Исследование радиационной стойкости детекторов ионизирующих излучений на основе CdTe и CdZnTe
В полупроводниковых детекторах ионизирующих излучений в процессе их эксплуатации создаются радиационные повреждения, которые ухудшают свойства приборов и могут вывести их из строя. В спектрометрах ухудшается энергетическое разрешение, увеличивается ток утечки, положение фотопика сдвигается в сторону...
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/123456789/78200 |
| 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: | Исследование радиационной стойкости детекторов ионизирующих излучений на основе CdTe и CdZnTe / В.Е. Кутний, А.В. Рыбка, И.М. Прохорец, Л.Н. Давыдов, А.С. Абызов, А.Н. Довбня, С.П. Карасев, В.Л. Уваров, И.Н. Шляхов // Вопросы атомной науки и техники. — 2000. — № 4. — С. 212-214. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859631947923324928 |
|---|---|
| author | Кутний, В.Е. Рыбка, А.В. Прохорец, И.М. Давыдов, Л.Н. Абызов, А.С. Довбня, А.Н. Карасев, С.П. Уваров, В.Л. Шляхов, И.Н. |
| author_facet | Кутний, В.Е. Рыбка, А.В. Прохорец, И.М. Давыдов, Л.Н. Абызов, А.С. Довбня, А.Н. Карасев, С.П. Уваров, В.Л. Шляхов, И.Н. |
| citation_txt | Исследование радиационной стойкости детекторов ионизирующих излучений на основе CdTe и CdZnTe / В.Е. Кутний, А.В. Рыбка, И.М. Прохорец, Л.Н. Давыдов, А.С. Абызов, А.Н. Довбня, С.П. Карасев, В.Л. Уваров, И.Н. Шляхов // Вопросы атомной науки и техники. — 2000. — № 4. — С. 212-214. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Вопросы атомной науки и техники |
| description | В полупроводниковых детекторах ионизирующих излучений в процессе их эксплуатации создаются радиационные повреждения, которые ухудшают свойства приборов и могут вывести их из строя. В спектрометрах ухудшается энергетическое разрешение, увеличивается ток утечки, положение фотопика сдвигается в сторону меньших значений энергии. В дозиметрах деградируют их счетные характеристики. Основной целью настоящего исследования было определение радиационного ресурса дозиметрических детекторов из CdTe и CdZnTe. Для испытаний были отобраны детекторы из CdTe и CdZnTe, не обладавшие спектрометрическими свойствами и использовавшиеся в дозиметрическом режиме. Получены зависимости счетных характеристик детекторов от величины поглощенной дозы. В частности, обнаружено, что CdZnTe сохраняет чувствительность к регистрации гамма-излучения в счетном режиме до значения поглощенной дозы 75 Мрад, в то время как радиационная деградация детекторов из CdTe наблюдается при меньших дозах (20 Мрад).
|
| first_indexed | 2025-12-07T13:12:30Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 621.039.564
ИССЛЕДОВАНИЕ РАДИАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ ДЕТЕКТОРОВ
ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ НА ОСНОВЕ CdTe И CdZnTe
В. Е. Кутний, А. В. Рыбка, И. М. Прохорец, Л. Н. Давыдов, А. С. Абызов,
А. Н. Довбня, С. П. Карасев, В. Л. Уваров, И. Н. Шляхов
ННЦ ХФТИ, 61108, г.Харьков, Академическая, 1
В полупроводниковых детекторах ионизирующих излучений в процессе их эксплуатации создаются ра-
диационные повреждения, которые ухудшают свойства приборов и могут вывести их из строя. В спектро-
метрах ухудшается энергетическое разрешение, увеличивается ток утечки, положение фотопика сдвигается в
сторону меньших значений энергии. В дозиметрах деградируют их счетные характеристики. Основной це-
лью настоящего исследования было определение радиационного ресурса дозиметрических детекторов из
CdTe и CdZnTe. Для испытаний были отобраны детекторы из CdTe и CdZnTe, не обладавшие спектрометри-
ческими свойствами и использовавшиеся в дозиметрическом режиме. Получены зависимости счетных харак-
теристик детекторов от величины поглощенной дозы. В частности, обнаружено, что CdZnTe сохраняет чув-
ствительность к регистрации гамма-излучения в счетном режиме до значения поглощенной дозы 75 Мрад, в
то время как радиационная деградация детекторов из CdTe наблюдается при меньших дозах (20 Мрад).
Твердотельные полупроводниковые детекторы
ионизирующих излучений по своему предназначе-
нию эксплуатируются в условиях, когда в них созда-
ются радиационные повреждения. С точки зрения
электронной структуры, облучение рентгеновскими
и гамма-квантами приводит к изменению заселенно-
сти или появлению новых глубоких уровней в запре-
щенной зоне полупроводника, что приводит к
уменьшению времени жизни носителей заряда и от-
ражается на проводимости полупроводника. В полу-
проводниковых гамма-спектрометрах радиационные
повреждения функционально вызывают ухудшение
разрешения по энергии, увеличение тока утечки и
сдвиг положения пика в сторону меньших значений
энергии. В полупроводниковых детекторах-радио-
метрах происходит ухудшение счетных характери-
стик. Кроме того, в зависимости от химического со-
става полупроводника может происходить активация
вещества в результате ядерных реакций под воздей-
ствием нейтронов и гамма-квантов.
Поэтому крайне важно знать радиационный ре-
сурс полупроводниковых детекторов рентгеновского
и гамма-излучения, в частности, детекторов на осно-
ве широкозонных соединений CdTe и CdZnTe, рабо-
тающих при комнатной температуре. Интерес к этим
полупроводниковым материалам в последнее время
необычайно вырос (см., например, [1,2,3]). Однако
имеющиеся литературные данные не дают возмож-
ность составить полную картину процессов, проис-
ходящих при облучении полупроводниковых детек-
торов. В тех немногих исследованиях, которые по-
священы радиационным повреждениям в детекто-
рах, работающих при комнатной температуре,
основное внимание уделено воздействию тяжелых
заряженных частиц (протоны, α-частицы) и нейтро-
нов [4,5]. Облучение CdTe и CdZnTe гамма-кванта-
ми исследовалось в работах [6,7], причем изучалось
влияние облучения на спектрометрические характе-
ристики детекторов. Было установлено [7], что при
малых дозах основной эффект облучения заключал-
ся в уменьшении времени жизни носителей. При
больших дозах наблюдаемое увеличение концентра-
ции ряда глубоких центров захвата декомпенсирова-
ло материал и увеличивало концентрацию свобод-
ных носителей. Оказалось, что оба материала прак-
тически нечувствительны к дозам до 10 кГр. Суще-
ственное ухудшение спектрометрических свойств
(размывание или исчезновение фотопика) как в
Cd0,9Zn0,1Te, так и в CdTe наблюдалось при дозах
30 кГр. Деградация спектрометрических свойств
Cd0,9Zn0,1Te происходила пороговым образом, а CdTe
— постепенно с набором дозы.
Рис.1. Схема радиационной обработки: 1 – конвер-
тер тормозного излучения; 2 – экран из свинца тол-
щиной 5 мм; 3 – дозиметр
Хорошо известно, что для спектрометров приме-
няются более совершенные кристаллы, чем для де-
текторов, работающих в дозиметрическом (счетном)
режиме. Можно было предполагать, что последние
окажутся менее чувствительны к облучению. Поэто-
му основной целью настоящего исследования было
определение радиационного ресурса дозиметриче-
ских детекторов из CdTe и CdZnTe, т.е. величины
поглощенной дозы гамма-излучения, при которой
метрологические (счетные) характеристики детекто-
ра неприемлемо изменяются.
Для испытаний были отобраны образцы разме-
ром 5×5×2 мм из CdTe, полученные методом Бри-
джмена при низком давлении газа, и CdZnTe, полу-
212
ченные методом Бриджмена при высоком давлении
газа, вырезанные из одного монокристалла каждого
типа соответственно. Еще раз подчеркнем, что об-
разцы не обладали спектрометрическими свойства-
ми (выделенный фотопик отсутствовал) и предна-
значались для использования в дозиметрическом ре-
жиме (для счета импульсов).
Радиационная обработка образцов проводилась
в поле тормозного излучения ускорителя КУТ [8], рабо-
тавшего в режиме со следующими параметрами:
Вероятное значение энергии электронов 11
МэВ
Среднее значение тока пучка 430 мкА
Частота сканирования пучка 3 Гц
Ширина зоны сканирования пучка 40 см
Для определения мощности поглощенной дозы
тормозного излучения были использованы промыш-
ленные дозиметры, схема размещения которых при-
ведена на рис.1.
Полученное в результате измерений значение
мощности поглощенной в образцах дозы тормозного
излучения составляло 7,5 Мрад/ч (75 кГр/ч) при ве-
личине ее неравномерности вдоль развертки пучка
не более 8% и погрешности измерения мощности
дозы не более 15%.
После калибровки поля излучения в местах раз-
мещения дозиметров были установлены упакован-
ные в полиэтиленовую пленку образцы. По достиже-
нии заданного значения дозы пары образцов (CdTe и
CdZnTe) извлекались из зоны облучения и направля-
лись на исследование.
Величина дозы D, полученной образцом в про-
цессе радиационной обработки, определялась по
формуле
D=DkQ/Qk,
где Dk — величина дозы, измеренная по дозимет-
ру в процессе калибровки поля излучения; Qk — со-
ответствующий ей заряд пучка ускорителя; Q — за-
ряд пучка за время обработки образца. Величина за-
ряда Q устанавливалась путем интегрирования им-
пульсов тока пучка, регистрируемых при помощи
прозрачного магнитоиндукционого преобразователя.
Погрешность измерения величины поглощенной
дозы при этом не превышает 20%.
В процессе облучения все элементы охлаждались
оборотной водой, причем температура дозиметров
не превышала 40°С.
Проведенное исследование образцов непосред-
ственно после окончания облучения показало на-
личие у них значительной интенсивности наведенно-
го излучения (темновой скорости счета). Для анали-
за его природы были измерены спектры γ-излучения
облученных образцов с помощью аналогичных CdTe
детекторов, обладающих спектрометрическими
свойствами, и той же схемы измерений. На рис. 2а и
2б приведены спектры, измеренные таким образом
через 30 мин после облучения образцов дозой
150 кГр.
Наблюдаемые на спектрах наведенной активно-
сти образцов два пика с энергиями Еγ ≈ 146 и
244 кэВ можно объяснить активацией изотопа 112Cd,
содержание которого в природном Cd составляет
24,13%, по реакции 112Cd(γ,n)111mCd. В пользу этого
предположения свидетельствует энергия излучае-
мых фотонов, а также отношение интенсивности
фотопиков и постоянная времени распада (48 мин).
Рис.2а. Спектры наведенной активности облучен-
ного образца CdTe, время измерений состави-
ло 174 с, число счетов – 9417
Рис.2á. Спектры наведенной активности облучен-
ного образца CdZnTe, время измерений 126 с, число
счетов 8083
Для исследования радиационной стойкости де-
текторов была измерена по методике, описанной
в [9], зависимость их счетной характеристики от ве-
личины поглощенной дозы, т.е. чувствительность по
отношению к стандартному источнику излучения
137Cs. На рис.3а и 3б приведены зависимости счет-
ных характеристик образцов от величины получен-
ной ими дозы D (по оси ординат отложено отноше-
ние скорости счета N(D) к скорости счета N0 для
необлученного детектора).
Анализ дозовых зависимостей счетных характе-
ристик кристаллов показывает, что CdZnTe сохраня-
ет приемлемую чувствительность до значения
поглощенной дозы ≈ 800 кГр (8⋅107 рад), в то время
как радиационная деградация образцов из CdTe
происходит при существенно меньших дозах
≈ 200 кГр (2⋅107 рад). Однако, это значение радиаци-
онной стойкости CdTe на 2 порядка выше величины,
полученной авторами работы [10].
Как и ожидалось, предельные допустимые дозы
213
для дозиметрических детекторов оказываются зна-
чительно выше, чем для спектрометрических [7].
Как и в [7], деградация CdTe начинается с меньших
доз, чем CdZnTe. Однако полученные нами предель-
ные значения доз для CdTe и CdZnTe значительно
отличаются (соответственно 150 и 500 кГр), в то
время, как в [7] они почти совпадали (30 кГр).
Рис.3а. Дозовая зависимость счетной характери-
стики детектора CdTe
Рис.3б. Дозовая зависимость счетной характери-
стики детектора CdZnTe
Полученные в результате проведенных радиаци-
онных испытаний данные, в частности, показывают
что полупроводниковые детекторы-дозиметры на
основе CdZnTe могут успешно применяться в усло-
виях значений мощности экспозиционной дозы до
20 Зв/ч с ожидаемым ресурсом эксплуатации не ме-
нее 10 лет.
Следует особо подчеркнуть, что реальный ресурс
эксплуатации детекторов может оказаться выше
прогнозируемого, так как в условиях имитации ра-
диационных повреждений, имевших место при ис-
пытаниях, не успевали проявляться механизмы от-
жига дефектов, которые возможны в условиях уме-
ренных, но более длительных радиационных нагру-
зок.
ЛИТЕРАТУРА
1. Symposium on Growth, Characterisation and Applica-
tions of Bulk II-VI Semiconductors, Strasbourg, France,
June 16-18, 1998, "Growth, Characterisation and Appli-
cations of Bulk II-VI Semiconductors", 1999, v. 78, Tri-
boulet R, Ed. Amsterdam: Elsevier Science Publ. (Se-
ries: European Materials Research Society Symposia-
Proceedings, v. 78).
2. 7-th International Conference on Solid State Detec-
tors, Nara, Japan Dec. 4-6, 1998// Nuclear In-
struments & Methods A, 1999, v. 436, no. 1-2.
3. The 11-th International Workshop on Room Tem-
perature Semiconductor X- and Gamma-Ray De-
tectors and Associated Electronics, Vienna, Aus-
tria, October 11-15, 1999.
4. L.A. Franks, B.A. Brunett, R.W. Olsen et al.// Nucl.
Instr. And Meth. A, 1999, v. 428, p.95.
5. K. Hitomi, T. Shoji, T. Suehiro and Y. Hiratate. Ra-
diation Damage effects by 25 Mev protons and
thermal annealing effects on thallium bromide
nuclear radiation detectors // IEEE Trans. Nu-
cl.Sci., 1999. v.NS-46, p.213-217.
6. P. Chirco, M. Zanarini, E. Querzola, G. Zambelli,
W. Dusi, E. Caroli, A. Cavallini, B. Fraboni,
P. Siffert and M. Hage Ali // Mat Res. Soc.
Symp. Proc.Series, 1998, v. 487, p.293,
7. A. Cavallini, B. Fraboni, P. Chirco, M.P. Morigi,
M. Zanarini, N. Auricchio, E. Caroli, E. Querzo-
la, G. Zambelli, W. Dusi, P. Fougeres, M. Hage
Ali and P. Siffert. Electronic properties of traps
induced by γ-irradiation in CdTe and CdZnTe de-
tectors. (see, [3])
8. N.I. Ayzatsky et al. KUT – Industrial Technological
Accelerator // Труды XIV Совещания по уско-
рителям заряженных частиц. Протвино,
октябрь 1994, Т. 4, с. 259-263.
9. В.Е. Кутний, А.Н. Довбня, С.П. Карасев и др. Ис-
следование спектрометрических характери-
стик монокристаллов CdTe // Вопросы атом-
ной науки и техники. Серия: Ядерно-физиче-
ские исследования, 1997, вып. 4,5 (31,32),
с.90-91.
10. T. Shoji, T. Taguchi, Y. Hiratate, Y. Inuishi // IEEE
Trans. Nucl. Sci. 1979, v. NS-26 (1), p. 316.
11.
214
Исследование радиационной стойкости детекторов ионизирующих излучений на основе CdTe и CdZnTe
ЛИТЕРАТУРА
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-78200 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1562-6016 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T13:12:30Z |
| publishDate | 2000 |
| publisher | Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Кутний, В.Е. Рыбка, А.В. Прохорец, И.М. Давыдов, Л.Н. Абызов, А.С. Довбня, А.Н. Карасев, С.П. Уваров, В.Л. Шляхов, И.Н. 2015-03-12T19:23:17Z 2015-03-12T19:23:17Z 2000 Исследование радиационной стойкости детекторов ионизирующих излучений на основе CdTe и CdZnTe / В.Е. Кутний, А.В. Рыбка, И.М. Прохорец, Л.Н. Давыдов, А.С. Абызов, А.Н. Довбня, С.П. Карасев, В.Л. Уваров, И.Н. Шляхов // Вопросы атомной науки и техники. — 2000. — № 4. — С. 212-214. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. 1562-6016 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/78200 621.039.564 В полупроводниковых детекторах ионизирующих излучений в процессе их эксплуатации создаются радиационные повреждения, которые ухудшают свойства приборов и могут вывести их из строя. В спектрометрах ухудшается энергетическое разрешение, увеличивается ток утечки, положение фотопика сдвигается в сторону меньших значений энергии. В дозиметрах деградируют их счетные характеристики. Основной целью настоящего исследования было определение радиационного ресурса дозиметрических детекторов из CdTe и CdZnTe. Для испытаний были отобраны детекторы из CdTe и CdZnTe, не обладавшие спектрометрическими свойствами и использовавшиеся в дозиметрическом режиме. Получены зависимости счетных характеристик детекторов от величины поглощенной дозы. В частности, обнаружено, что CdZnTe сохраняет чувствительность к регистрации гамма-излучения в счетном режиме до значения поглощенной дозы 75 Мрад, в то время как радиационная деградация детекторов из CdTe наблюдается при меньших дозах (20 Мрад). 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 Исследование радиационной стойкости детекторов ионизирующих излучений на основе CdTe и CdZnTe Article published earlier |
| spellingShingle | Исследование радиационной стойкости детекторов ионизирующих излучений на основе CdTe и CdZnTe Кутний, В.Е. Рыбка, А.В. Прохорец, И.М. Давыдов, Л.Н. Абызов, А.С. Довбня, А.Н. Карасев, С.П. Уваров, В.Л. Шляхов, И.Н. Облучательная техника, ядерно-физические методы исследования структуры и свойств твердых тел |
| title | Исследование радиационной стойкости детекторов ионизирующих излучений на основе CdTe и CdZnTe |
| title_full | Исследование радиационной стойкости детекторов ионизирующих излучений на основе CdTe и CdZnTe |
| title_fullStr | Исследование радиационной стойкости детекторов ионизирующих излучений на основе CdTe и CdZnTe |
| title_full_unstemmed | Исследование радиационной стойкости детекторов ионизирующих излучений на основе CdTe и CdZnTe |
| title_short | Исследование радиационной стойкости детекторов ионизирующих излучений на основе CdTe и CdZnTe |
| title_sort | исследование радиационной стойкости детекторов ионизирующих излучений на основе cdte и 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/123456789/78200 |
| work_keys_str_mv | AT kutniive issledovanieradiacionnoistoikostidetektorovioniziruûŝihizlučeniinaosnovecdteicdznte AT rybkaav issledovanieradiacionnoistoikostidetektorovioniziruûŝihizlučeniinaosnovecdteicdznte AT prohorecim issledovanieradiacionnoistoikostidetektorovioniziruûŝihizlučeniinaosnovecdteicdznte AT davydovln issledovanieradiacionnoistoikostidetektorovioniziruûŝihizlučeniinaosnovecdteicdznte AT abyzovas issledovanieradiacionnoistoikostidetektorovioniziruûŝihizlučeniinaosnovecdteicdznte AT dovbnâan issledovanieradiacionnoistoikostidetektorovioniziruûŝihizlučeniinaosnovecdteicdznte AT karasevsp issledovanieradiacionnoistoikostidetektorovioniziruûŝihizlučeniinaosnovecdteicdznte AT uvarovvl issledovanieradiacionnoistoikostidetektorovioniziruûŝihizlučeniinaosnovecdteicdznte AT šlâhovin issledovanieradiacionnoistoikostidetektorovioniziruûŝihizlučeniinaosnovecdteicdznte |