Моделирование амплитудных спектров детекторов p-i-n структуры по методу Монте-Карло с учетом распределения электрического поля и транспортных характеристик в объеме детекторов является эффективным методом прогнозирования достижимых характеристик (энергетическое разрешение, эффективность регистрации, временная стабильность) детекторов.
Апробация работы. Основные результаты, вошедшие в диссертацию, докладывались на международных конференциях: The International Workshop on Room Temperature Semiconductor Detectors for Remote, Portable and In-Situ Radiation Measurements Systems July 26-29, 1998, Jerasalem, Israel, 11th International Workshop on Room Temperature Semiconductors and Associated Electronics October 11-15,1999, Vienna, Austria
Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 научных работ, из них - 3 статьи, тезисы к 2-м докладам на международных научно-технических конференциях.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения, списка литературы, включающего 105 наименований, трех приложений. Основная часть работы изложена на 158 страницах машинописного текста. Работа содержит 42 рисунка и 2 таблицы.
