Моделювання дозиметричних властивостей детекторів гамма-випромінювання на основі високоомних напівпровідників

Размещено на http://allbest.ru

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Моделювання дозиметричних властивостей детекторів гамма-випромінювання на основі високоомних напівпровідників

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

напівпровідниковий випромінювання детектор

Актуальність теми. Зростаюча роль атомної енергетики в економіці України та швидкий розвиток технологій радіаційної (променевої) діагностики і терапії виводять задачу забезпечення радіаційної безпеки людини і навколишнього середовища в розряд головних пріоритетів. Для реалізації принципу оптимізації ризиків радіаційного опромінення ALARA (зменшення дози опромінення настільки, наскільки це можливо - as low as reasonably achievable - див. Publication 26 Міжнародної комісії з радіологічного захисту) перш за все необхідне отримання достовірної інформації про характеристики джерел випромінювання, на основі якої можливо визначити характер впливу радіаційних полів на біологічні об'єкти.

Жорсткість дозиметричних вимог визначає актуальність завдань розробки високоточних пристроїв контролю потужності дози випромінювання в медичних установках і приладів радіаційного моніторингу, як однієї з складових системи екологічної безпеки та систем радіаційного контролю АЕС. Детектори с-випромінювання на основі високочистих напівпровідникових сполук (CdTe, CdZnTe, HgI₂ та ін.), для яких характерний великий питомий опір (більш ніж 10⁹ ОмЧсм), в значній мірі відповідають сучасним вимогам до дозиметричних пристроїв. Однак, розробка дозиметричних приладів на базі високоомних детекторів утруднена внаслідок сильної залежності їх чутливості від енергії с-випромінювання, що викликає значну додаткову похибку вимірювань дози. Існуючі методи зменшення додаткової похибки приводять до пониження більш ніж на порядок чутливості детекторів в області енергій менше ніж 200 кеВ.

Для розробки методів вимірювання дози випромінювання без втрати чутливості необхідний детальний аналіз відгуку детектора. Можливості аналітичних методів розрахунку характеристик детекторів с-випромінювання виявляються в значній мірі обмеженими внаслідок імовірнісного характеру взаємодії с-квантів з речовиною та процесів утворення і збирання нерівноважного заряду. Експериментальні дослідження, вимагаючи значного часу, матеріального та фінансового забезпечення, можуть не виявити всі особливості відгуку детекторів. Математичне моделювання в поєднанні з експериментальними вимірюваннями, які характеризують ключові особливості досліджуваних об'єктів, є оптимальним методом вивчення дозиметричних властивостей детекторів с-випромінювання і встановлення зв'язку між параметрами фізичних процесів, що відбуваються в детекторах, та дозовими характеристиками радіаційних полів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана в Національному науковому центрі «Харківський фізико-технічний інститут». Тема, якій присвячена дисертація, пов'язана з наступними програмами і темами досліджень, у виконанні яких автор приймав безпосередню участь: багатогалузева науково-технічна програма «Програма проведення фундаментальних досліджень по атомній науці і техніці ННЦ ХФТІ на 2001-2005год, що виконувалась за розпорядженням КМУ від 13.09.2001. № 421-р., № держреєстрації 080901UP0009; державна науково-технічна програма «Ресурс-2004», НАНУ, тема «Розробка та створення сенсорних приладів широкого спектру дії для радіаційного та ядерного технологічного контролю в системі АЕС на основі радіаційно-стійких напівпровідникових сенсорів із CdTe, CdZnTe та штучних алмазних плівок», № держреєстрації 0104U007429; відомче замовлення НАН України на проведення наукових досліджень з атомної науки і техніки ННЦ ХФТІ на 2005-2010 р.р., що виконується за постановою Бюро відділення ядерної фізики і енергетики НАН України від 13.06.2005 р., тема «Фундаментальні дослідження структури, електронних, магнітних і пружних властивостей металевих, оксидних і напівпровідникових матеріалів з особливими фізичними характеристиками, що необхідні для створення нових приладів і систем ядерної фізики, атомної і термоядерної енергетики та інших галузей сучасної техніки», № держреєстрації 080906UP0010; цільова комплексна програма наукових досліджень НАН України «Ресурс 2007-2009», тема «Контроль ресурсу оболонок ТВЕлів за наявності реперних радіонуклідів у теплоносії першого контуру реакторів ВВЕР АЕС», № держреєстрації 0104U007429.

Мета і и задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є встановлення методами комп'ютерного моделювання зв'язку дозових характеристик радіаційних полів з параметрами фізичних процесів, які відбуваються в високоомних напівпровідникових детекторах при взаємодії з с-випромінюванням, та розробка методу вимірювання дози с-випромінювання на основі аналізу амплітудних розподілень імпульсів заряду детекторів.

Об'єкт дослідження - детектори іонізуючих випромінювань на основі високоомних напівпровідникових сполук CdTe, CdZnTe, HgI₂.

Предмет дослідження - процеси формування електричного сигналу в напівпровідникових детекторах при переносі та поглинанні с-випромінювання.

Мета роботи визначає наступні задачі дослідження:

- аналіз фізичних процесів, що відбуваються в високоомних напівпровідникових детекторах при утворенні та збиранні нерівноважного заряду, і виділення внеску різних ефектів в амплітуду імпульсу заряду детектора;

- розробка фізичної та математичної моделей процесів, що відбуваються в напівпровідникових детекторах г-випромінювання на основі матеріалів з високим питомим опором, і співставлення даних, що отримані при моделюванні характеристик CdTe (CdZnTe) детекторів, з результатами експериментальних досліджень;

- розробка методики відновлення функцій відгуку високоомних детекторів у діапазоні енергій с-квантів від ~10 кеВ до 3 МеВ за наявності значних рівнів теплових шумів і флуктуацій збирання заряду та її верифікація для CdTe і CdZnTe;

- дослідження впливу шумів на чутливість CdTe (CdZnTe) детекторів, що працюють в режимі вимірювання амплітуди імпульсів, та визначення граничних рівнів шумів для дозиметричних вимірювань з використанням розподілень амплітуд у всьому діапазоні енергій с-квантів, що реєструються;

- розробка методу визначення параметрів переносу носіїв заряду в дозиметричних детекторах с-випромінювання без порушення їх працездатності;

- імітаційне моделювання характеристик CdTe (CdZnTe) детекторів, що працюють в режимі вимірювання амплітуди імпульсів, та встановлення зв'язку між чутливістю детекторів і параметрами амплітудних розподілень імпульсів заряду;

- порівняння за допомогою імітаційного моделювання дозиметричних властивостей CdTe (CdZnTe) і HgI₂ детекторів та встановлення обмежень методу вимірювання дози на основі аналізу розподілень амплітуд імпульсів детекторів.

Для розв'язання поставлених завдань використано такі методи досліджень:

- метод Монте-Карло для моделювання амплітудних спектрів с-квантів напівпровідникових детекторів (пакет програм EGSnrc), а також для розрахунку ефективності збирання заряду, дискретної та аналогової чутливості детекторів с-випромінювання;

- метод г-спектрометрії з використанням випромінювання стандартних джерел із набору зразкових спектрометричних джерел гамма-випромінювання для експериментальних вимірювань характеристик детекторів;

- метод вимірювання добутку часу життя на рухливість нерівноважних носіїв заряду, створених а-частинками;

- метод вимірювання дискретної чутливості детекторів і блоків детектування (БД) при метрологічних іспитах в режимі лічби імпульсів на Державному первинному еталоні одиниць експозиційної дози і потужності експозиційної дози рентгенівського і гамма-випромінювань - ДЕТУ 12-07-02.

Наукова новизна отриманих результатів. При виконанні дисертаційної роботи вперше отримані наступні результати:

- методом імітаційного моделювання визначені функції відгуку планарних CdTe (CdZnTe) детекторів с-випромінювання в діапазоні енергій с-квантів 10…3000 кеВ за наявності значних рівнів теплових шумів та флуктуацій збирання заряду. Узгодження результатів розрахунку з експериментальними даними показало, що в області домінування фотоефекту (E_с < 150 кеВ) головний вклад у варіації амплітуди імпульсів заряду високоомних детекторів вносять теплові шуми детектора і електроніки, а в області комптонівського розсіяння визначальним процесом є флуктуації збирання нерівноважного заряду;

- методом імітаційного моделювання визначені допустимі рівні еквівалентного шумового заряду в приладах для спектрометрії та дозиметрії с-випромінювання на базі планарних CdTe (CdZnTe) детекторів без термостабілізації;

- розраховані граничні темнові струми планарних CdTe (CdZnTe) детекторів, що працюють в режимі аналізу амплітуд імпульсів без термостабілізації в діапазоні температур -20…+60 °C, і встановлено критерій вибору робочої напруги зсуву детекторів в залежності від їх питомого опору і геометричних розмірів;

- методом імітаційного моделювання визначені параметри переносу носіїв заряду в планарних CdTe (CdZnTe) детекторах за наявності значних рівнів теплових шумів та флуктуацій збирання заряду;

- встановлено лінійний характер залежності зворотної дискретної чутливості планарних дозиметричних детекторів на основі сполук CdTe та CdZnTe від середньої амплітуди імпульсів заряду, які виробляються детектором під впливом с-випромінювання, і експериментально показано, що CdTe (CdZnTe) може використовуватися для вимірювання дози в діапазоні енергій с-квантів 40…3000 кеВ без врахування спектрального складу випромінювання.

Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що:

- розроблений підхід до моделювання властивостей неохолоджуваних детекторів с-випромінювання на основі високоомних напівпровідникових сполук дозволяє проводити ефективний пошук і дослідження нових матеріалів, перспективних для використання в дозиметрії та спектрометрії с-випромінювання;

- розроблена методика реконструкції функцій відгуку високоомних детекторів с-випромінювання в діапазоні енергій від ~ 10 кеВ до 3 МеВ, в якій використовуються експериментальні вимірювання спектрів від джерел випромінювання ²⁴¹Am, ¹³⁷Cs і ¹⁵²Eu, значно прискорює час розрахунку чутливості детекторів, що має велике значення при узгодженні параметрів підсилювального тракту в пристроях з великою кількістю детекторів;

- розроблена методика вимірювання експозиційної та поглиненої дози випромінювання на основі аналізу характеристик імпульсів заряду CdTe (CdZnTe) детекторів в діапазоні енергій с-квантів від 40 кеВ до 3 МеВ, для якої відсутня залежність показань приладів від спектрального складу с-випромінювання та нема втрати чутливості в області низьких енергій;

- розроблена методика визначення параметрів переносу носіїв заряду в детекторах на основі напівізоляторів, що може використовуватися як на етапі первинного відбору детекторів, так і в процесі їх експлуатації без порушення їх працездатності.

Методики визначення параметрів переносу носіїв заряду в CdTe (CdZnTe) детекторах і відновлення функцій відгуку використані при виготовленні дослідних зразків блоків детектування потужності експозиційної дози БДРГ-01Т та радіометра-спектрометра РУГ-Т, який призначається для безперервного контролю активності радіонуклідів в теплоносії першого контуру реактора типу ВВЕР.

Особистий внесок здобувача. Основні результати дисертаційної роботи отримані автором самостійно. Автор безпосередньо приймав участь в отриманні та обробці експериментальних результатів по дослідженню спектрометричних і дозиметричних характеристик детекторів с-випромінювання [1-9]. В наукових роботах, що опубліковані в співавторстві, дисертанту належить:

- постановка задачі і розробка моделі фізичних процесів в детекторах с-випромінювання на основі високоомних напівпровідників, в якій розділено вклад флуктуацій збирання носіїв заряду, шумів детектора і електроніки у вихідний сигнал [1-3, 7];

- постановка задачі та розробка методики відновлення функцій відгуку високоомних напівпровідникових детекторів за наявності значного рівня шумів та флуктуацій захвату заряду [3];

- постановка задачі та моделювання залежності чутливості CdTe (CdZnTe) і HgI₂ детекторів від середньої амплітуди імпульсів заряду, порівняння результатів моделювання і експериментальних даних, а також визначення діапазону енергій с-випромінювання, в якому для вимірювання експозиційної та поглиненої дози випромінювання можливо використовувати метод середніх амплітуд [1, 7, 8];

- розрахунок методом математичного моделювання граничних рівнів еквівалентного шумового заряду і темнових струмів в CdTe (CdZnTe) детекторах для спектрометрії та дозиметрії с-випромінювання [2];

- моделювання характеристик складеного перфорованого металічного фільтру для корекції залежності чутливості CdTe детектора від енергії с-квантів [7];

- огляд робіт, постановка задачі та розробка методики визначення параметрів переносу носіїв заряду в напівізолюючих детекторах за умови значних рівнів шумів та флуктуацій збору заряду [4, 6]. В роботі [8] автор провів розрахунок параметрів корекції енергетичної залежності чутливості дозиметричних блоків детектування на основі CdTe. В роботі [5] автором розрахований оптимальний час формування імпульсів планарного CdZnTe детектора.

Апробація результатів дисертації. Головні положення і результати дисертаційної роботи доповідались і отримали позитивну оцінку на міжнародних конференціях і семінарах [9-14], серед яких:

- щорічні конференції по фізиці високих енергій, ядерній фізиці та прискорювачам (м. Харків, Україна, 2006, 2007, 2009 р.р.);

- XV Міжнародна конференція по фізиці радіаційних явищ і радіаційному матеріалознавству, XV-ICPRP (м. Алушта, Україна, 2002 р.);

- XX Міжнародний семінар по лінійним прискорювачам заряджених частинок (м. Алушта, Україна, 2007 р.).

Публікації. Основні результати дисертації опубліковані в 8 статтях в наукових журналах [1-8], 6 - в матеріалах і тезах доповідей на науково-технічних конференціях [9-14]. Із вказаних робіт 5 статей опубліковані в наукових журналах, що задовольняють вимогам ВАК України [1-5].

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних літературних джерел і 4 додатків. Загальний обсяг дисертації складає 183 сторінки і включає 131 сторінку основного тексту, 60 рисунків, 13 таблиць та 19 сторінок додатків. Список використаних джерел на 17 сторінках налічує 182 найменування.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розкрита актуальність теми, зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами, сформульована мета і задачі дослідження. Показано наукову новизну отриманих результатів та їх практичну цінність, особистий внесок автора в дисертаційну роботу, апробацію результатів дисертації.

У першому розділі «Напівпровідникові детектори гамма-випромінювання. Фізичні процеси і методи моделювання» проведено аналіз фізичних процесів, що протікають в детекторах с-випромінювання на основі напівпровідників з високим питомим опором (так званих напівізоляторів CdTe, CdZnTe, HgI₂ та ін.). Значну частину розділу займає огляд літератури, в якому розглянуто основні методи математичного моделювання процесів формування електричного сигналу в напівпровідникових детекторах (НПД) при переносі та поглинанні с-випромінювання.

Відгук НПД (розподілення амплітуд та тривалості імпульсів заряду) зумовлюється сукупністю імовірнісних процесів взаємодії с-квантів з речовиною детектора та процесів утворення і збирання нерівноважного заряду. Флуктуації іонізації матеріалу детектора, теплові шуми детектора та вимірювального тракту і, нарешті, флуктуації збирання заряду суттєво обмежують можливості аналітичних розрахунків характеристик НПД. Для отримання кількісних параметрів функцій відгуку детектора необхідно застосовувати методи комп'ютерного моделювання.

Використання пакетів програм моделювання взаємодії ядерних випромінювань з речовиною (MCNP, EGSnrc, GEANT та ін.) є стандартною практикою при аналізі властивостей НПД з Si та Ge. Моделювання детекторів із напівізолюючих матеріалів використовується переважно для вивчення характеристик спектрометрів (роздільність, ефективність реєстрації) в діапазоні енергій с-випромінювання нижче 500 кеВ. Лише декілька публікацій присвячено моделюванню властивостей дозиметрів на основі CdZnTe та HgI₂.

Головна проблема проаналізованих моделей високоомних НПД полягає в неможливості одночасно коректно реконструювати амплітудні спектри в області енергій с-квантів, де домінує фотоефект (²⁴¹Am), та в області переважання комптонівського розсіяння (¹³⁷Cs, ⁶⁰Co). Дані, отримані в огляді літератури, вказують на те, що це є наслідком нехтування нерівномірністю розподілення пасток по об'єму детектора. У відомих моделях НПД з однорідним електричним полем вплив цієї нерівномірності на відгук детектора не враховується взагалі. В існуючих тривимірних моделях використовуються експериментальні дані з визначення ефективності збирання заряду в приповерхневих шарах НПД (< 100 мкм), де розподілення пасток та їх електричні властивості можуть суттєво відрізнятися від об'ємного.

У розділі 2 «Розробка та верифікація моделі фізичних процесів в детекторах гамма-випромінювання на основі високоомних напівпровідників» приводиться опис розробленої моделі фізичних процесів в НПД, до якої включені:

- процеси взаємодії с-квантів з матеріалом детектора та оточуючого середовища. Параметри взаємодії розраховуються за допомогою пакету моделювання EGSnrc (моделюється фотоефект, релеєвське і комптонівське розсіяння, утворення пар e⁺-e- в полі ядра та електронів, релаксація іонізованих атомів - Оже-електрони і характеристичне випромінювання);

- процеси гальмування швидких електронів і позитронів та утворення нерівноважного заряду, характеристики яких розраховуються на основі даних, що отримані за допомогою пакета моделювання EGSnrc (моделюється багаторазове розсіяння позитронів і електронів на ядрах атомів та електронах середовища, розсіяння позитронів на електронах, анігіляція пар e⁺-e-, гальмівне випромінювання та його поглинання середовищем);

- процес утворення індукованого заряду на контактах детектора внаслідок переміщення під впливом прикладеної напруги зсуву нерівноважних носіїв заряду, що утворилися в детекторі. Величина наведеного заряду розраховується на основі теореми Рамо-Шоклі. Для планарної геометрії детекторів при опроміненні з боку негативного електроду величина наведеного заряду Q_ind дорівнює

,(1)

де Q_tot - величина утвореного нерівноважного заряду; L - товщина детектора; n_e,h - довжина вільного пробігу електронів (дірок); z₀ - відстань від катоду до точки утворення нерівноважного заряду.

- варіації амплітуди зібраного заряду в припущенні гауссового розподілення флуктуацій іонізації, теплових шумів та захвату заряду. Фактор захвату a₁ нерівноважних носіїв заряду розраховується із експериментальних вимірювань залежності повної ширини фотопіків на напіввисоті (FWHM) від енергії монохроматичного с-випромінювання E_с:

,(2)

де F - фактор Фано, який визначає дисперсію флуктуацій іонізації; s - середня енергія утворення пари електрон-дірка в напівпровіднику; - сумарна дисперсія теплових шумів детектора та електроніки.

Велика кількість опублікованих експериментальних даних робить напівпровідникові сполуки CdTe і CdZnTe найбільш придатними матеріалами для перевірки істинності моделей детекторів випромінювання. В якості критерію відповідності моделі вибрано кількісний збіг розрахункових і експериментальних розподілень амплітуд імпульсів заряду, що виробляються детектором при реєстрації с-квантів.

Для порівняння використано дані експериментальних вимірювань спектрів одного з Cd_0,9Zn_0,1Te детекторів розмірами 6Ч6Ч3 мм, напруга зсуву якого складала 300 В. Розрахована величина фактору захвату a₁ = (1,90,12)10-⁴ на два порядки перевищує відомі результати для Ge 2,510-⁶ і близька до опублікованої величини фактору захвату HgI₂ - 3,310-⁴.

При використанні розробленої моделі фізичних процесів в НПД спостерігається добре відтворення особливостей відгуку CdZnTe детектора (форма фотопіків, їх положення, FWHM, амплітуда та площа) при опроміненні від джерел ²⁴¹Am і ¹³⁷Cs з набору зразкових джерел іонізаційного випромінювання (ДІВ). Добре реконструюється також відрізок спектру, що відповідає комптонівському розсіянню с-квантів від джерела ¹³⁷Cs.

Введення фактору захвату a₁ до залежності ширини фотопіку від E_с (2) дозволило досягти одночасного кількісного узгодження спектрів як в області домінування фотоефекту, так і в області переважання комптонівського розсіяння. Це дало можливість розробити методику відновлення функцій відгуку високоомних CdTe (CdZnTe) детекторів в діапазоні енергій с-квантів ~10…3000 кеВ за наявності значного рівня теплових шумів та захвату заряду з використанням всього двох ДІВ: ²⁴¹Am та ¹³⁷Cs. У випадку виродження фотопіку 661,67 кеВ (¹³⁷Cs) для розрахунку фактору захвату a₁ потрібно додатково використовувати амплітудні спектри від джерела ¹⁵²Eu.

Як випливає із результатів моделювання функцій відгуку, у досліджуваного CdZnTe детектору фотопіки спостерігаються до E_с 1 МеВ. На всіх залежностях спостерігаються піки від зворотно розсіяних с-квантів (E ~ 185 кеВ), що мають практично однакову інтенсивність. На кривих 3-5 чітко проявляються піки подвійного вильоту анігіляційних с-квантів, що відповідають енергії E_с - 2m_ec².

Для E_с = 511 кеВ коефіцієнти фотоефекту і комптонівського розсіяння в CdZnTe відповідно дорівнюють b_ph 0,1 см-¹ та b_c 0,43 см-¹. При характерній товщині матеріалу детектора l ~ 0,1 см ймовірність подвійного вильоту с-квантів 0,9, у той час як імовірність вильоту одного с-кванту і повного поглинання іншого (процесів, що призводять до утворення піку одиночного вильоту) < 0,01. Таким чином, в амплітудних спектрах досліджуваного детектора спостерігати пік одиночного вильоту неможливо, що також підтверджує результати моделювання.

Достовірність результатів моделювання при аналізі дозиметричних характеристик високоомних детекторів с-випромінювання перевірена порівнянням з даними метрологічних вимірювань дискретної чутливості CdTe і CdZnTe детекторів, параметри яких вказані у табл. 1. Як свідчать дані рис. 4, результати моделювання дискретної чутливості в діапазоні енергій від 60 до 3000 кеВ добре узгоджуються з експериментальними вимірами для ДІВ ⁵⁷Co, ¹³⁷Cs і ⁶⁰Co, що підтверджує точність відновлення функцій відгуку.

Таблиця 1/ Параметри досліджуваних CdTe (CdZnTe) детекторів

У розділі 3 «Вплив шумів на характеристики високоомних детекторів гамма-випромінювання» розроблену модель фізичних процесів в НПД використано для аналізу впливу шумів на роздільність спектрометричних і чутливість f дозиметричних CdTe і CdZnTe детекторів і блоків детектування на їх основі, які працюють в режимі вимірювання амплітуди імпульсів.

Характеристикою рівня шумів в приладах для спектрометрії та дозиметрії іонізуючих випромінювань є еквівалентний шумовій заряд (Equivalent Noise Charge - ENC). За визначенням це є заряд, котрий утворюється еквівалентним генератором струму (або детектором) і створює вихідний сигнал, що дорівнює середньоквадратичній амплітуді шуму. Величина ENC вимірюється в одиницях заряду електрона e-. Як свідчать результати моделювання, для отримання розділення краще за 2% на лінії 661,67 кеВ гранична величина ENC в спектрометричних приладах на основі планарних CdTe (CdZnTe) детекторів с-випромінювання не повинна перевищувати 400 e-. Врахування захвату носіїв заряду несуттєво знижує цю оцінку, оскільки величина a₁ у детекторів спектрометричної якості має наближатись до характеристик Ge.

В дозиметричних приладах з високим рівнем дискримінації (> 60 кеВ) шуми практично не впливають на чутливість CdTe (CdZnTe) детекторів (рис. 5). Якщо ж дозиметричний прилад призначається для вимірювання дози випромінювання, починаючи з енергій с-квантів від 60 кеВ, то величина ENC не повинна перевищувати 1500 e-. Цього можна досягти зниженням струмів витоку з допомогою пасивації бічної поверхні детекторів.

Граничний рівень ENC визначає рівень допустимого темнового струму в CdTe (CdZnTe) детекторах, при якому на покази дозиметрів не впливатимуть коливання температури в межах від -20 °C до +60 °C. Експоненціальна залежність темнових струмів від температури обмежує їх допустимий рівень величиною 5 нА при T = 20 °C. З цього слідує, що для неохолоджуваного планарного детектора робоча напруга зсуву U_см повинна задовольняти критерію

,(3)

де питомий опір k вимірюється в Омсм, товщина детектора L - в см, площа S - в см².

Як витікає із (3), високий питомий опір CdZnTe (> 10¹¹ Омсм) дозволяє досягати напруженості поля зсуву вище 100 В/мм. В той же час для CdTe без стабілізації температури детектора можна використовувати напругу зсуву з розрахунку 15…20 В/мм.

Розділ 4 «Визначення параметрів переносу заряду в високоомних детекторах с-випромінювання» присвячено розробці методики визначення транспортних параметрів (добутку рухливості на середній час життя електронів та дірок) високоомних детекторів с-випромінювання на основі експериментального вимірювання та моделювання їх чутливості f і ефективності збирання заряду CCE.

Вимірювання параметрів переносу заряду методами, що базуються на ефекті Холла, утруднюються в високоомних детекторах внаслідок низької концентрації носіїв, поверхневих струмів витоку, що значно перевищують об'ємні струми, та невеликих розмірів зразків. Вплив цих факторів приводить до того, що похибки вимірювання виявляються одного порядку по величині зі значеннями вимірюваних параметрів.

Конструкція дозиметричних приладів не дає можливості використати для визначення (bd)_e,h методи спектроскопії а-частинок або с-квантів низьких енергій, оскільки ці види випромінювання повністю поглинаються корпусом детектора і герметизуючими матеріалами.

Параметри переносу заряду в явному вигляді визначають з (1) ефективність збирання заряду планарного детектора CCE = Q_ind/Q_tot. Дані моделювання свідчать (рис. 6) про те, що для планарних детекторів існує однозначний зв'язок між CCE при поглинанні с-квантів з енергією 59,54 кеВ (²⁴¹Am), чутливістю детекторів f до с-випромінювання з енергією 661,67 кеВ (¹³⁷Cs) та величинами (bd)_e,h. Тобто, вимірявши з амплітудних спектрів CCE і f, можна за допомогою моделювання цих характеристик в координатах (bd)_e-(bd)_h встановити величину добутку рухливості на середній час життя для електронів та дірок.

Хід CCE і f для CdTe детектора (табл. 2) в залежності від (bd)_e,h показано на рис. 6. Як видно із порівняння даних в табл. 2 результати розрахунку (bd)_e,h та вимірювання за методом а-спектроскопії добре узгоджуються між собою.

Дані розрахунку підтверджують, що поведінка залежності ефективності збирання заряду і чутливості в координатах (bd)_e-(bd)_h для HgI₂ детекторів аналогічна випадку CdTe (CdZnTe) детекторів, що доводить придатність використання розробленого методу також для детекторів із йодиду ртуті.

Таблиця 2/ Результати розрахунку і вимірювань (bd)_e,h методом а-спектроскопії

Розроблений метод визначення параметрів переносу заряду не чутливий до рівня шумів в межах, визначених у розділі 3. Це дозволяє значно скоротити час розрахунку без внесення великої статистичної похибки. Основними факторами, що впливають на точність розрахунку, є точність визначення потужності дози, яка створюється джерелом с-випромінювання в точці, де розміщено детектор, і точність вимірювання швидкості лічби детектора при заданому рівні дискримінації.

Для підвищення точності вимірювання швидкості лічби імпульсів можна скористатися тим, що, як показують розрахунки та експериментальні вимірювання, швидкість лічби CdTe, CdZnTe і HgI₂ детекторів при реєстрації с-квантів з енергією 661,67 кеВ та рівні дискримінації 59,54 кеВ не залежить від напруги зсуву в широкому діапазоні напруг аж до граничних, що визначаються по критерію (3).

В розділі 5 «Корекція енергетичної залежності чутливості детекторів гамма-випромінювання» розроблену модель фізичних процесів в НПД використано для аналізу та розробки методів усунення залежності показів напівпровідникових дозиметрів від енергії с-випромінювання, що реєструється. В науковій літературі цю залежність називають «ходом з жорсткістю».

Зв'язок між чутливістю детектора f і енергією с-квантів E_с має вигляд

,(4)

де s_det - ефективність реєстрації с-квантів з енергією E_с; S - площа детектора; - масовий коефіцієнт передавання енергії випромінювання в повітрі; s_air - середня енергія утворення пари електрон-іон в повітрі (33,97 еВ); e - заряд електрона.

Як свідчать дані рис. 4, відношення f₁₂₂/f₆₆₂ > 50, внаслідок чого використання CdTe (CdZnTe) в дозиметрії вимагає корекції «ходу з жорсткістю». З допомогою НПД можна сформувати розподілення імпульсів заряду по амплітуді, аналіз якого дозволяє встановити його зв'язок з дозою випромінювання X і потужністю дози P_X. Для цього в конструкцію дозиметричного блоку детектування необхідно включити багатоканальний аналізатор імпульсів, до складу якого входить АЦП, однокристальна ЕОМ з пристроєм відображення інформації та спектрометричний тракт для прийому сигналу детектора.

Експериментальні дані вказують на те, що для CdTe детекторів відношення потужності експозиційної дози до швидкості лічби лінійно пов'язане з середньою амплітудою імпульсів, що виробляються детектором. Із визначення дискретної чутливості слідує, що P_X/n_c = 1/f, де n_c - швидкість лічби детектора. Тоді, в припущенні лінійної залежності між потужністю експозиційної дози (ПЕД) і швидкістю лічби, отримуємо, що експозиційна доза дорівнює

,(5)

де M і C - константи, що визначаються під час калібрування детектора; N_T - кількість імпульсів за час вимірювання; E_ph - середня амплітуда імпульсів в МеВ.

Експозиційна доза X може бути обрахована на основі амплітудного спектру, виходячи із співвідношення

,(6)

де E_adc - ціна каналу АЦП, k - номер каналу, а N(k) - кількість відліків у каналі.

Чітка лінійна залежність 1/f від середньої амплітуди імпульсів спостерігається для всіх досліджених CdTe і CdZnTe детекторів (табл.. 1) в області енергій с-квантів вище 100 кеВ (рис. 7). Порожні точки відтворюють результати розрахунку, а заповнені - експериментальних вимірювань.

Таблиця 3/ Параметри залежності 1/f від E_ph

Порівняння параметрів підгонки M і C експозиційної дози (5) і (6), отриманих з розрахунку та експерименту, показує (табл. 3), що калібрування детекторів можна провести з достатньою точністю за вимірювання амплітудних спектрів від трьох джерел (⁵⁷Co - 122 кеВ, ¹³⁷Cs - 662 кеВ, ⁶⁰Co - 1250 кеВ). Детектори з гіршими параметрами збору заряду мають більший коефіцієнт M і відповідний йому кут нахилу калібрувальної прямої.

Детальне моделювання залежності 1/f від середньої амплітуди імпульсів заряду для CdZnTe детектора показує, що при вимірюванні ПЕД і дози випромінювання в діапазоні енергій E_с 40…100 кеВ величину 1/f можна вважати постійною. Для розрахунків у цьому діапазоні можна використовувати значення середньої амплітуди імпульсів заряду, що відповідає енергії 122 кеВ. Тобто, якщо виміряна E_ph < E_ph(122 кеВ), то в формулах (5)-(6) потрібно використовувати E_ph(122 кеВ). Таким чином, метод вимірювання дози випромінювання за допомогою середніх амплітуд імпульсів може бути розповсюджений практично на весь спектр енергій с-випромінювання природних радіоактивних ізотопів і радіоактивних відходів.

Оскільки значний «хід з жорсткістю» являється загальною проблемою майже всіх високоомних матеріалів, то великий інтерес викликає дослідження можливостей методу середніх амплітуд для інших напівізолюючих матеріалів. Найімовірнішим кандидатом для використання в дозиметричних приладах опісля CdTe (CdZnTe) є напівпровідникова сполука HgI₂. Проте, моделювання залежності 1/f від середньої амплітуди імпульсу заряду для детекторів с-випромінювання на основі HgI₂ показало (рис. 8b), що в діапазоні E_с < 1 МеВ дана залежність не є лінійною. Таким чином, метод середніх амплітуди неможливо використати для усунення похибки вимірювань дози, що пов'язана з енергетичною залежністю чутливості, в дозиметрах на основі HgI₂.

Порівняння методом імітаційного моделювання детекторів на основі CdTe (CdZnTe) і HgI₂, що призначені для дозиметрії с-випромінювання, показує, що лінійність залежності зворотної дискретної чутливості від середньої амплітуди імпульсів детектора є характерною особливістю напівпровідникової сполуки CdTe (CdZnTe). В діапазоні 0,1…0,5 МеВ чутливість HgI₂ детекторів дещо більша, ніж у CdZnTe, за рахунок трохи більш високого коефіцієнту фотоефекту. Ця невелика різниця приводить до того, що у залежності для HgI₂ відсутня лінійна ділянка при E_с < 500 кеВ. Як свідчать дані рис. 8b, детектори на основі HgI₂ придатні для вимірювання дози випромінювання в діапазоні енергій E_с 40…300 кеВ.

У додатку А наведені основні відомості про взаємодію с-квантів з речовиною, та представлені розрахунки коефіцієнтів ослаблення с-випромінювання для напівпровідників, що досліджені в дисертаційній роботі.

У додатку Б приведені дані про особливості функцій відгуку високоомних НПД на монохроматичне с-випромінювання.

У додатку В приведені основні відомості про ефекти гальмування швидких електронів у речовині та представлені розрахунки гальмівної спроможності для напівпровідників, що досліджені в дисертаційній роботі

У додатку Д для довідки наведені визначення основних характеристик радіаційних полів.

У висновках сформульовані основні наукові та практичні результати дисертаційної роботи.

ВИСНОВКИ

В дисертаційній роботі приведено результати дослідження методами комп'ютерного моделювання дозиметричних властивостей неохолоджуваних детекторів с-випромінювання на основі напівпровідників з високим питомим опором. Виходячи з отриманих даних, встановлено зв'язок дозових характеристик полів с-випромінювання з параметрами розподілень амплітуд імпульсів заряду в детекторах. Це дозволило розв'язати важливу наукову задачу створення методу вимірювання дози випромінювання, точність якого не залежить від спектрального складу с-квантів. Основні результати роботи полягають в наступному:

1. Розроблені фізична і математична моделі процесів формування електричного сигналу в напівпровідникових детекторах с-випромінювання дали можливість ефективно застосувати метод імітаційного моделювання для дослідження дозиметричних властивостей детекторів на основі напівпровідників з високим питомим опором. Аналіз даних моделювання та експериментальних вимірювань показав, що в області домінування фотоефекту (E_с < 150 кеВ) головний вклад у варіації амплітуди імпульсів заряду високоомних детекторів вносять теплові шуми детектора і електроніки. В області комптонівського розсіяння визначальним процесом є флуктуації збирання заряду. Вперше виміряна величина фактору захвату в CdZnTe детекторах для с-квантів з енергіями вище 60 кеВ. Також встановлено, що для високоомних детекторів величину фактору захвату в цьому діапазоні енергій можна вважати постійною.

2. Розроблена методика відновлення функцій відгуку планарних високоомних детекторів у діапазоні енергій с-квантів ~ 10…3000 кеВ при одночасному впливі теплових шумів та флуктуацій захвату носіїв заряду в детекторі. Вперше досягнуто кількісного збігу експериментальних спектрів з розрахунковими у всьому досліджуваному діапазоні енергій. Це дозволило встановити, що за наявності в амплітудних спектрах випромінювання ¹³⁷Cs фотопіку 661,67 кеВ функції відгуку CdTe (CdZnTe) детекторів у діапазоні енергій с-квантів ~ 10…3000 кеВ можна відновити по результатам моделювання спектрів всього двох джерел: ²¹⁴Am та ¹³⁷Cs. Показано, що в загальному випадку для відновлення функцій відгуку потрібно виміряти спектри від джерел ²¹⁴Am, ¹³⁷Cs та ¹⁵²Eu. Отриманий кількісний збіг дозволяє використовувати розроблену модель та методику реконструкції функцій відгуку для дослідження властивостей детекторів с-випромінювання на основі інших високоомних напівпровідників (наприклад, HgI₂).

3. Вперше методом імітаційного моделювання визначені прийнятні рівні еквівалентного шумового заряду (ENC) в приладах для спектрометрії та дозиметрії с-випромінювання на основі планарних CdTe (CdZnTe) детекторів. Встановлено, що для отримання роздільної здатності по енергії на рівні 2% для енергії 661,67 кеВ величина ENC в спектрометрах не повинна перевищувати 400 e-. Показано, що в приладах, які призначаються для вимірювання дози випромінювання в області енергій с-квантів вище 60 кеВ, величина ENC не повинна перевищувати 1500 e- у всьому діапазоні робочих температур (-20…+60 °C). Для виконання цієї умови темнові токи CdTe (CdZnTe) детекторів при 20 °C повинні бути меншими 5 нА. Це дозволило встановити критерій вибору робочої напруги зсуву в залежності від питомого опору та розмірів планарних CdTe (CdZnTe) детекторів.

4. Методом імітаційного моделювання вперше встановлено зв'язок між ефективністю збирання заряду, дискретною чутливістю та добутками рухливості на час життя електронів і дірок в планарних високоомних детекторах. Це дозволило розробити методику визначення параметрів переносу носіїв заряду в детекторах з високим питомим опором для спектрометрії та дозиметрії с-випромінювання. Методика призначається для контролю якості на етапі первинного відбору детекторів та для контролю параметрів напівпровідникових детекторів під час експлуатації в приладах реєстрації с-випромінювання.

5. Вперше, на основі даних моделювання, що підтверджуються експериментальними вимірюваннями, встановлено зв'язок між параметрами розподілення амплітуд імпульсів заряду, які виробляються напівпровідниковим детектором, та дозовими характеристиками радіаційних полів. Показано, що зворотна дискретна чутливість 1/f CdTe і CdZnTe детекторів лінійно залежить від середньої амплітуди імпульсів в діапазоні енергій с-квантів, починаючи з E_с 100 кеВ. Кут нахилу прямої визначається характеристиками переносу заряду в детекторі - (bd)_e,h. В області 40…100 кеВ величина 1/f залишається майже постійною. Таким чином, доза випромінювання може бути визначена, виходячи із виміряної середньої амплітуди імпульсів CdTe (CdZnTe) детекторів, незалежно від спектрального складу випромінювання. Це дозволяє створювати на основі CdTe (CdZnTe) широкодіапазонні прилади, у яких відсутня залежність вимірюваної величини дози від енергії с-випромінювання в діапазоні від 40 кеВ до 3 МеВ. Показано, що для метрологічного калібрування таких дозиметрів достатньо вимірів амплітудних розподілень від джерел с-випромінювання ⁵⁷Co, ¹³⁷Cs та ⁶⁰Co.

6. По даним моделювання HgI₂ детекторів діапазон, в якому залежність чутливості детектора від енергії с-квантів слабо впливає на похибку вимірювання дози, складає 40… 300 кеВ. Таким чином, HgI₂ придатний для використання в приладах вимірювання дози рентгенівського та с-випромінювання низьких енергій. Порівняння методом імітаційного моделювання дозиметричних властивостей детекторів на основі CdTe (CdZnTe) і HgI₂ показало, що лінійність залежності 1/f від середньої амплітуди імпульсів детектору являється характерною особливістю напівпровідникових сполук CdTe і CdZnTe.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Захарченко А.А. Моделирование дозиметрических характеристик CdTe (CdZnTe) детекторов с-излучения / А.А. Захарченко, В.Е. Кутний, А.В. Рыбка, М.А. Хажмурадов // Радиоэлектроника и информатика: Научн.-техн. журнал. - 2006. - № 2. - С. 28-33.

2. Захарченко А.А. Моделирование влияния шумов на характеристики CdZnTe детекторов гамма-излучения / А.А. Захарченко, В.Е. Кутний, И.М. Прохорец, А.В. Рыбка, М.А. Хажмурадов // Радиоэлектроника и информатика: Научн.-техн. журнал. - 2007. - № 1. - С. 13-16.

3. Захарченко А.А. Моделирование функции отклика CdZnTe детекторов для дозиметрии гамма-излучения / А.А. Захарченко, А.А. Веревкин, В.Е. Кутний, А.В. Рыбка, М.А. Хажмурадов // Вісник харківського національного університету. Серія фізична «Ядра, частинки, поля». - 2008. - № 832, вип. 4(40). - с. 71-76.

4. Захарченко А.А. Методы определения параметров переноса заряда в CdTe (CdZnTe) детекторах гамма-излучения / А.А. Захарченко, В.Е. Кутний, Д.В. Наконечный, И.М. Прохорец, А.В. Рыбка, М.А. Хажмурадов // Вісник харківського національного університету. Серія фізична «Ядра, частинки, поля». - 2007. - № 784, вип. 4 (36). - С. 85-92.

5. Кутний Д.В. Методика измерения электромагнитного излучения полупроводниковыми детекторами / Д.В. Кутний, И.М. Прохорец, А.В. Рыбка, Д.В. Наконечный, С.И. Прохорец, А.А. Захарченко, К. В. Кутний // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Вакуум, чистые металлы, сверхпроводники (15). - 2006. - № 1. - С. 163-169.

6. Захарченко А.А. Расчет транспортных свойств детекторов гамма-излучения на основе полуизолирующих полупроводников / А.А. Захарченко, И.М. Прохорец, В.Е. Кутний, А.В. Рыбка, М.А. Хажмурадов // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. - 2008. - № 3. - С. 41-45.

7. Захарченко А.А. Моделирование энергетической зависимости чувствительности CdTe (CdZnTe) детекторов гамма-излучения / А.А. Захарченко, Д.В. Наконечный, И.Н. Шляхов, А.В. Рыбка, В.Е. Кутний, М.А. Хажмурадов // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. - 2007. - № 1. - С. 28-31.

8. Ажажа В.М. Приборы на основе CdTe и CdZnTe для технологического контроля и мониторинга радиационной обстановки на АЭС / В.М. Ажажа, В.Е. Кутний, А.В. Рыбка, Л.Н. Давыдов, И.Н. Шляхов, А.А. Захарченко, Д.В. Кутний, Д.В. Наконечный // Наука та інновації. - 2006. - Т. 2, № 6. - С. 31-38.

9. Захарченко А.А. Дозиметрические характеристики широкозонных полупроводниковых детекторов гамма-излучения / А.А. Захарченко, В.Е. Кутний, А.В. Рыбка, М.А. Тихоновский, М.А. Хажмурадов / Тезисы XX международного семинара по ускорителям заряженных частиц 9-15 сентября 2007 г., Алушта, Крым. - С. 164-165.

10. Рыбка А.В. Коррекция энергетической зависимости детекторов гамма-излучения из CdTe (CdZnTe) / А.В. Рыбка, С.И. Прохорец, И.М. Прохорец, В.Е. Кутний, Л.Н. Давыдов, А.А. Захарченко / Труды 15 Международной конференции по физике радиационных явлений и радиационному материаловедению (XV-ICPRP), Алушта (Украина). - 2002. - С. 343.

11. Захарченко А.А. Моделирование энергетической зависимости чувствительности CdTe детекторов для дозиметрии гамма-излучения / А.А. Захарченко, В.Е. Кутний, С.И. Прохорец, И.М. Прохорец, А.В. Рыбка, И.Н. Шляхов / Тезисы докладов IV конференции по физике высоких энергий, ядерной физике и ускорителям 27 февраля - 3 марта 2006 г. - Харьков, 2006. - с. 77.

12. Захарченко А.А. Применение метода Монте-Карло для исследования электрофизических характеристик CdTe (CdZnTe) детекторов / А.А. Захарченко, А.В. Рыбка, Д.В. Наконечный, В.Е. Кутний, В.М. Ажажа, М.А. Хажмурадов / Тези доповідей на 2-й науково-технічній конференції «Матеріали електронної техніки та сучасні інформаційні технології (МЕТІТ-2)». 17-19 травня 2006 р. - Кременчук (Україна). - С. 73-74.

13. Захарченко А.А. Влияние шумов на дозиметрические характеристики CdTe (CdZnTe) детекторов гамма-излучения / А.А. Захарченко, Д.В. Наконечный, И.М. Прохорец, И.Н. Шляхов, В.Е. Кутний, А.В. Рыбка, М.А. Хажмурадов / Тезисы докладов V конференции по физике высоких энергий, ядерной физике и ускорителям. 26 февраля - 2 марта 2007 г. - Харьков, 2007. - с. 90.

14. Захарченко А.А. Особенности восстановления функции отклика CdZnTe детекторов гамма-излучения методом Монте-Карло / А.А. Захарченко, В.Е. Кутний, А.В. Рыбка, М.А. Хажмурадов / Тезисы докладов VII конференции по физике высоких энергий, ядерной физике и ускорителям. 23-27 февраля 2009 г. - Харьков, 2009. - с. 59.

Размещено на Allbest.ru