Дозиметрические характеристики детекторов рентгеновского и гамма-излучения на основе (CdZnTe)
Исследовано влияние рентгеновского и гамма-излучения на рабочие характеристики детекторов из CdTe и CdZnTe. Кристаллы CdTe были получены традиционным методом Бриджмена, а CdZnTe — методом Бриджмена при высоком давлении инертного газа. Приведены счетные характеристики детекторов, дискретная чувствите...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Вопросы атомной науки и техники |
|---|---|
| Дата: | 2000 |
| Автори: | , , , , , , , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2000
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/78199 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Дозиметрические характеристики детекторов рентгеновского и гамма-излучения на основе (CdZnTe) / А.В. Рыбка, И.М. Прохорец, И.Н. Шляхов, А.А. Захарченко, А.А. Блинкин, Л.Н. Давыдов, М.А. Кузьмичев, Д.В. Кутний, А.Н. Оробинский, Н.И. Кравченко // Вопросы атомной науки и техники. — 2000. — № 4. — С. 208-211. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860055421187784704 |
|---|---|
| author | Рыбка, А.В. Прохорец, И.М. Шляхов, И.Н. Захарченко, А.А. Блинкин, А.А. Давыдов, Л.Н. Кузьмичев, М.А. Кутний, Д.В. Оробинский, А.Н. Кравченко, Н.И. |
| author_facet | Рыбка, А.В. Прохорец, И.М. Шляхов, И.Н. Захарченко, А.А. Блинкин, А.А. Давыдов, Л.Н. Кузьмичев, М.А. Кутний, Д.В. Оробинский, А.Н. Кравченко, Н.И. |
| citation_txt | Дозиметрические характеристики детекторов рентгеновского и гамма-излучения на основе (CdZnTe) / А.В. Рыбка, И.М. Прохорец, И.Н. Шляхов, А.А. Захарченко, А.А. Блинкин, Л.Н. Давыдов, М.А. Кузьмичев, Д.В. Кутний, А.Н. Оробинский, Н.И. Кравченко // Вопросы атомной науки и техники. — 2000. — № 4. — С. 208-211. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Вопросы атомной науки и техники |
| description | Исследовано влияние рентгеновского и гамма-излучения на рабочие характеристики детекторов из CdTe и CdZnTe. Кристаллы CdTe были получены традиционным методом Бриджмена, а CdZnTe — методом Бриджмена при высоком давлении инертного газа. Приведены счетные характеристики детекторов, дискретная чувствительность и ее зависимость от мощности излучения для источников ²⁴¹Am, ¹³⁷Cs и ⁶⁰Co. Для ¹³⁷Cs дискретная чувствительность составляет величину порядка 60 имп/мкР при мощности излучения до 1 Р/ч. Проведенные исследования показали, что расширение диапазона МЭД возможно при изменении рабочего объема детектора или уровня дискриминации сигнала.
|
| first_indexed | 2025-12-07T17:00:46Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 6221.039.564
ДОЗИМЕТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДЕТЕКТОРОВ
РЕНТГЕНОВСКОГО И ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ
НА ОСНОВЕ CdTe (CdZnTe)
А. В. Рыбка, И. М. Прохорец, И. Н. Шляхов, А.А. Захарченко,
А. А. Блинкин, Л. Н. Давыдов, М. А. Кузьмичев, Д. В. Кутний
ННЦ ХФТИ, 61108, г. Харьков, Академическая, 1
А. Н. Оробинский, Н. И. Кравченко
ХГНИИ метрологии, 61002, г. Харьков, Мироносицкая, 42
Исследовано влияние рентгеновского и гамма-излучения на рабочие характеристики детекторов из CdTe
и CdZnTe. Кристаллы CdTe были получены традиционным методом Бриджмена, а CdZnTe — методом Бри-
джмена при высоком давлении инертного газа. Приведены счетные характеристики детекторов, дискретная
чувствительность и ее зависимость от мощности излучения для источников 241Am, 137Cs и 60Co. Для 137Cs дис-
кретная чувствительность составляет величину порядка 60 имп/мкР при мощности излучения до 1 Р/ч. Про-
веденные исследования показали, что расширение диапазона МЭД возможно при изменении рабочего
объема детектора или уровня дискриминации сигнала.
ВВЕДЕНИЕ
Как известно, полупроводниковые детекторы
(ППД) обладают рядом преимуществ по сравне-
нию со сборками сцинтиллятор-ФЭУ и сцинтилля-
тор-фотодиод. Эти преимущества выражаются в
малых габаритах и весе, широком динамическом
диапазоне, более высоком квантовом выходе и на-
дежности в работе. Полупроводниковые детекторы
обладают большей радиационной стойкостью, луч-
шим энергетическим разрешением. В отличие от
детекторов на основе сцинтилляторов в них осуще-
ствляется прямое преобразование энергии ионизи-
рующего излучения в электрический сигнал. Полу-
проводниковые детекторы выгодно отличаются
также в сравнении с газовыми ионизационными
камерами. Из-за большой плотности вещества они
позволяют резко снизить объём, в котором под
действием излучения происходит образование за-
ряженных частиц. Кроме того, из-за меньшей, чем
в газах энергии образования электронно-дырочной
пары (несколько электронвольт против 30…50 эВ)
улучшается отношение сигнал/шум и энергетиче-
ское разрешение.
В последнее десятилетие резко возрос интерес
к применению широкозонных полупроводниковых
детекторов на основе соединений CdTe и CdZnTe в
различных устройствах для детектирования и спек-
троскопии рентгеновского и γ-излучения (см.,
например, материалы недавних конференций [1–
3]). Эти полупроводниковые соединения позволя-
ют получить детекторы небольшого объема, рабо-
тающие при комнатной температуре и обеспечива-
ющие высокую эффективность поглощения излу-
чения. Эти свойства обусловлены, прежде всего,
наличием широкой запрещенной зоны (1,5…2,2
эВ, в зависимости от концентрации Zn) и большим
средним атомным номером (Z = 50). Большая ши-
рина запрещенной зоны позволяет использовать
детекторы для работы при комнатной температуре,
а большое поперечное сечение фотоэффекта, кото-
рое ведет себя как ∼ Z5, обеспечивает высокую эф-
фективность регистрации рентгеновского и γ-излу-
чений.
Несмотря на большое число работ по исследо-
ванию физических свойств детекторов из CdTe и
CdZnTe, в литературе почти отсутствуют данные
по эксплуатационным характеристикам детекто-
ров, связанные с регистрацией излучений, по вос-
производимости и надежности измерений, хотя та-
кие публикации имеются по Si, Ge и сцинтилляци-
онным кристаллам [4].
Данная работа посвящена исследованию экс-
плуатационных характеристик детекторов из CdTe
и CdZnTe в широком диапазоне мощности экспо-
зиционных доз (МЭД) рентгеновского и γ-излуче-
ний применительно к задачам дозиметрии и радио-
метрии. Такие детекторы разработаны и изготовле-
ны в ННЦ ХФТИ и предназначены для использо-
вания в системах контроля безопасности АЭС, для
охраны и мониторинга окружающей среды и т.д.
Результаты большинства измерений получены в
процессе метрологической аттестации ППД, что
дополнительно свидетельствует о достоверности
полученной информации и надежности устройств.
МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ
Кристаллы CdTe получены традиционным ме-
тодом Бриджмена, а кристаллы CdZnTe — мето-
дом Бриджмена при высоком давлении инертного
газа (HPBM).
Технология изготовления детекторов включает
порезку слитков, шлифовку и полировку кристал-
лов, травление поверхности и нанесение омиче-
ских либо выпрямляющих контактов, пассивацию
боковой поверхности, размещение на подложке,
герметизацию корпуса.
208
Измерения, описываемые ниже, проводились
на планарных детекторах с размерами 2×5×5 мм
при комнатной температуре (контакты из Au были
сформированы на площадках 5×5мм.)
Для измерения токов утечки использовался
универсальный вольтметр типа В7-21 с ценой де-
ления 20 pA и источник питания с регулируемым
выходом.
Все измерения, если это не оговорено специ-
ально, выполнены в счетном режиме при помощи
стандартного тракта, состоящего из зарядочувстви-
тельного предварительного усилителя, формирую-
щего усилителя, интегрального дискриминатора,
пересчетного прибора и стабилизированного ис-
точника напряжения для питания детектора.
ХАРАКТЕРИСТИКИ ДЕТЕКТОРОВ
Характерные зависимости динамического со-
противления для СdТе и СdZnТe от напряжения
смещения представлены на рис. 1. Видно, что
СdZnТe обладает по сравнению с СdТе бoльшим
удельным сопротивлением ∼1011 Ом×см и, следова-
тельно, малыми токами утечки, что позволяет экс-
плуатировать детекторы СdZnТe рассматриваемой
геометрии при напряжениях до 300 В и более. Это,
с одной стороны, дает возможность снизить шумы
на входе предварительного усилителя, а с другой, –
увеличить длину свободного пробега носителей за-
ряда l E= µτ (µ — подвижность, τ — время
жизни носителей, Е — напряженность электриче-
ского поля в детекторе) и, следовательно, повы-
сить эффективность сбора заряда. В настоящей ра-
боте описывается работа детекторов в счетном и
токовом режимах. Вместе с тем, свойства кристал-
лов СdТе и СdZnТe позволяют их с успехом ис-
пользовать в спектрометрах рентгеновского и γ-из-
лучения, работающих при комнатной температуре
[6].
-300-200-1 00 0 1 00 2 00 300
1 0
7
1 0
8
1 0
9
1 0
1 0
1 0
1 1
1 0
1 2
CdZnTe
CdTe
U
b
, В
R
d
,
О
м
Рис.1. Характерная зависимость динамического
сопротивления от напряжения смещения для
СdТe и СdZnТe
На рис. 2 представлена счетная характеристика
детектора из CdTe, полученная с использованием
137Cs источника γ-излучения при уровне дискрими-
нации сигнала 50 мВ. Видно, что детектор работа-
ет как твердотельная ионизационная камера; кри-
вая характеризует зависимость эффективности
сбора заряда от приложенного напряжения. Диапа-
зон рабочих напряжений от 20 до 80 В.
0 20 40 60 80 100
0
200
400
600
800
1000 Cs-137
F,
Г
ц
Ub, В
Рис.2. Счетная характеристика CdTe детектора
ИЗМЕРЕНИЯ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ РАДИО-
АКТИВНЫХ ИСТОЧНИКОВ
Измерения под воздействием радиоактивных
источников 60Сo, 137Cs и 241Am проведены на рабо-
чем эталоне — поверочной гамма-дозиметриче-
ской установке УПГД-3В в рамках сертификацион-
ных испытаний детекторов ТХ201АП (из CdTe),
изготовленных по ТУ У 22651643.001-99.
На рис. 3, 4 и 5 представлены зависимости за-
грузки канала регистрации детекторов ТХ201АП
на основе CdTe от мощности экспозиционной дозы
для различных источников гамма-излучения.
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5
20
40
60
80
100
120
140
ТХ201АП, Am-241
F,
Г
ц
X0, мР/ч
Рис.3. Зависимость загрузки канала регистрации
от МЭД для 241Am
1 10 100 1000 10000
100
1000
10000
ТХ201АП, Cs-137
F,
Г
ц
X0, мР/ч
Рис.4. Зависимость загрузки канала регистрации
от МЭД для 137Cs
209
0 20 40 60 80 100 120
0
200
400
600
800
1000
1200
ТХ201АП, Co-60
F,
Г
ц
X0, мР/ч
Рис.5. Зависимость загрузки канала регистрации
от МЭД для 60Co
Как следует из рис. 3-5, при регистрации в счет-
ном режиме излучения от различных стандартных
источников загрузка канала линейно зависит от
МЭД, причем для 137Cs эта линейность сохраняется
вплоть до значений 1 Р/ч. Более того, при задан-
ном уровне дискриминации работоспособность ка-
нала регистрации сохраняется и при более высоких
МЭД (при 10 Р/ч отклонение от прямой составляет
∼ 50 %).
Дискретная чувствительность регистрации γ-из-
лучения для различных радионуклидов составляет:
для 241Am — 1,9⋅ 1010 имп/Зв (∼2⋅ 102 имп/мкР), для
137Cs — 6,0⋅ 109 имп/Зв (∼60 имп/мкР) и для 60Co —
3,9⋅ 109 имп/Зв (∼40 имп/мкР). Дискретная чув-
ствительность регистрации определялась при рабо-
чем напряжении на детекторе Uдт = 40 В, напряже-
нии дискриминации интегрального дискриминато-
ра Uпор = 50 мВ и коэффициенте преобразования
предусилителя не менее 15 мкВ/эВ.
Дискретную чувствительность канала регистра-
ции можно регулировать путем изменения рабоче-
го напряжения детектора, уровня дискриминации
(или усиления) сигнала в измерительном тракте, а
также подбором объема детектора. Это иллюстри-
руется зависимостями, приведенными на рис. 6.
0,1 1 10 100 1000 10000
0,1
1
10
55 мВ
123 мВ
δ γ,
им
п/
м
кР
X0, мР/ч
Рис 6. Зависимость дискретной чувствительно-
сти детектора из СdТе от МЭД при различных
уровнях дискриминации (137Cs)
С учетом приведенных выше результатов был
разработан и изготовлен широкодиапазонный блок
детектирования γ-излучения, состоящий из детек-
тора из CdTe, специально спроектированного и
изготовленного зарядочувствительного предвари-
тельного усилителя, сигналы с которого подава-
лись на встроенный интегральный дискриминатор
и регистрировались пересчетным прибором. Даль-
нейшие исследования детектора из CdTe в составе
широкодиапазонного блока детектирования были
проведены на установке дозиметрической повероч-
ной ЭТАЛОН-1М с источником излучения 60Co.
Зависимость дискретной чувствительности канала
регистрации от дозы представлена на рис. 7. При
этом порог дискриминации тракта обработки сиг-
нала составлял 150 кэВ, напряжение смещения
40 В.
Рис. 7. Зависимость дискретной чувствительно-
сти канала регистрации от МЭД для 60Co
На рис. 8 показана зависимость загрузки канала
регистрации от мощности дозы. Видно, что линей-
ность характеристик при регистрации сохраняется
вплоть до исследованной МЭД в 1 Р/ч при загрузке
канала регистрации 5000 с–1.
Рис. 8. Зависимость загрузки канала регистрации
от МЭД для 60Co
Измерения на установке с источником большей
мощности (60Co, 10000 Р/час) проводились с тем
же измерительным трактом, но с более высоким
порогом дискриминации (∼ 200 кэВ). Результаты
представлены на рис. 9 и 10.
Загиб характеристик, наблюдаемый на рис. 10
при больших мощностях экспозиционной дозы
свидетельствует о том, что мертвое время измери-
тельного тракта оказывается соизмеримым с
обратной скоростью счета. Стандартным решени-
ем проблемы нелинейности загрузки канала реги-
страции при высоких дозах является переход к то-
ковому режиму работы детектора.
210
Рис. 9. Зависимость загрузки канала регистрации
от МЭД для 60Co
Рис. 10. Зависимость загрузки канала регистра-
ции от МЭД для 60Co (CdTe 1×1×1 мм3, дискрими-
нация сигнала)
Нами проведены предварительные измерения
зависимости сигнала CdTe и CdZnTe детекторов в
токовом режиме от мощности экспозиционной
дозы для рентгеновского излучения большой ин-
тенсивности. Полученные данные свидетельствуют
о линейности этой зависимости до МЭД в несколь-
ко тысяч рентген в час.
ВЫВОДЫ
Современная технология изготовления и обра-
ботки кристаллов CdTe и CdZnTe позволяет созда-
вать чувствительные полупроводниковые детекто-
ры, работающие при комнатной температуре. Та-
кие детекторы как счетчики, так и спектрометры
изготавливаются в ННЦ ХФТИ. Приведенные экс-
плуатационные характеристики детекторов, рабо-
тающих в счетном и токовом режимах (эти харак-
теристики частью получены при сертификацион-
ных метрологических испытаниях), свидетельству-
ют, что такие детекторы могут успешно приме-
няться в современных устройствах регистрации и
измерения гамма-излучения. Имея меньшие разме-
ры и массу, они обладают более высокой дискрет-
ной чувствительностью (составляющей 200
имп/мкР для энергии 662 кэВ и объема детектора
50 мм3), чем детекторы на основе сцинтилляторов.
Линейная зависимость загрузки счетного канала
регистрации от мощности экспозиционной дозы
сохраняется вплоть до 1 Р/ч. При этом загрузка ка-
нала регистрации составляет 5000 с–1.
ЛИТЕРАТУРА
1. 17-th US Workshop on the Physics and Chemistry
of II-VI Materials, Charleston, SC, Oct 20-22,
1998// Journal of Electronic Materials. 1999,
v. 28, no. 6.
2. 1998 Nuclear Science Symposium, Toronto, Cana-
da, Nov 8-14, 1998// IEEE Transactions on
Nuclear Science, 1999, v. NS-46, no. 3.
3. The 11-th International Workshop on Room Tem-
perature Semiconductor X- and Gamma-Ray
Detectors and Associated Electronics, Vienna,
Austria, October 11-15, 1999.
4. Л.В. Атрощенко и др. Кристаллы сцинтилля-
торов и детекторы ионизирующего излуче-
ния на их основе. Киев: «Наукова думка»,
1998.
5. J.C. Lund, R.Olsen, J.M.Van Scyoc and R.B.
James. The Use of Pulse Processing
Techniques to Improve the Performance of Cd1-
xZnxTe Gamma-Ray Spectrometers // IEEE
Transactions on Nuclear Science, 1996, v. NS-
43, p. 1411-1416.
211
Дозиметрические характеристики детекторов
рентгеновского и гамма-излучения
на основе CdTe (CdZnTe)
ВВЕДЕНИЕ
МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ
ХАРАКТЕРИСТИКИ ДЕТЕКТОРОВ
ИЗМЕРЕНИЯ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ РАДИОАКТИВНЫХ ИСТОЧНИКОВ
ВЫВОДЫ
ЛИТЕРАТУРА
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-78199 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1562-6016 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T17:00:46Z |
| publishDate | 2000 |
| publisher | Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Рыбка, А.В. Прохорец, И.М. Шляхов, И.Н. Захарченко, А.А. Блинкин, А.А. Давыдов, Л.Н. Кузьмичев, М.А. Кутний, Д.В. Оробинский, А.Н. Кравченко, Н.И. 2015-03-12T19:22:15Z 2015-03-12T19:22:15Z 2000 Дозиметрические характеристики детекторов рентгеновского и гамма-излучения на основе (CdZnTe) / А.В. Рыбка, И.М. Прохорец, И.Н. Шляхов, А.А. Захарченко, А.А. Блинкин, Л.Н. Давыдов, М.А. Кузьмичев, Д.В. Кутний, А.Н. Оробинский, Н.И. Кравченко // Вопросы атомной науки и техники. — 2000. — № 4. — С. 208-211. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. 1562-6016 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/78199 6221.039.564 Исследовано влияние рентгеновского и гамма-излучения на рабочие характеристики детекторов из CdTe и CdZnTe. Кристаллы CdTe были получены традиционным методом Бриджмена, а CdZnTe — методом Бриджмена при высоком давлении инертного газа. Приведены счетные характеристики детекторов, дискретная чувствительность и ее зависимость от мощности излучения для источников ²⁴¹Am, ¹³⁷Cs и ⁶⁰Co. Для ¹³⁷Cs дискретная чувствительность составляет величину порядка 60 имп/мкР при мощности излучения до 1 Р/ч. Проведенные исследования показали, что расширение диапазона МЭД возможно при изменении рабочего объема детектора или уровня дискриминации сигнала. ru Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Облучательная техника, ядерно-физические методы исследования структуры и свойств твердых тел Дозиметрические характеристики детекторов рентгеновского и гамма-излучения на основе (CdZnTe) Article published earlier |
| spellingShingle | Дозиметрические характеристики детекторов рентгеновского и гамма-излучения на основе (CdZnTe) Рыбка, А.В. Прохорец, И.М. Шляхов, И.Н. Захарченко, А.А. Блинкин, А.А. Давыдов, Л.Н. Кузьмичев, М.А. Кутний, Д.В. Оробинский, А.Н. Кравченко, Н.И. Облучательная техника, ядерно-физические методы исследования структуры и свойств твердых тел |
| title | Дозиметрические характеристики детекторов рентгеновского и гамма-излучения на основе (CdZnTe) |
| title_full | Дозиметрические характеристики детекторов рентгеновского и гамма-излучения на основе (CdZnTe) |
| title_fullStr | Дозиметрические характеристики детекторов рентгеновского и гамма-излучения на основе (CdZnTe) |
| title_full_unstemmed | Дозиметрические характеристики детекторов рентгеновского и гамма-излучения на основе (CdZnTe) |
| title_short | Дозиметрические характеристики детекторов рентгеновского и гамма-излучения на основе (CdZnTe) |
| title_sort | дозиметрические характеристики детекторов рентгеновского и гамма-излучения на основе (cdznte) |
| topic | Облучательная техника, ядерно-физические методы исследования структуры и свойств твердых тел |
| topic_facet | Облучательная техника, ядерно-физические методы исследования структуры и свойств твердых тел |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/78199 |
| work_keys_str_mv | AT rybkaav dozimetričeskieharakteristikidetektorovrentgenovskogoigammaizlučeniânaosnovecdznte AT prohorecim dozimetričeskieharakteristikidetektorovrentgenovskogoigammaizlučeniânaosnovecdznte AT šlâhovin dozimetričeskieharakteristikidetektorovrentgenovskogoigammaizlučeniânaosnovecdznte AT zaharčenkoaa dozimetričeskieharakteristikidetektorovrentgenovskogoigammaizlučeniânaosnovecdznte AT blinkinaa dozimetričeskieharakteristikidetektorovrentgenovskogoigammaizlučeniânaosnovecdznte AT davydovln dozimetričeskieharakteristikidetektorovrentgenovskogoigammaizlučeniânaosnovecdznte AT kuzʹmičevma dozimetričeskieharakteristikidetektorovrentgenovskogoigammaizlučeniânaosnovecdznte AT kutniidv dozimetričeskieharakteristikidetektorovrentgenovskogoigammaizlučeniânaosnovecdznte AT orobinskiian dozimetričeskieharakteristikidetektorovrentgenovskogoigammaizlučeniânaosnovecdznte AT kravčenkoni dozimetričeskieharakteristikidetektorovrentgenovskogoigammaizlučeniânaosnovecdznte |