DE2721694A1

DE2721694A1 - Detektor zum nachweis ionisierender strahlung

Info

Publication number: DE2721694A1
Application number: DE19772721694
Authority: DE
Inventors: Henri Rougeot; Guy Roziere
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1976-05-14
Filing date: 1977-05-13
Publication date: 1977-11-17
Also published as: FR2351422B1; FR2351422A1; GB1559728A; US4147933A

Description

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M O NCME N 2 1 13-5.1977

GOTTHARD3TR. 81 9504-V/Kl

Thomsori-CSF, Bl. Haussmann 173, F-75008 Paris (Frankreich) "Detektor zum Nachweis Ionisierender Strahlung" Priorität: 14. MaJ 1976, Frankreich, No 76 14716

Die Erfindung betrifft einen Detektor mit räumlichen Auflösungs- | vermögen zum Nachweis ionisierender Strahlung mit einem Halblei- j terkörper und Mitteln, um in der ganzen Tiefe des Körpers zwjschefr seinen sich gegenüberliegenden Oberflächen eine Raumladungszone zu erzeugen, j η der ein im wesent liehen zu 'Jen Oberflächen senkrechtes elektrisches Feld herrscht, in dem die freien, auf der einer, der beider. Oberflächen, ausgelöst durch die einfallende : ior.isierende Strahlung, erscheinenden Elektronen in Bewegung ver-_: setzt werden, mit einem Kollektor auf der anderen der beiden Obertflächen, mit dem die freien Elektronen aufgefangen werden, und mit Mitteln zur Bestimmung des Aufschlagor-tes der Elektronen auf dem Kollektor. ;

In der Kernphysik, in der Medizin und auf zahlreichen anderen Gebieten seil, häufig ionisierende Strahlung, wie etwa Röntgen-,

ο !

eC-,/>- cder y-Strahlung nicht nur nachgewiesen, sondern auch !

der Auftreffpunkt der Strahlung lokalisiert werden. j

Die wichtigsten Kenngrößen dieser Detektoren, mit denen der Nachweis und die Lokalisierung durchgeführt werden kann, sind ihre räumliche Auflösung, d. h., der kleinste Abstand zwischen zwei Auftreffpunkten, der nachgewiesen werden k=.nn, und ihre Energieauf lösung, d. h. die kleinste nachweisbare Energiedifferenz.

Zunächst. soJ.l der Aufbau und die Wirkungsweise eines Oetektors mit räumlichem Auflösungsvermögen nach denn Stande der Technik

beschrieben werden. *f

Bei verschiedenen bekannten Detektoren besteht die räumliche Nachwellvorrichtung aus einer dünnen Widerstandsschicht, die auf einen mit vier Nachweisabschnitten in Verbindung stehenden Träger
aufgebracht ist. Sie umfaßt einen Detektor, d.h. eine Elektronenemissicnsschicht, die vor der räumlichen Nachweisvorrichtung ange ordnet Is+,und auf die die nachzuweisende Strahlung fällt. Von
der Elektronenemissicnsschicht wird am Auftreffpunkt der ionisierenden Strahlung ein Elektronenbündel ausgesandt. Dieses Elektronenbündel wird durch ein elektrisches Feld, das zwischen die
Zmissiotisschicht und die Widerstandsschicht gelegt ist, beschleunigt. Die Elektronen, die von der Widerstandsschicht eingefangen werden, werden von vier Elementen A, B, C, D, die umfänglich ange· ordnet sind, eine gewisse Dicke aufweisen, elektrisch leitfähig
sind und in Verbindung mit der Widerstar.dsschicht stehen, die die Rolle eines Spannungteilers spielt, gesammelt. Die Messung der auf jedem dieser Abschnitte angesammelten Ladungsmenge ermöglicht auf einfache Weise mit Hilfe eines Rechners das Massenzentrum des Auf treffpunktes des Elektronenbündels auf der Widerstandsschicht und den Auftreffpunkt der ionisierenden Strahlung zu bestimmen.

Zur Bestimmung des Massenzentrums werden folgende Verhältnisse ge bildet:

QA - QB _und QC - QD
QA + QB QC + QD

wobei QA, QB, QC, QD jeweils die von den vier Abschnitten gesammelte Ladung bezeichnen. Die Energie der eingefallenen Strahlung, die proportional zu der Menge der emittierten Elektronen ist,
wird durch die Summe QA + QB + QC + QD bestimmt.

Bei anderen zum Stande der Technik gehörenden Detektoren ist die
Widerstandsschicht direkt auf der Strahlungsnachweisschicht angeordnet. Der Detektor besteht aus einem plattenförmigen Träger,
aus Halbleitermaterial mit großer Reinheit, der auf seinen der
Strahlung ausgesetzten Oberflächen eine Struktur von der Art einer

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besitzt
Gleichrichterdiode, die durch eine Kontaktflache zwischen einem

Metall und einem Halbleiter (Schottky-Diode) oder durch einen
p-n-übergang erhalten wird. Die Reinheit des Halbleitermaterial
und seine Dicke werden so gewühlt, daß die Raumladungszone dieser Dioden sich durch die ganze Tiefe des Halbleiterträgers erstreckt^ auf dessen anderer Seite die Widerstandsschicht der räumlichen
Nachweisvorrichtung angeordnet ist, wenn zwischen dieser und der
Übergangsstelle auf der anderen Seite eine Spannung angelegt ist. Diese Widerstandsschicht. arbeitet, wie bereits erwähnt, im Zusammenwirken mit vier Sammelabsohnitten A, B, C, D. Die Wirkungsweise der Vorrichtung ist folgende:

Unter der Einwirkung i or.isierender Strahlung werden Elektronen-Loch-Paare in der Raumladungszone des Halbleiters erzeugt. Das
elektrische Feld, das in dieser Zone herrscht, zieht die Elektronen entlang der senkrecht zu den Oberflächen der Halbleiterplatte stehenden Feldlinien auf die Widerstandsschicht. Diese Elektronen werden von den Abschnitten A, B, C, D gesammelt, deren Signale
dazu verwendet werden, unter den bereits angegebenen Bedingungen
den Massenmittelpunkt des Auftreffpunktes der einfallenden Strahlung auf der Strahlungsnacbweisschicht zu bestimmen.

Bezüglich der zuerst beschriebenen Detektoren besitzt diese Anord nung den Vorteil einer besseren räumlichen Auflösung, da die vier Kollektoren intensivere Impulse erhalten. Die Summe der von der
Gesamtheit der Kollektorabschnitte aufgenommenen Elektronen ist
proportional zur Energie des einfallenden Teilchens. Bei einem:
Siliciumträger ist diese Verbesserung in Bezug auf andere vorstehend beschriebene Detektoren bedeutsam. Eine Einfallsenergie
von 3,5 eV erzeugt ein Elektronen-Loch-Paar in dem Silicium.

Diese genannte Verbesserung reicht ::noch nicht aus, um eine gute
räumliche Auflösung und den Nachweis von Strahlung unterhalb eine bestimmten Energieniveaus zu ermöglichen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Detektor der eingangs genannten Gattung; zu schaffen, der sich durch ein hohes -¹I-

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räumliches Auflösungsvermögen und durch die Fähigkeit auszeichnet, auch Strahlung sehr geringer*· Energie nachzuweisen.

Diese Aufgabe ist dadurch gelöst, daß der Halbleiterkörper ein Sekundäremissionsvermögen größer als Eins aufweist und daß er mit einem System aus zu den Oberflächen senkrechten Mikrokanälen durchzogen ist, die an derjenigen der beiden Oberflächen münden, an der die freien Elektronen erscheinen.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung dient das nachfolgend anhand der Figuren beschriebene Ausführungsbeispiel. Es zeigt:

Figur 1 einen Schnitt durch einen Detektor nach der Erfindung

Figur 2 den Detektor nach Fig.l in der Draufsicht

Figur 3 eine andere Ausführungsform der in Fig.l dargestellten Struktur.

Die in Figur 1 dargestellte Platte 1 aus einem Halbleiterkörper weist an einer ihrer Oberflächen eine Oberflächenbarriere oder Schottky-Barriere auf, die durch Überziehen dieser Fläche mit einer Leiterschicht 2 erzeugt wird.

Mit dieser Oberfläche Liegt die Platte 1 einem Körper 4 gegenüber, der Elektronen emittiert, wenn er ionisierender Strahlung (angedeutet durch den gewellten Pfeil) ausgesetzt wird. Das Elektronenbundel (Pfeile 10), das von dem Auftreffpunkt der ionisierenden Strahlung des Körpers 4 ausgesandt wird, wird durch eine Gleichspannung (Gleichspannungsquelle 3) gegen die Platte 1 beschleunigt. Auf der anderen Seite der Platte 1 sind die feine Widerstandsschicht 5 und die vier Leiterabschnitte A, B, C, D der vorbeschrtebenen Vorrichtung angeordnet. Die Gesamtheit dieser Abschnitte, deren Anordnung aus Figur 2 erkennbar ist, ist mit dem Bezugszeichen 6 bezeichnet. Diese Figur 2 zeigt die Platte von unten gesehen. Die Figuren 1 und 3 sind Schnitte längs der Achse aa der Figur 2 in vergrößertem Maßstab. Jeder der vorerwähnten Abschnitte

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besitzt einen Anschluß (ohne Eezugsweichen).

Bei einem Detektor nach der Erfindung ist die Platte t mit einem System von Mikrokanälen 7 durchzogen. Die Mikrokanäle münden an der Oberfläche der Platte 1 gegenüber dem Körper i\ und sind in diesem Beispiel an ihren jeweiligen anderen Enden geschlossen.

Zwischen der Schicht 2 und den Leiterabschnitten 6 hält eine Gleichspannurigsquelle eine Potentialdifferenz V_n aufrecht. Das Halbleitermaterial der Platte 1 weist einen selchen Verunre3.nlgungsgrad auf, daß die in dem Halbleiter erzeugte Raumladungszone unter dev Oberflächenbarriere sich unter der· Wirkung der Potentialdiffereriz durch die ganze Dicke der Platte erstreckt. In dieser Raumladungszone herrscht ein elektrisches Feld, das senkrecht zu den Oberflächen der Platte ist. Eei einem vorgegebenen Wert V_Q ist diese Zone umso tiefer je größer der Verunreinigungsgrad des Halbleitermaterials ist. Für den Fall von η-leitendem Silicium,

h,

Jas einen einem Widerstand von 10 Ohm χ cm ent sprechenden Verunreinigungsgrad aufweist, betragt diese Dicke 1 mm für eine Spannung Vp v^n 400 Volt. Das Halbleitermaterial, aus welchem die Platte 1 besteht, besitzt die Eigenschaft zur Sekundärelektronenemission mit einem Koeffizient größer Eins . Das obenerwähnte Silicium besitzt diese Eigenschaft.

Die Arbeitsweise des Detektors wird im folgenden beschrieben:

Wenn ein von dem Körper k emittiertes Elektron gegen die Wand eines Mikrokanales schlägt, findet im Innern des Mikrokar.ales wegen des bestehenden longitudinalen elektrischen Feldes und der Sekundäremissioaseigenschaft Elektronenverstärkung statt, mit

3 9 einem Verstärkungsfaktor»der Werte zwischen 10" und 10 je nach Eigenschaften des Kanals, seiner Länge und insbesondere des Emissior.skoeffizierten der Wand annehmen kann. Die aus dieser Elektronenverstärkung hervorgehenden Elektronen durchqueren die F.aumladungszone des Halbleiters zwischen dem Grund des Mikrokanals und der unteren Fläche des Halbleiters und werden von der

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Widerstandsschicht 5 ur.d schließlich von den Abschnitten A, B, C, D eingefangen. Bereits sehr niedrige Energiebetröge reichen aus, um diese Verstärkung zu verursachen.

Beispielsweise reicht eine Einfallsenergie von 35 Elektronenvolt nur aus, um 10 Elektronen-Lcch-Paare bei Detektoren bekannter Art, wie sie einleitend beschrieben worden sind, zu erzeugen. Die gleiche Energie würde unter bestimmten Bedingungen ausreichen, um die Verstärkung in den Mikrokanälen des Detektors nach der Erfindung
chen.

dung zu sättigen und eine maximale Verstärkung von 10 zu errei-

Die Genauigkeit der Bestimmung des Auftreffpunktes des Elektronenbündels auf der Platte 1 und die der einfallenden ionisierenden Strahlung, die auf die Nachweiseinrichtung 4 trifft, hängt, unter sonst gleichen Bedingungen, von der Zahl der von den Einrichtungen

, 6 (Figur l) eingefangenen Elektronen ab. Die Fluktuation £ bei der Best.nv.-nung des Massenmittelpunktes des Auftreffpunktes, welche Bestimmung mit Hilfe Jer auf den vier Abschnitten A, B, C, D empfangenen Signale durchgeführt wird, ergibt sich aus einer Formel, iij die u.a. die absolute Temperatur des Halbleiters, der Widerstand der Schicht, 5, die Zeitkonstante der elektronischen Verarbeitungsschaltung für die von den Abschnitten gelieferten Signale, und die Ladungsmenge Q der gesammelten Ladungen eingeht. Die Fluktuation ist umso kleiner, je größer Q ist. Sie ist dieser Größe umgekehrt proportional.

Dies verdeutlicht die Bedeutung der Elektronenverstärkung nach der Erfindung. Bei Umgebungstemperatur und bei Zeitkonstanten, die lektronische Verarbeitungsschaltangen üblicherweise aufweisen, ist die Fluktuation bei Detektoren nach dem Stande der Technik in 3er Größenordnung von 250 Mikrometern für einen Siliciumhalbleiter riit einer Widerstandsschicht von einem Megohm und für eine Elektro lenzanl von 3x10 ,die einer Einfallsenergie von der Größenordnung /On MEV entspricht.

e gleiche Genauigkeit wird mit Detektoren nach der Erfindung

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schori bei Einfc llsenergj en, die wesentlich unter den vorgenannten, r.ämlich bei eiriem .^T-^Tundert3te] oder einem Tausendstel derselben liegen, für sonst gleiche Werte erreicht. Für gleiche Einfal] senergien wird mit dem Detektor nach der Erfindung nxn-ä Genauigkeit erreicht, die hundert- bis tausendmal größer ist.

Der Detektor- r.ach der Krfindurg wurde in dom vorangegangenen Beispiel η it einer Lsitert-.ch.icht 2 beschrieber, die auf die eine der beider Oberflächen der Halb.": eiterplatte 1 aufgetragen ist, um auf dieser Oberfläche einp Schottky-B-rriere zu bilden. Ein p-n-übergang,der auf dieser Oberfläche cu:-:h Eindiffundieren von p-Verunreir:igungen in das η-leitende Falbleitersubstrat h er gestellt wird, erfülJt dieselbe Punktion. Eine Ausführung!-:form mit diesem Übergang wird folg]ich gleichermaßen von der Erfindung erfaßt .

Bis jetzt wurde ein Detektor beschrieben, bei dem die Ladungen dem Halbleiter durch ein Elektronenbündel zugeführt werden, welches von dem Körper 4 unter der Einwirkung der einfallenden ionisierenäen Strahlung ausgesandt v/lrd. Derartige Körper ¹J sind bekannt, weswegen sie hier nicht näher beschrieben werden. Aus dem gleichen Grunde wird auf die Einzelheiten der Erzeugung der Elektronen, die von dem Körper unter dem Einfluß der einfal]enden Strahlung ausgesandt werden, nicht, näher eingegangen.

Diese Elektronen können auch direkt auf der Halbleiterplatte 1 durch Auftreffen der ionisierenden Strahlung auf diese erzeugt werden. In diesem Fall ent?iä.lt ein Detektor nach der Erfindung nicht de« Körner H. Diese Ausführungsf orrn, bei der Elektronen-Loch-Paare am Eingang der Mikrokanäle erzeugt werden, ist in Figur 3 dargestellt, in der die Mikrckanäle 7 ^n ihren beiden Enden offen sind.

Die Arbeitsweise des Detektors nach der Erfindung kann je nach Fall unterschiedlich sein.

Angenommen die Energie des einfallenden Teilchens od&r der" -8-

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BAD ORIGINAL

einfallenden Strahlung sei bereits durch Irgendein Verfahren beatinimt und es bestehe nur noch das Problem, den Auftref fpur.kt präzise festzulegen. In diesem Fall werden die Betriebsdaten so gewählt, daß die Elektronenverstärkung in den Mikrokanälen Ihre Sättigung erreicht. Bei dieser Betriebsweise ist die Zahl der von der Widerstandsßchicht 5 aufgenommenen Elektronen konstant gleich dem vorerwähnten Maximum, d.h. ungefähr ICr Elektronen pro Kanal, unabhängig vu.n der Zahl oder der Energie der Teilchen am Eingarg des Kanales. Dank der großen Impulsamplituden auf den Saramelelementen A, E,C, D wird eine besonders präzise Ortsbestimmung des Auftreffpunktes ermöglicht.

In dem gegenteiligen Fall, in dem die Intensität der einfallenden Strahlung gemessen werden soll, wird der Detektor so betrieben, daß im Innern der Mikrokanäle nicht die SSttigungsverstärkung erreicht wird. In diesem Fall ist die Anzahl der Elektronen QA + QB + QC + QD,die von den vier auf der Widerstandsechicht 5 angeordnetenvim ijauife eines Nachweisereignisses aufgenommen wird, propor· tioual zu der Anzahl der Elektronen an Eingang des M.ikrokanals, auf den das von dem Körper l\ kommende Elektronenbündel aufschlägt oder proportional der Zahl der Elektronen, die durch Auftreffen der einfallenden Strahlung am Eingang dieses Mikrokanals erzeugt werden. In diesem Fall ist die Ortsbestimmung weniger genau als in dem zuvor bescnriebenen Fall, da die Zahl der eingefangenen Elektronen beschränkt wird. Diese Genauigkeit ist jedoch immer noch wesentlich größer als die Genauigkeit der Ortsbestimmung bei Detektoren nach dem Stande der Technik, wobei gleichzeitig wesentlich geringere Einf allsenergier. nachgewiesen werden können.

Bei einem Detektor nach der Erfindung bewegen sich die Elektronen insbesondere im Innern der Mikrokanäle im Vakuum. Aus Gründen der übersichtlichen Darstellung ist in den Zeichnungen das Vakuumgefäß, in dem diese Fortbewegung stattfindet, nicht dargestellt. Derartige Vakuumgefäße sind nach dem Stande der Technik hergestel It und bestehen aus einem Material, welches für die einfallende Strahlung durchlässig ist.

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Claims

PATENTANWÄLTE

DlETPJCH LEWINSKY

HEÜVL'-3OACHiM HU3ER RE IHi; χ PSIETSCH

n: onchen 21

GOTTH A R DSTR. 81

13.5.1977 Thomson-CSF 9504-V/Ni

Patentansprüche:

1./Detektor mit räumlichem Auflösungsvermögen zum Nachweis ' ■—^ I

ionisierende:¹ Strahlung mit einem Halbleiterkörper und Mitteln* um in der ganzen Tiefe des Körpers zwischen seinen sich gegen-l überliegenden Oberflächen eine Raumladungszone zu erzeugen, i in der ein im wesentlichen zu den Oberflächen senkrechtes j

i elektrisches Feld herrscht, in dem die freien, auf der einen \ der beiden Oberflächen, ausgelöst durch die einfallende ionisierende Strahlung, erscheinenden Elektronen in Bewegung ver-

1 setzt werden, mit einem Kollektor auf der anderen der beiden j Oberflächen, mit dem die freien Elektronen aufgefangen werden, und mit Mitteln zur Bestimmung des Aufschlagortes der Elektro-{ nen auf dem Kollektor, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper ein Sekundäremissionsvermögen größer als Eins aufweist und daß er mit einem System aus zu den Oberflächen senkrechten Mikrokanälen durchzogen ist, die an derjenigen der beiden Oberflächen münden, an der die freien Elektronen erscheinen.

2. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die freien Elektronen durch direktes Auftreffen der ionisierenden Strahlung auf die Oberfläche des Halbleiters erzeugt werden.

3. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die freien Elektronen durch Auftreffen eines Elektronenbündels auf die Oberfläche erzeugt werden, wobei die anderen Elektronen von einem der ionisierenden Strahlung ausgesetzten Körper ausgesandt und in Richtung auf den Halbleiterkörper -2-

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durch eine angelegte Potentialdifferenz zwischen dem Körper und dem Halbleiterkörper beschleunigt werden.

H. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Erzeugung der Raumladungszone eine Oberflächenbarriere auf derjenigen Oberfläche des Halbleiters, auf der die freien Elektronen erscheinen, umfassen, wobei diese Oberfläche mit einer leitenden Schicht ausgestattet ist und eine Gleichspannungsquelle eine Potentialdifferenz zwischen beiden Flächen erzeugt.

5. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Erzeugung der Raumladungszone aus p-n-Mbergängen bestehen, die auf derjenigen Oberfläche des Halbleiterkörpers liegen, auf der die freien Elektronen erscheinen und daft Mittel zur Polarisierung der Übergänge vorhanden sind.

6. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrokanäle an ihrem jeweiligen anderen Ende geschlossen sind.

7. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrokanäle an der anderen der beiden Oberflächen münden.

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