Výskum a testovanie polovodičových detektorov ionizujúceho žiarenia

Pracovníci | Publikácie  |   Späť

Výskum a testovanie polovodičových detektorov ionizujúceho žiarenia

Ionizujúce žiarenie sa prechodom látkovým prostredím prejavuje rôznymi fyzikálnymi javmi, kde sa niektoré využívajú na detekciu alebo meranie na jeho charakteristík. Základnou súčasťou prístroja na meranie ionizujúceho žiarenia je detektor resp. senzor. Citlivou časťou senzora je polovodičový materiál ako kremík, gálium arzenid, kadmium telurid, indium fosfid, karbid kremíka a pod. Podľa typu ionizujúceho žiarenia (alfa, beta, rtg, gama a iné) a jeho charakteristík, ktoré chceme detegovať je nutné prispôsobiť aj parametre polovodičového senzora (celková citlivá plocha, hrúbka a pod.). Na oddelení pripravujeme a testujeme tvz. „single“ detektory a potom aj pixelové 2D štruktúry pre digitálnu radiačnú kameru (Obrázok 1). Ako základný detekčný materiál využívame SiC (karbid kremíka), GaAs (gálium arzenid) a polykryštalický diamant.

Obr. 1 a) Fotografia zapuzdreného tvz. „single“ detektora na báze SiC; b) Polovodičový substrát na báze GaAs s pripravenými pixelovými štruktúrami s veľkosťou jedného pixela 55 × 55 mm²

Pripravené polovodičové detektory sú pripojené k riadiacej elektronike spracovávajúcej signály z detektora. Detektory sú schopné merať energiu ionizujúceho žiarenia s vysokou presnosťou. Obrázok 2a ukazuje zmerané píky alfa častíc s detektorom na báze SiC generované rádioizotopmi ²³⁹Pu, ²⁴¹Am a ²⁴⁴Cm. SiC senzor dokáže napríklad pracovať aj pri vysokých teplotách. Obrázok 2b ukazuje detekčné schopnosti detektora na báze polykryštalického diamantu hrúbky 3 mm.

Obr. 2 a) Spektrum alfa častíc získané s pripraveným detektorom na báze SiC; b) a detekčnou štruktúrou na báze polykryštalického diamantu.

Pixelové 2D detektorové polia sú vhodné pre zobrazovanie ionizujúceho žiarenia. Na základe detekčnej stopy je možné určiť typ častice a tiež jej energiu. Obrázok 3 ukazuje stopy jednotlivých typov žiarenia (protóny, elektróny, alfa častice a gama žiarenie) detegovaného radiačnou kamerou na báze SiC. Typický počet pixelov radiačnej kamery je 256 × 256 pixelov, prípadne násobky.

Obr. 3. Stopy protónov, elektrónov, alfa častíc a gama žiarenia registrované pixelovou radiačnou kamerou na báze SiC.

Ďalšou možnosťou využitia radiačnej kamery je zobrazovanie pomocou rtg žiarenia. Keďže rtg žiarenie prechádza cez objekty sme schopní pomocou takejto kamery vidieť vnútornú štruktúru testovaného objektu bez toho, aby sme ho museli rozoberať a častokrát aj poškodiť. Obrázok 4 vľavo zobrazuje kostru malej rybky získanú pomocou radiačnej kamery vyvinutej na oddelení. Vpravo je testovací obrazec používaný pre vyhodnotenie kvality rtg radiačnej kamery.

Obr. 4 Rtg obraz kostry malej rybky (vľavo) a testovací obrazec (vpravo) získaný pixelovou radiačnou kamerou.

Vybrané publikácie:

Zaťko, B., Šagátová, A., Hrubčín, L., Kováčová, E., Novák, A., Kurucová, N., Polansky, Š., and Jakůbek, J.: Imaging and spectrometric performance of SiC Timepix3 radiation camera, J. Instrument. 19 (2024) C01003.

Novák, A., Granja, C., Šagátová, A., Jakubek, J., Zaťko, B., Vondracek, V., Andrlik, M., Zach, V., Polansky, Š., Rathi, A., Oancea, C.: Silicon Carbide Timepix3 detector for quantum-imaging detection and spectral tracking of charged particles in wide range of energy and field-of-view, J. Instrument. 18 (2023) C11004.

Gál, N., Hrubčín, L., Šagátová, A., Vanko, G., Kováčová, E., and Zaťko, B.:  High-resolution alpha-particle detector based on Schottky barrier 4H-SiC detector operated at elevated temperatures up to 500 °C, Applied Surface Sci 635 (2023) 157708.

Šagátová, A., Gál, N., Novák, A., Kotorová, S., Riabukhin, O., Kováčová, E., and Zaťko, B.: GaAs radiation-degraded detectors: gamma spectrometry at lowered temperatures, J. Instrum. 17 (2022) C12018.

Zaťko, B., Šagátová, A., Gál, N., Novák, A., Osvald, J., Boháček, P., Polansky, Š., Jakůbek, J., and Kováčová, E.: From a single silicon carbide detector to pixelated structure for radiation imaging camera, J. Instrum. 17 (2022) C12005.

Sedláčková, K., Zaťko, B., Šagátová, A., and Nečas, V.: Polarization effect of Schottky-barrier CdTe semiconductor detectors after electron irradiation, Nuclear Instr. Methods Phys. Res. A 1027 (2022) 166282.

Osvald, J., Hrubčín, L., and Zaťko, B.: Temperature dependence of electrical behaviour of inhomogeneous Ni/Au/4H–SiC Schottky diodes, Mater. Sci Semicond. Process. 140 (2022) 106413.

Zaťko, B., Hrubčín, L., Šagátová, A., Osvald, J., Boháček, P., Kováčová, E., Halahovets, Y., Rozov, S.V., and Sandukovskij, V.G.: The study of Schottky barrier detectors based on high quality 4H-SiC epitaxial layer with different thickness, Applied Surface Sci 536 (2021) 147801.

Zápražný, Z., Zaťko, B., Korytár, D., Gál,, Jergel, M., Halahovets, Y., and Ferrari, C.: Testing of thickness homogeneity of Si crystal membranes using GaAs Timepix detector,  J. Instrument. 16 (2021) P06015.