5.1. Измерение технических характеристик детекторов копланарной конструкции на основе CdZnTe

Измерения спектрометрических и электрических характеристик копланарных CdZnTe детекторов проводились в соответствии с разработанной методикой (см. раздел 4.4) с использованием разработанного технологического блока детектирования гамма-излучения на основе копланарного детектора типа БДЕГ-Т-ЗК.

блок высокого напряжения типа «Canberra» мод.31020Э в количестве 2 шт.;

- спектрометрический усилитель типа «Ortec» мод. 570;

- блок генератора импульсов типа ГСИ-02;

- спектрометрический аналогово-цифровой преобразователь АЦП 8К-2, устанавливаемый в компьютер;

- программа обработки спектров «Angamma»;

- цифровой четырехканальный осциллограф типа АКТАКОМ 5304.

При проведении измерений использовались образцовые спектрометрические гамма-источники из комплекта ОСГИ, включающие^{1 7}Cs, ²⁴¹Am, ⁵⁷Co, ¹³³Ba, ⁶⁰Co.

Разработанный блок детектирования БДЕГ-Т-ЗК (с детектором размером 10?10?5 мм) показан на рисунке 5.1.

Рисунок 5.1. Технологический блок детектирования БДЕГ-Т-ЗК

Для измерения вольт-амперных характеристик копланарного детектора использовались следующие приборы:

-пикоамперметр Keitley 4785;

-блок высокого напряжения «Canberra» 31020D;

- мультиметр Mastechms 8268.

Измерения проводились с использованием разработанного специализированного технологического блока, внешний вид которого показан на рисунке 5.2.

Рисунок 5.2. Технологический блок для измерения электрических

характеристик копланарных детекторов

5.2. Результаты измерений технических характеристик детекторов копланарной конструкции на основе CdZnTe

В таблице 5.1 показаны некоторые конструктивные размеры изготовленных образцов копланарных CdZnTe детекторов, заложенные при разработке фотошаблонов.

Таблица 5.1. Конструктивные характеристики изготовленных

копланарных детекторов

На изготовленных 5 экспериментальных образцах CdZnTe детекторов копланарной конструкции размером 5?5?5 мм, 10?10?5mm и 10?10?10mm проводились измерения электрических и спектрометрических характеристик.

На рисунке 5.3 представлены вольт-амперные характеристики копланарных детекторов №1 и №2.

Рисунок 5.3. Вольт-амперная характеристика копланарных детекторов

№ 1 и № 2

На рисунке 5.4 представлены вольт-амперные характеристики межсеточного сопротивления копланарных детекторов № 1 (5?5?5 мм) и № 2 (10?10?5 мм), измеренные при температуре 23 С. Удельное сопротивление и межсеточное сопротивление копланарных детекторов, рассчитанные из результатов измерений и значений токов утечки при напряжении минус 1 000 В (данная величина близка к рабочим напряжениям измеряемых детекторов) показаны в таблице 5.2.

Удельное сопротивление детектопа определялось по Формуле:

где Snh-площадь центрального электрода и толщина детектора, I - ток утечки при напряжении U.

Рисунок 5.4. Вольт-амперная характеристика межсеточного сопротивления копланарных детекторов № 1 (5?5?5 мм) HKθ2(10?10?5 мм)

Таблица 5.2. Электрические характеристики копланарных детекторов

Межсеточное сопротивление R рассчитывалось из результатов измерения токов утечки 1+и Lчерез межсеточный промежуток при напряжении U₊,равном плюс (+) 5В и при U.минус (-) 5В, поданных на межсеточный промежуток, по формуле:

149

Удельное межсеточное сопротивление p_w(ГОм’см) определялось как: где Lи р - суммарная длина и ширина межсеточного промежутка.

На рисунке 5.5 показаны осциллограммы выходных сигналов при измерении амплитудных спектров источника гамма-излучения ¹³⁷Cs копланарным детектором размером 5?5?5 мм. Напряжение на детекторе равно минус 1000 В. Межсеточное напряжение - 50 В. Время формирования импульса - 1 мкс. Как видно из рисунка, форма сигналов с предусилителей, подключенных к собирающей и несобирающей сеткам и форма выходного сигнала имеют ожидаемый вид.

Рисунок 5.5. Форма выходных сигналов при измерении спектрометрических характеристик: 1 - сигнал с выхода усилителя-формирователя «Ortec» мод.570; 2 - сигнал с выхода ПУ (несобирающая сетка); 3 - сигнал с выхода ПУ (собирающая сетка); 4- сигнал с выхода ПУ блока детектирования БДЕГ- Т-ЗК

Спектрометрические характеристики каждого из исследованных копланарных детекторов измерялись с помощью технологического блока детектирования гамма-излучения БДЕГ-Т-ЗК. Выход предусилителя подключался к входу спектрометрического усилителя ORTEC, далее обработка сформированного сигнала производилась с помощью многоканального анализатора на базе персонального компьютера.

В рамках данной работы были измерены спектры от источников гамма- излучения ¹³⁷Cs₅²⁴¹Am, ⁵⁷Co, ¹³³Ba. Облучение детекторов происходило со стороны катода детекторов. Измерение спектров радионуклида ¹³⁷Cs можно проводить, облучая детектор с разных сторон, при этом спектр изменяется в низком диапазоне энергий.

Рисунок 5.6. Амплитудный спектр источника гамма-излучения ¹³⁷Cs, измеренный детектором №1 (копланарный детектор 5?5?5 мм)

На рисунках 5.6 и 5.7 приведены спектры излучения нуклидов ¹³⁷Cs и ¹³Ba, измеренные детектором № 1, при напряжении на детекторах IOOO В, межсеточном напряжении 50 В и постоянной времени формирования 1 мкс.

и 662 кэВ составило 8,0; 7,0 и 24,8 кэВ, соответственно. Энергетический эквивалент уровня шума составил 6,4 кэВ.

Рисунок 5.7. Спектр амплитудного распределения импульсов гамма- излучения нуклида ¹³³Ba, измеренный детектором №1

Спектры гамма-излучения источников ¹³⁷Cs и ¹³³Ba, измеренные с помощью копланарных детекторов №2 и №3 размером 10?10?5 мм, представлены на рисунках 5.8 и 5.9. Энергетическое разрешение измеренных детекторов по линиям 31 кэВ, 59,5 кэВ; 81 кэВ и 662 кэВ составило 8,7; 7,5 7,8 и 11,8 кэВ, соответственно. Шумовой вклад при этом равен 7,2 кэВ. Сравнение спектров, измеренных с помощью детекторов с размерами 5?5?5 мм и 10?10?5 мм, подтверждает важность оптимизации конструкции сеточных электродов для обеспечения однородного сбора носителей.

Рисунок 5.8. Амплитудный спектр источника гамма-излучения ¹³⁷Cs (копланарный детектор №3, 10?10?5 мм)

Рисунок 5.9. Амплитудный спектр источника гамма-излучения ¹³³Ba (копланарный детектор №2 10?10?5mm)

Как видно из рисунка 5.8, форма линии пика полного поглощения источника гамма-излучения ¹³⁷Cs далека от идеальности. При относительно хорошей величине полуширины пика на половине высоте (ПШПВ), равной

11,8 кэВ, энергетическое разрешение на 1/10 высоты составляет около 68 кэВ. Как следствие, детекторы имеют сравнительно невысокое отношение максимума пика полного поглощения к комптоновскому распределению, равное 2.8-2.9. По-видимому, это связано с плохой однородностью периферийной структуры детектора. Точное установление причин формирования несимметричных спектров требует проведения дополнительных исследований.

Спектры излучения источников ¹³⁷Cs, ²⁴¹Am₃⁵⁷Co, ¹³³Ba измерялись также копланарными детекторами №4 и №5, имеющими больший объем чувствительной области, размером (10?10?10 мм) и приведены на рисунках 5.10 - 5.13. Напряжение на катоде составляло 1000 В. Межсеточное напряжение - 30 В.

Фай^ Устройство Калибровка Анализ Библиотека Параметры Окно Помощь

1 = -35.15 кэВ 2048 = 1422.54 кэВ

Маркер: 911 = 612.87 кэВ → 252

Fl Помощь F2 Сброс F3 Набор F4 Чтение F6 Отчет F4 Обработка FlO Менн»

Рисунок 5.10. Амплитудный спектр от источника гамма-излучения ¹³⁷Cs (копланарный детектор №4, 10?10?10mm)

Рисунок 5.11. Спектр амплитудного распределения импульсов гамма- излучения нуклида ¹³³Ba (образец №4,10?10?10 мм)

Рисунок 5.12. Спектр амплитудного распределения импульсов гамма- излучения от источника ^z41Am (образец №5,10?10? 10 мм)

Рисунок 5.13. Спектр амплитудного распределения импульсов гамма- излучения от источника ⁵⁷Co (образец №5)

Энергетическое разрешение детекторов (TTFTIIIB) по линиям с энергиями 31 кэВ; 59,5 кэВ; 81 кэВ; 122 кэВ и 662 кэВ составило 8÷9; 7,4; 6,92÷7,82; 7,34 и 11,8÷ 15,1 кэВ, соответственно.

Результаты измерений энергетического разрешения изготовленных экспериментальных образцов копланарных детекторов по энергии 662 кэВ представлены в таблице 5.3. Из приведенных в таблице данных следует, что полученные результаты не уступают данным, доступным в зарубежной литературе. Следует отметить, что результаты измерений практически не отличаются при временах формирования спектрометрического тракта 1 мкс и 2 мкс.

Зависимость энергетического разрешения (ПШ11В) и энергетического эквивалента уровня шума (ЭЭШ) от приложенного межсеточного напряжения при напряжении на катоде IOOO В показана на рисунке 5.14.

Основные результаты главы опубликованы в работе [А2, А7].

Таблица 5.3. Спектрометрические характеристики копланарных детекторов

Рисунок 5.14. Зависимость энергетического разрешения копланарного

детектора от межсеточного напряжения