Многоэлементный полупроводниковый детектор для регистрации альфа-частиц в нейтронном генераторе со статическим вакуумом и чувствительный элемент для него

Полезная модель относится к области измерения излучения физических частиц с помощью полупроводниковых детекторов и может быть использовано при создании многоэлементных детекторов заряженных частиц на основе полупроводниковых кристаллов, способных работать внутри нейтронного генератора со статическим вакуумом. Предлагаемой полезной моделью решается техническая задача существенного повышения надежности детектора и его чувствительности. Для достижения данного технического результата в многоэлементном полупроводниковом детекторе для регистрации альфа-частиц в нейтронном генераторе со статическим вакуумом, включающем корпус детектора, пластину полупроводникового кристалла, размещенную перпендикулярно потоку альфа-частиц, регистрирующие элементы с электрическими контактами и токоотводами, размещенные на обеих сторонах пластины полупроводникового кристалла, в отличие от прототипа, пластина полупроводникового кристалла выполнена с возможностью размещения на обеих ее сторонах всех регистрирующих элементов с электрическими контактами и токоотводами, закреплена по периметру на керамической плате, в центральной части которой выполнено отверстие для попадания альфа-частиц на регистрирующие элементы; керамическая плата закреплена на корпусе, в котором также выполнено отверстие для попадания альфа-частиц на регистрирующие элементы; регистрирующие элементы сделаны в виде полос, выполненных на пластине полупроводникового кристалла методом ионного легирования, а электрические контакты выполнены методом напыления металла на регистрирующие элементы; при этом, полосы регистрирующих элементов на одной стороне пластины полупроводникового кристалла параллельны друг другу и перпендикулярны направлению полос регистрирующих элементов на другой стороне пластины полупроводникового кристалла.

Полезная модель относится к области измерения излучения физических частиц с помощью полупроводниковых детекторов и может быть использовано при создании многоэлементных детекторов заряженных частиц на основе полупроводниковых кристаллов, способных работать внутри нейтронного генератора со статическим вакуумом.

Наиболее близким к предлагаемой полезной модели техническим решением, принятым за прототип является полупроводниковый детектор для регистрации сопутствующих нейтронам заряженных частиц (альфа - частиц) в нейтронном генераторе со статическим вакуумом - патент РФ 2247411, включающий полупроводниковый регистрирующий элемент, размещенный в диэлектрическом корпусе перпендикулярно потоку -частиц, закрытый как со стороны потока заряженных частиц, так и с противоположной стороны слоями металла, электрически соединенными с токоотводами, при этом токоотвод со стороны потока заряженных частиц выполнен в виде жесткой прижимной металлической пластины с отверстиями напротив чувствительной зоны полупроводникового регистрирующего элемента, прикрепленной к диэлектрическому корпусу, а токоотводы с противоположной стороны выполнены в виде жестких металлических пластин, поджатых пружинными элементами к полупроводниковому регистрирующему элементу, при этом диэлектрический корпус выполнен из керамики. Предложен также конструктивный вариант объединения нескольких полупроводниковых детекторов в один клорпус. Соответственно чувствительный элемент данного детектора состоит из отдельных полупроводниковых кристаллов (пластин), с контактами, размещенными с обеих сторон кристалла и поджатыми пружинными элементами для осуществления электрического контакта и снабженные токоотводами.

Общими существенными признаками всего детектора являются следующие: многоэлементный полупроводниковый детектор для регистрации альфа-частиц в нейтронном генераторе со статическим вакуумом, включающий корпус детектора, пластину полупроводникового кристалла, размещенную перпендикулярно потоку сопутствующих нейтронам альфа-частиц, регистрирующие элементы с электрическими контактами и токоотводами, размещенные на обеих сторонах пластины полупроводникового кристалла.

Общими существенными признаками чувствительного элемента детектора являются следующие: чувствительный элемент многоэлементного полупроводникового детектора для регистрации альфа-частиц в нейтронном генераторе со статическим вакуумом включает пластину полупроводникового кристалла, регистрирующие элементы с электрическими контактами и токоотводами, размещенные на обеих сторонах пластины полупроводникового кристалла.

Известно, что механические пружинящие контакты не являются самыми надежными и малошумящими. Кроме того, общий контакт пластины полупроводникового кристалла с металлической частью корпуса создает проблему механических напряжений для полупроводникового кристалла детектора при температурном отжиге нейтронного генератора перед запаиванием до +400° в течение 24 часов. Для данной конструкции детектора из-за ограничения числа выводимых контактов из статического вакуума нейтронного генератора сложно сделать число чувствительных элементов более 10-20. В связи с выполнением окон в прижимной металлической пластине для проникновения альфа-частиц в каждый отдельный чувствительный элемент детектора (прижимная пластина также играет роль фиксатора позиции для каждого чувствительного элемента), между ними остается значительная площадь нечувствительной области. Все это существенно снижает надежность и чувствительность детектора в части регистрации заряженных частиц.

Предлагаемой полезной моделью решается техническая задача существенного повышения надежности детектора и его чувствительности за счет уменьшения размеров областей облучения объекта контроля потоками меченых нейтронов, сформированными каждым из элементов (пикселей) альфа - детектора, а также устранения мертвых зон между чувствительными элементами детектора. Регистрация гамма - квантов характеристического излучения, возникшего в результате взаимодействия потока меченых нейтронов (образующихся в бинарной dt - реакции, протекающей на тритиевой мишени нейтронного генератора) с ядрами облучаемого образца, в совпадениях с альфа - частицами (сопровождающих вылет нейтрона) позволяет идентифицировать искомое вещество. Уменьшение размеров области облучения объекта, за счет уменьшения размеров каждого соответствующего пикселя альфа - детектора, позволяет, соответственно, идентифицировать меньшую массу скрытого вещества в данном объекте.

Для достижения данного технического результата в многоэлементном полупроводниковом детекторе для регистрации альфа-частиц в нейтронном генераторе со статическим вакуумом, включающем корпус детектора, пластину полупроводникового кристалла, размещенную перпендикулярно потоку альфа-частиц, регистрирующие элементы с электрическими контактами и токоотводами, размещенные на обеих сторонах пластины полупроводникового кристалла, в отличие от прототипа, пластина полупроводникового кристалла выполнена с возможностью размещения на обеих ее сторонах всех регистрирующих элементов с электрическими контактами и токоотводами, закреплена по периметру на керамической плате, в центральной части которой выполнено отверстие для попадания альфа-частиц на регистрирующие элементы; керамическая плата закреплена на корпусе, в котором также выполнено отверстие для попадания альфа-частиц на регистрирующие элементы; регистрирующие элементы сделаны в виде полос, выполненных на пластине полупроводникового кристалла методом ионного легирования, а электрические контакты выполнены методом напыления металла на регистрирующие элементы; при этом, полосы регистрирующих элементов на одной стороне пластины полупроводникового кристалла параллельны друг другу и перпендикулярны направлению полос регистрирующих элементов на другой стороне пластины полупроводникового кристалла; на керамической плате выполнены металлизированные контактные площадки для закрепления токоотводов от электрических контактов регистрирующих элементов и токоотводов наружу нейтронного генератора; при том, токоотводы закреплены на электрических контактах регистрирующих элементов и металлизированных контактных площадках керамической платы методом ультразвуковой сварки, а токоотводы от керамической платы для вывода наружу нейтронного генератора выполнены в виде полосок из металлической фольги и закреплены на контактных площадках керамической платы с помощью болтов.

Для достижения данного технического результата в чувствительном элементе многоэлементного полупроводникового детектора для регистрации альфа-частиц в нейтронном генераторе со статическим вакуумом, включающем пластину полупроводникового кристалла, регистрирующие элементы с электрическими контактами и токоотводами, размещенные на обеих сторонах пластины полупроводникового кристалла, в отличие от прототипа, пластина полупроводникового кристалла выполнена с возможностью размещения на обеих ее сторонах всех регистрирующих элементов с электрическими контактами и токоотводами; регистрирующие элементы сделаны в виде полос, выполненных на пластине полупроводникового кристалла методом ионного легирования, а электрические контакты выполнены методом напыления металла на регистрирующие элементы; при этом, полосы регистрирующих элементов на одной стороне пластины полупроводникового кристалла параллельны друг другу и перпендикулярны направлению полос регистрирующих элементов на другой стороне пластины полупроводникового кристалла; при том, токоотводы закреплены на электрических контактах регистрирующих элементов методом ультразвуковой сварки.

Дополнительно, в самом чувствительном элементе и, соответственно, детекторе, для исключения омической связь между полосами регистрирующих элементов, р+ полосы регистрирующих элементов электроизолированы между собой обратно смещенными (р-n)-переходами, образованными между регистрирующими элементами р+ типа проводимости и объемом детектора n-типа проводимости, а n+ полосы регистрирующих элементов электроизолированы между собой обратно смещенными (р-n)-переходами, образованными между разделительными полосами р+ типа проводимости и объемом детектора n-типа проводимости.

Отличительными признаками предлагаемого технического решения в части всего детектора от известного (прототипа) являются следующие - пластина полупроводникового кристалла выполнена с возможностью размещения на обеих ее сторонах всех регистрирующих элементов с электрическими контактами и токоотводами, закреплена по периметру на керамической плате, в центральной части которой выполнено отверстие для попадания альфа-частиц на регистрирующие элементы; керамическая плата закреплена на корпусе, в котором также выполнено отверстие для попадания альфа-частиц на регистрирующие элементы; регистрирующие элементы сделаны в виде полос, выполненных на пластине полупроводникового кристалла методом ионного легирования, а электрические контакты выполнены методом напыления металла на регистрирующие элементы; при этом, полосы регистрирующих элементов на одной стороне пластины полупроводникового кристалла параллельны друг другу и перпендикулярны направлению полос регистрирующих элементов на другой стороне пластины полупроводникового кристалла; на керамической плате выполнены металлизированные контактные площадки для закрепления токоотводов от электрических контактов регистрирующих элементов и токоотводов наружу нейтронного генератора; при том, токоотводы закреплены на электрических контактах регистрирующих элементов и металлизированных контактных площадках керамической платы методом ультразвуковой сварки, а токоотводы от керамической платы для вывода наружу нейтронного генератора выполнены в виде полосок из металлической фольги и закреплены на контактных площадках керамической платы с помощью болтов.

Отличительными признаками предлагаемого технического решения в части чувствительного элемента от известного (прототипа) являются следующие - пластина полупроводникового кристалла выполнена с возможностью размещения на обеих ее сторонах всех регистрирующих элементов с электрическими контактами и токоотводами; регистрирующие элементы сделаны в виде полос, выполненных на пластине полупроводникового кристалла методом ионного легирования, а электрические контакты выполнены методом напыления металла на регистрирующие элементы; при этом, полосы регистрирующих элементов на одной стороне пластины полупроводникового кристалла параллельны друг другу и перпендикулярны направлению полос регистрирующих элементов на другой стороне пластины полупроводникового кристалла; при том, токоотводы закреплены на электрических контактах регистрирующих элементов методом ультразвуковой сварки.

Дополнительно, в самом чувствительном элементе и, соответственно, детекторе, р+ полосы регистрирующих элементов электроизолированы между собой обратно смещенными (р-n)-переходами, образованными между регистрирующими элементами р+ типа проводимости и объемом детектора n-типа проводимости, а n+ полосы регистрирующих элементов электроизолированы между собой обратно смещенными (р-n)-переходами, образованными между разделительными полосами р+ типа проводимости и объемом детектора n-типа проводимости.

Благодаря данным отличительным признакам вместе с известными из прототипа достигается следующий технический результат: повышаются надежность детектора и улучшаются основные параметры детектора (координатная точность, временное разрешение); устройство позволяет регистрировать в нейтронных генераторах со статическим вакуумом координаты альфа-частицы с точностью, определяемой размером одного элемента (пикселя), который представляет собой область перекрытия полос-стрипов - регистрирующих элементов, расположенных на противоположных сторонах пластины полупроводникового кристалла и образующих прямоугольную систему координат (следует заметить, что конструкция детектора, в принципе, позволяет использовать регистрирующие элементы в виде прямоугольников, ромбов, секторов, сегментов и т.д.); считывание быстрых сигналов при регистрации координат альфа - частицы производится одновременно с сигнальных элементов, расположенных на разных сторонах полупроводникового кристалла; данная конструкция позволяет создавать детекторы альфа - частиц для нейтронных генераторов со статическим вакуумом с числом элементов детектора n² >256, где n - количество стрипов на одной стороне кристалла, при этом необходимое число каналов электроники регистрации меньше числа элементов детектора и равно 2n; конструкция устройства регистрации позволяет ориентировать полупроводниковый детектор любой стороной относительно тритиевой мишени в нейтронном генераторе; за счет выполнения всех регистрирующих элементов на одной общей пластине полупроводникового кристалла и ультразвуковой сварки контактов существенно повышается надежность устройства регистрации альфа - частиц после сборки и температурного отжига корпуса нейтронного генератора до температуры +400° в течение 24 часов (отсутствуют пружинящие контакты и полупроводниковая пластина не имеет механического и электрического контакта с металлическим корпусом).

Предлагаемое техническое решение может найти применение в различных системах проверки наличия и идентификации скрытых веществ, в том числе малых размеров (размеров пикселя, образованного пересечением полос регистрирующих элементов). Данная конструкция детектора может быть применена для детектирования и других заряженных частиц.

Предлагаемое техническое решение поясняется рисунками фиг.1 и 2.

На фиг. 1 изображен разрез нейтронного генератора по тритиевой мишени и полупроводниковому детектору -частиц.

На фиг. 2 показана структура чувствительного элемента детектора.

Изображенный на фиг. 1 нейтронный генератор (НГ) содержит корпус 1, размещенную в нем тритиевую мишень 2, многоэлементный полупроводниковый детектор для регистрации сопутствующих нейтронам альфа-частиц, включающий корпус детектора 3 (как правило, стальной), на котором с помощью болтов закреплена керамическая плата 4 (имеющая близкий с пластиной полупроводникового кристалла 5 по значению коэффициент температурного расширения), на которой в свою очередь также с помощью болтов закреплена пластина полупроводникового кристалла 5, в которой для этого вне чувствительной зоны выполнены отверстия под болты. Регистрирующие элементы 6 сделаны в виде полос (стрипов), выполненных на пластине полупроводникового кристалла методом ионного легирования (имплантации). Электрические контакты 11 на фиг. 2 выполнены методом напыления металла (алюминия) на регистрирующие элементы 6. Полосы регистрирующих элементов 6 на одной стороне пластины полупроводникового кристалла 5 параллельны друг другу и перпендикулярны направлению полос регистрирующих элементов 6 на другой стороне пластины полупроводникового кристалла 5. На керамической плате 4 выполнены металлизированные контактные площадки 7 для закрепления токоотводов 8 от регистрирующих элементов и токоотводов 9 от детектора наружу. Токоотводы 8 закреплены на регистрирующих элементах 6 и металлизированных контактных площадках 7 методом ультразвуковой сварки. Токоотводы 9 от детектора наружу закреплены на металлизированных контактных площадках 7 с помощью болтов и выведены из объема нейтронного генератора через коваровые выводы 10.

Таким образом, регистрирующие элементы 6 на пластине полупроводникового кристалла 5 образуют на одной стороне р+ - стрипы (X-координата), а на другой стороне - n+ - стрипы (У-координата). Создание р+ и n+ стрипов делается методом ионной имплантации (легирования) соответственно ионов бора и фосфора через окна в маске из окисла (SiO₂). Обозначения стрипов р+ и n+ обозначают сильно легированные области (стрипы) на высокоомной кремниевой пластине 5 n-типа проводимости. Для того, чтобы n+ полосы регистрирующих элементов были электроизолированы между собой, создаются р+ разделительные стрипы 12, которые образуют обратно смещенные (р-n)-переходы между разделительными стрипами р+ типа проводимости 12 и объемом детектора n-типа проводимости 5.

При пересечении Х- и У-стрипов в прямоугольной системе координат образуются квадраты, это и есть элементы детектора, которые определяют положение попавшей в детектор альфа частицы. Количество элементов детектора равно произведению C=k×n, где: n - число р+ - стрипов (X), k - число n+ - стрипов (Y). Количество контактов детектора (каналов электроники) равно сумме (k+n). Например, для двухстороннего детектора с числом стрипов по 16 (на каждой стороне), количество элементов будет равно 16×16=256, а число выводимых контактов токоотводов 9 из объема НГ будет составлять 32.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. Альфа-частицы, образующиеся в результате бинарной ядерной реакции d+t (3.5 МэВ) + n (14.1 МэВ) в тритиевой мишени 2, и попадающие в пластину полупроводникового кристалла 5, создают заряд ионизации, пропорционально потерям энергии. В результате дрейфа заряда ионизации в электрическом поле детектора на соответствующих р+ и n+ стрипах регистрирующих элементов 6 будут одновременно индуцироваться сигналы противоположной полярности (на р+ стрипах - положительная полярность, на n+ стрипах - отрицательная полярность). Электрические сигналы от альфа частицы, образовавшиеся на одном из Х-стрипов и на одном из У-стрипов, выводятся из вакуумного объема нейтронного генератора через коваровые контакты 10. Коваровые контакты 10 соединены со входами предварительных усилителей и после усиления сигналы с Х- и У - стрипов поступают на регистрирующую электронику, где происходит амплитудный и временной анализ сигналов для каждого стрипа, а также организуется логика совпадений для определения координат данной альфа частицы. Совпадение сигнала, пришедшего с одного из X - стрипов, с сигналом, пришедшим с одного из У - стрипов, однозначно определяют Х- и У- координаты и время альфа частицы, и соответственно, направление и время вылета меченого нейтрона из нейтронного генератора.

1. Многоэлементный полупроводниковый детектор для регистрации альфа-частиц в нейтронном генераторе со статическим вакуумом, включающий корпус детектора, пластину полупроводникового кристалла, размещенную перпендикулярно потоку альфа-частиц, регистрирующие элементы с электрическими контактами и токоотводами, размещенные на обеих сторонах пластины полупроводникового кристалла, отличающийся тем, что пластина полупроводникового кристалла выполнена с возможностью размещения на обеих ее сторонах всех регистрирующих элементов с электрическими контактами и токоотводами, закреплена по периметру на керамической плате, в центральной части которой выполнено отверстие для попадания альфа-частиц на регистрирующие элементы; керамическая плата закреплена на корпусе, в котором также выполнено отверстие для попадания альфа-частиц на регистрирующие элементы; регистрирующие элементы сделаны в виде полос, выполненных на пластине полупроводникового кристалла методом ионного легирования, а электрические контакты выполнены методом напыления металла на регистрирующие элементы; при этом полосы регистрирующих элементов на одной стороне пластины полупроводникового кристалла параллельны друг другу и перпендикулярны направлению полос регистрирующих элементов на другой стороне пластины полупроводникового кристалла; на керамической плате выполнены металлизированные контактные площадки для закрепления токоотводов от электрических контактов регистрирующих элементов и токоотводов наружу нейтронного генератора; притом токоотводы закреплены на электрических контактах регистрирующих элементов и металлизированных контактных площадках керамической платы методом ультразвуковой сварки, а токоотводы от керамической платы для вывода наружу нейтронного генератора выполнены в виде полосок из металлической фольги и закреплены на контактных площадках керамической платы с помощью болтов.

2. Детектор по п.1, отличающийся тем, что р+ полосы регистрирующих элементов электроизолированы между собой обратно смещенными (р-n)-переходами, образованными между регистрирующими элементами р+ типа проводимости и объемом детектора n-типа проводимости, а n+ полосы регистрирующих элементов электроизолированы между собой обратно смещенными (р-n)-переходами, образованными между разделительными полосами р+ типа проводимости и объемом детектора n-типа проводимости.

3. Чувствительный элемент многоэлементного полупроводникового детектора для регистрации альфа-частиц в нейтронном генераторе со статическим вакуумом, включающий пластину полупроводникового кристалла, регистрирующие элементы с электрическими контактами и токоотводами, размещенные на обеих сторонах пластины полупроводникового кристалла, отличающийся тем, что пластина полупроводникового кристалла выполнена с возможностью размещения на обеих ее сторонах всех регистрирующих элементов с электрическими контактами и токоотводами; регистрирующие элементы сделаны в виде полос, выполненных на пластине полупроводникового кристалла методом ионного легирования, а электрические контакты выполнены методом напыления металла на регистрирующие элементы; при этом полосы регистрирующих элементов на одной стороне пластины полупроводникового кристалла параллельны друг другу и перпендикулярны направлению полос регистрирующих элементов на другой стороне пластины полупроводникового кристалла; притом токоотводы закреплены на электрических контактах регистрирующих элементов методом ультразвуковой сварки.

4. Чувствительный элемент по п.3, отличающийся тем, что р+ полосы регистрирующих элементов электроизолированы между собой обратно смещенными (р-n)-переходами, образованными между регистрирующими элементами р+ типа проводимости и объемом детектора n-типа проводимости, а n+ полосы регистрирующих элементов электроизолированы между собой обратно смещенными (р-n)-переходами, образованными между разделительными полосами р+ типа проводимости и объемом детектора n-типа проводимости.