CC BY
47
УДК 621.386.82: 621.921.34
ДЕТЕКТОРЫ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ АЛМАЗНЫХ
ПЛЕНОК
В. Ф. Дворянкин1, А. А. Кудряшов1, В. Г. Ральченко2
Измерены коэффициент пропускания и фототок при облучении рентгеновским излучением с энергией до 50 кэВ поликристаллических алмазных пленок толщиной 3 -660 мкм. Алмазные пленки перспективны для создания рентгеновских детекторов, в том числе проходного типа - обладающих малым поглощением для регистрируемых квантов.
К алмазу, как материалу для создания детекторов радиационного излучения, внимание было привлечено еще более 50 лет назад [1, 2]. К преимуществам алмаза относятся: а) высокое удельное сопротивление (1011 — 1015 Ом ■ см), что обеспечивает низкие тем-новые токи и токи утечки; б) нечувствительность к свету видимого диапазона (граница фундаментального поглощения равна 225 нм), в) работоспособность при высоких тем пературах; г) высокие радиационная стойкость и химическая инертность; д) малое, порядка I не, время сбора носителей заряда, что важно для регистрации импульсов излучения.
Небольшие размеры (обычно несколько мм), неконтролируемый набор дефектов и примесей, и, наконец, высокая цена природных монокристаллов алмаза ограничивают их применение в качестве детекторного материала. Искусственные кристаллы алмаза, синтезируемого при высоких давлениях, имеют во многом те же недостатки, в частности содержат примеси металлов-катализаторов. С появлением технологии выращивания алмазных пленок и пластин из газовой фазы стало возможным создание радиационных
Институт радиотехники и электроники РАН, Фрязино.
2Институт общей физики им. A.M. Прохорова РАН, Москва.
детекторов с воспроизводимыми свойствами, больших размеров и менее дорогих [3]. Ввиду малого атомного номера углерода (Z = 6) поглощение рентгеновского излучения в алмазе невелико по сравнению с другими полупроводниками, что делает возможным конструирование полупрозрачных in-line детекторов для измерения потока и положения рентгеновских пучков [4, 5]. В настоящей работе измерены коэффициент пропускания и чувствительность к рентгеновскому излучению алмазных пленок, осажденных в двух типах разрядов.
Методика эксперимента. Поликристаллические алмазные пленки толщиной 3 660 мкм (размер зерна 1 - 150 мкм) выращивались на кремниевых подложках из газовых смесей СЯ4/Я2 в дуговом разряде [6] и в микроволновой плазме [7]. Алмазные мембраны (свободные пленки) толщиной < 60 мкм получали химическим травлением окна через маску диаметром 6 мм в подложке. В случае более толстых пленок (пластин) подложка удалялась полностью.
Источником рентгеновского излучения служила рентгеновская трубка с вольфрамовым анодом. Высокое напряжение Ua и анодный ток j трубки (ток электронов на мишень) изменялись в интервалах 8-50 кВ и 0.5 - 15 мА, соответственно. Потенциал возбуждения характеристического спектра для вольфрама составляет 69.3 кВ, поэтому рентгеновский спектр излучения трубки при указанных анодных напряжениях непрерывный. Спектральный состав тормозного излучения /(А) можно представить [8] в виде:
где \т{п(Ангстрем) = 12А/11а(кВ) - коротковолновый предел спектра, С - константа. Здесь спектральное распределение скорректировано на поглощение выходного окна из бериллия толщиной t = 0.5л«.м, коэффициент поглощения а.ве(А) которого взят из таблиц [9]. Рассчитанные по ф-ле (1) и нормализованные по интенсивности спектры для иа — 20 к В и 50 к В показаны на рис. 1. В частности, со стороны коротких длин волн
о о
излучение ограничено значениями \т{п = 0.25 А и 0.62 А для иа = 50 и 1]а = 20 кВ, соответственно. Интегральная по спектру интенсивность тормозного излучения I ~ }[/*.
Образцы устанавливались на расстоянии 10 см от выходного окна рентгеновской трубки. Коэффициент пропускания излучения пленок Т находили из отношения показаний калиброванного СаАв рентгеновского детектора, регистрирующего поток в при сутствии образца, размещенного вплотную перед детектором, и в отсутствие образца. Полученные значения Т сравнивали с теоретическими, рассчитанными для толщины
/(А) = CjZ(А - Amin)(A3Am,n)-1 ехр[-аВе(А)*],
(1)
пленки х на основе известных коэффициентов экстинкции рентгеновских квантов /г(С) для углерода [9]:
оо оо
Т(х) = J 1{Х)ехр(-ц{Х)х)с1Х/ J I(X)dX. (2)
^min min
В рассматриваемом диапазоне энергий коэффициент экстинкции /I = /<а + fi3 является суммой вкладов фотоэлектрического и комптоновского поглощения fia и упругого рассеяния причем последний член преобладает при Л < 0.6 А. (рис. 2).
Рис. 1. Нормализованные по интенсивности расчетные спектры излучения /(А) рентгеновской трубки при анодном напряжении Иа — 20 кВ и 50 кВ.
Рис. 2. Зависимость коэффициента поглощения цп (пунктир) и коэффициента экстинкции р (сплошная линия) алмаза от длины волны рентгеновского излучения [9].
Расчетные и близкие к ним экспериментальные зависимости пропускания Т излучения от толщины алмазной пленки для значений анодного напряжения 20 и 50 к В показаны на рис. 3. Так, для иа = 50 к В расчетные значения Т составляют 98.7% при толщине х = 10 мкм и 68% при х — 1 мм. Высокая прозрачность алмазных мембран
4000
50 кВ
100 £ 90 80
| 70
S 60
о
g>50 о
30
о
1
10 100 1000 Толщина пленки, мкм
0 2 4 6 8 10 12 14 16 J, мА
Рис. 3. Зависимости пропускания Т излучения от толщины алмазной пленки для анодного напряжения Ua = 20 к В (расчет - пунктирная линия, эксперимент - кружки) и Ua = 50 кВ (расчет - сплошная линия, эксперимент - треугольники).
Рис. 4. Фототок алмазной мембраны толщиной 11 мкм в зависимости от тока рентгеновской трубки j при анодном напряжении Ua: 8, 18, 30 и 50 кВ. Поле между электродами Е = 9 -103 В/см. ц
при достаточной прочности при толщинах порядка 10 мкм позволяет конструировать детекторы проходного типа.
Для измерения фототока, индуцированного рентгеновским излучением, использовали схему металл-полупроводник-металл: на поверхность мембран или пластин с двух сторон наносились контакты из Ti/Au или коллоидного углерода (аквадаг) диаметром 3 мм, на них подавали напряжение смещения 10 В. Зависимости фототока гр/, алмазной мембраны толщиной 11 мкм от величины тока рентгеновской трубки при различных анодных напряжениях приведены на рис. 4. При приложенном между электродами поле Е = 9-103 В/см темновой ток id составлял 100 пА, а максимальный фототок iph = 3.6 мА (iph/id — 36) при Uа = 50 кВ, j = 15 мА. С понижением анодного напряжения (т.е. при низких интенсивностях и больших длинах волн) наблюдается насыщение фототока.
Темновое сопротивление р, £>см
Рис. 5. Величина отношения фототока к темновому току (грЛ 4- для набора алмаз-
ных пленок с различной величиной удельного темнового сопротивления р при неизменных условиях облучения (11а = 50 кВ, ] = \{)мА).
Мерой совершенства и чистоты алмаза может быть величина его удельного сопро тивления р, которая максимальна для наименее дефектных образцов. Простая оценка дает отношения фототока к темновому току 1рк/гв. = РЧРсТ^, где рст - усредненное (для электронов и дырок) произведение подвижности и времени жизни носителей заря да, q - единичный заряд, и N - концентрация электронно-дырочных пар, рождаемых в детекторе рентгеновскими квантами в единицу времени. На рис. 5 приведена экспери ментальная зависимость отношения (грд + при фиксированном потоке излучения
от удельного сопротивления образца из набора пленок различной толщины, у которых величина р лежит в диапазоне от 3 • 109 до 5 • 1014 Ом ■ см. Фототок превышает темновой ток лишь при достаточно высоких сопротивлениях р > 10п Ом ■ см. Отношение г'рл/г^ возрастает с р (максимальная величина 1рн/гё = 8-103 зарегистрирована для пленки толщиной 180 мкм), но нелинейно, что указывает на увеличение произведения цст в более изолирующем, т.е. в менее дефектном материале. Из данных по фотооклику на наносе-кундные импульсы АгГ эксимерного лазера (А = 193 нм) для лучших наших пленок [10] получена оценка рст = Ю-6 см2 / В. Полагая т = 1 не, имеем оценку рс = 1000 см2 / В с, что примерно вдвое ниже величины для подвижности электронов це — 2200 см2/Вс в монокристаллах алмаза [2].
Таким образом, продемонстрирована возможность создания детекторов фоторези-стивного типа металл-алмаз-металл для регистрации непрерывного рентгеновского излучения на основе тонких алмазных пленок, в значительной степени прозрачных для падающего излучения. Алмазные пленки перспективны для создания матричных и позиционно-чувствительных детекторов рентгеновского, в том числе синхротронного, излучения высоких интенсивностей за счет высокой теплопроводности пленок. Работа выполнена при поддержке РФФИ, грант 05-02-08076-офи_э.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Freeman G. P., Van der V е 1 d е n Н. A. Physica, 19, 565 (1952).
[2] Афанасьева Е. А., Конорова Е. А., Вавилов В. С. ФТТ, 8, 3 (1966).
[3] М a n f г е d о t t i С. Diamond Relat. Mater., 14, 531 (2005).
[4] В e г g о n z о P. et al. Diamond Relat. Mater., 9, 960 (2000).
[5] D a b a g о v S. В. et al. in: Detectors for Crystallography and Diffraction Studies at Synchrotron Sources, SPIE Proc., 3774, 122 (1999).
[6] N i s t о r L. C., Van Landuyt J., Ralchenko V. G., et al. J. Mater. Res., 12, 2533 (1997).
[7] R a 1 с h e n k о V. G., S m о 1 i n А. А., К о n о v V. I., et al. Diamond Relat. Mater., 6, 417 (1997).
[8] Иванов С.А., Щукин Г.А. Рентгеновские трубки технического назначения, Д., Энергоатомиздат, 1989.
[9] Н е м е ц О. Ф., Гофман Ю. В. Справочник по ядерной физике, Наукова Думка, Киев, 1975.
[10] Hochedez J-F. et al. Diamond Relat. Mater., 10, 673 (2001).
Поступила в редакцию 30 марта 2006 г.
