Координатный детектор

Полезная модель относится к полупроводниковым детекторам ионизирующего излучения и может быть использована для регистрации излучений в ядерной физике, физике высоких энергий, а также в цифровых аппаратах, регистрирующих заряженные частицы, гамма кванты и рентгеновское излучение. Целью полезной модели является создание конструкции детектора, в которой пренебрежимо мало влияние темновых токов на выходные сигналы и для которой упрощен процесс монтажа детектора на монтажную плату, а также устранены основные причины брака при проведении этой операции. Технический результат достигается тем, что в координатном детекторе, состоящем из двух рабочих объемов, выполненных из полуизолирующего полупроводникового материала и соединенных в один кристалл дополнительным объемом из этого же материала, на одной из поверхностей каждого рабочего объема созданы металлические контакты в виде параллельных полосок, причем, во втором объеме, защищенном экраном от ионизирующего излучения, полоски являются продолжением полосок первого, а на противоположных сторонах этих объемов сформированы металлические контакты, предназначенные для подачи одинаковых по абсолютной величине, но различных по полярности напряжений питания, которые в отличие от прототипа, выполнены в виде металлических пластинок, выступающих за габариты рабочих объемов. Предлагаемая конструкция монтируется на плату путем присоединения выступающих пластинок с шинами на монтажной плате методом термокомпрессии или ультразвуковой сварки без использования процессов пайки или приклейки, что позволяет разнести шины питания на монтажной плате за габариты детектора и исключает брак за счет растекания припоя или клея.

Полезная модель относится к полупроводниковым детекторам ионизирующего излучения и может быть использована для регистрации излучений в ядерной физике, физике высоких энергий, а также в цифровых аппаратах, регистрирующих заряженные частицы, гамма кванты и рентгеновское излучение.

Широко известны координатные детекторы ионизирующих излучений, выполненные из полуизолирующего полупроводникового материала. Известные детекторы содержат рабочий объем, на одной поверхности, которого созданы металлические контакты, выполненные в виде одинаковых параллельных полосок с заданным шагом или в виде матрицы с пиксельными контактами; на противоположной стороне детектора сформирован общий контакт, для подачи напряжения питания. Недостатками таких детекторов являются сравнительно высокие темновые токи, которые затрудняют обработку выходных сигналов с детекторов мультиплексорами, производящими интегрирование во времени, как полезных сигналов, так и темновых токов [1].

Известен координатный детектор, устраняющий указанный недостаток [2]. Известный детектор содержит два одинаковых рабочих объема из полуизолирующего арсенида галлия, причем один из них закрыт от ионизирующего излучения защитным экраном. На одной из поверхностей каждого объема созданы металлические контакты в виде параллельных полосок, причем, во втором объеме полоски являются продолжением полосок первого, а на противоположных сторонах этих объемов сформированы металлические, контакты, предназначенные для подачи одинаковых по абсолютной величине, но различных по полярности напряжений питания.

Наиболее близким аналогом предлагаемой полезной модели является арсенидогаллиеый координатный детектор, предназначенный для цифровых маммографов [3]. Прототип выполнен из полуизолирующего полупроводникового материала и содержит два рабочих объема, которые соединены в один кристалл дополнительным объемом из этого же материала, на одной из поверхностей каждого рабочего объема созданы металлические контакты в виде параллельных полосок, причем, во втором объеме, защищенном экраном от ионизирующего излучения, полоски являются продолжением полосок первого рабочего объема, а на противоположных сторонах этих объемов сформированы сплошные металлические, контакты, предназначенные для подачи одинаковых по абсолютной величине, но различных по полярности напряжений питания. В данной конструкции вклад темнового тока в общий выходной ток в канале детектора снижен на порядок, так как он определяется разностью одинаковых темновых токов в разных рабочих объемах детектора.

Недостатком данной конструкции является сложность ее монтажа. Действительно, для подведения напряжений питания к рабочим объемам, необходимо соединить сплошные контакты объемов с соответствующими шинами на монтажной плате путем пайки или приклеивания электропроводным клеем, что очень сложно сделать без брака при малых расстояниях между объемами и при характерных соответствующих размерах контактов в несколько сот микрон. Брак возникает за счет смыкания контактов вследствие растекания припоя или клея между шинами или контактами детектора.

Технический результат, на который направлено заявляемое решение, состоит в устранении указанного недостатка. Этот результат достигается тем, что в координатном детекторе, состоящем из двух рабочих объемов, выполненных из полуизолирующего полупроводникового материала и соединенных в один кристалл дополнительным объемом из этого же материала, на одной из поверхностей каждого рабочего объема созданы металлические контакты в виде параллельных полосок, причем, во втором объеме, защищенном экраном от ионизирующего излучения, полоски являются продолжением полосок первого, а на противоположных сторонах этих объемов сформированы металлические контакты, предназначенные для подачи одинаковых по абсолютной величине, но различных по полярности напряжений питания, которые в отличие от прототипа, выполнены в виде металлических пластинок, выступающих за габариты рабочих объемов. Предлагаемая конструкция монтируется на плату путем присоединения выступающих пластинок с шинами на монтажной плате методом термокомпрессии или ультразвуковой сварки без использования процессов пайки или приклейки, что позволяет разнести шины питания на монтажной плате за габариты детектора и исключает брак за счет растекания припоя или клея.

На фиг.1 схематично представлена одна из возможных конструкций предлагаемого детектора. Детектор состоит из первого 1 и второго 2 рабочих объемов, выполненных из полуизолирующего полупроводникового материала. Рабочие объемы 1 и 2 содержат контакты с двух противоположных сторон. На одной поверхности первого объема 1 созданы контакты 3 в виде металлических параллельных полосок, сформированных с заданным шагом. С противоположной стороны этого объема создан второй контакт 4; он выполнен в виде тонкой металлической пластинки, выступающей за габариты рабочего объема. Второй объем также содержит на одной поверхности контакты 5 в виде металлических параллельных полосок, сформированных с заданным шагом. С противоположной стороны этого объема 2 создан второй контакт 6; он выполнен в виде тонкой металлической пластинки, выступающей за габариты рабочего объема. Рабочие объемы 1 и 3 соединены в один кристалл дополнительным объемом 7, выполненным из того же материала, что и рабочие объемы 1 и 2. Контакты 5 рабочего объема 2 и контакты 3 объема 1 соединяются металлическими полосками 8.

Пример практического исполнения. Координатный детектор ионизирующего излучения, предназначенный для сканирующих маммографов был изготовлен из полуизолирующего арсенида галлия, компенсированного хромом, с удельным сопротивлением 1 ГОм·см и толщиной 300 мкм. Выбор данного материала обусловлен тем, что вольт-амперная характеристика детектора с металлическими контактами, изготовленными на указанном материале линейна и не зависит от полярности приложенного напряжения, что необходимо для реализации приборов с компенсацией темновых токов. Изготовление координатного детектора осуществлялось стандартными технологическими приемами с применением процессов фотолитографии, вакуумного напыления металлов, химического травления и электрохимического осаждения металлов. На одной стороне полупроводниковой пластины с использованием «взрывной» фотолитографии и напыления слоев ванадия и золота формировались контакты 3 и 5, 8, на противоположной стороне с использованием процессов, напыления и электрохимического осаждения создавались контакты 4 и 6. Эти контакты изготавливались из осажденного золота толщиной 10 мкм, они выступали за габариты рабочих объемов на расстояние 350 мкм только в одну сторону от своих рабочих объемов, как показано на фиг.1. Дополнительный объем 7 формировали с использованием процессов химического травления. Химическое травление использовали также для формирования окончательной формы кристалла. В результате был изготовлен детектор, имеющий два рабочих объема с размерами 100×51200 мкм² . Каждый рабочий объем содержал 512 каналов. Между рабочими объемами располагался дополнительный объем размером 100 мкм. Детектор монтировался на монтажную плату путем ультразвуковой сварки (сварку вели в нескольких точках) контактов 4 и 6, выступающих за габариты кристалла детектора, что существенно упрощало процесс монтажа детектора и устраняло причины брака, обусловленные процессами пайки или приклейки кристаллов.

В исходном состоянии на контакт 4 подавалось напряжение равное -30 В, а на контакт 6 подавали напряжение +30 В. При этом на выходе каждого канала (на контактах 3 и 5) выходной сигнал, обусловленный темновыми токами, равнялся разности этих токов в объемах 1 и 2. На детектор поступало рентгеновское излучение с энергией квантов 20 кэВ, которое прошло через исследуемый объект. При этом рабочий объем 2 был закрыт металлическим экраном толщиной 300 мкм. Экран располагался за пределами детектора. Рентгеновское излучение, проникающее в объем 1 конвертировалось в каждом канале детектора в полезный сигнал (в электрический ток или заряд), который поступал на входы мультиплексора одновременно с разностью темновых токов в канале. Поскольку разность темновых током в объемах 1 и 2 составляла величину значительно меньшую, чем полезный сигнал, выходной сигнал с каналов детектора был пропорционален интенсивности дозы излучения, поступившего в этот канал. Оцифрованный сигнал с каждого канала мультиплексора содержал информацию об исследуемом объекте.

Итак, предложен координатный детектор ионизирующего излучения, с компенсацией темновых токов, конструкция, которого позволяет существенно упростить монтаж и устранить причины брака при монтаже. Источники информации.

1. F.Dubecky, A.Perd'ochova, P.Scepko et.al., Digital X-ray portable scanner based on monolithic semi-insulating GaAs detectors: General description and first "quantum" images. // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. Vol. A 546, 2005, p.118-124.

2. Г.И.Айзенштат, А.П.Воробьев, О.П.Толбанов. Патент Российской Федерации. Ru 2229730. Детектор ионизирующих излучений. Опубл. 27.05.2004 Бюл. 15.

3. Ayzenshtat G.I., Babichev E.A, Ваru S.E., et al., GaAs detectors for medical imaging // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. - 2003. - Vol. A. 509, - P.268-273

Координатный детектор, состоящий из двух рабочих объемов, выполненных из полуизолирующего полупроводникового материала и соединенных в один кристалл дополнительным объемом из этого же материала, на одной из поверхностей каждого рабочего объема созданы металлические контакты в виде параллельных полосок, причем во втором объеме, защищенном экраном от ионизирующего излучения, полоски являются продолжением полосок первого, а на противоположных сторонах этих объемов сформированы металлические контакты, предназначенные для подачи одинаковых по абсолютной величине, но различных по полярности напряжений питания, отличающийся тем, что контакты на противоположных сторонах рабочих объемов выполнены в виде металлических пластинок, выступающих за габариты рабочих объемов.