چکیده
در این پایان نامه، ابتدا اصول مشترک آشکار سازها مانند، قدرت تفکیک انرژی، بهره آشکارسازی، زمان مرده که برای درک عملکرد آشکا رساز ضروری هستند و نیز معیاری برای شناخت یک آشکارساز خوب می باشند، توضیح داده شده اند، در بخش دوم نیز در مورد بر هم کنش فوتون با ماده، معیارهای انتخاب آشکارساز ونیمه هادیهای معروفی که برای آشکارسازی استفاده می شوند، بحث شده است. نتیجه ای که از مقدمه (فصل اول) حاصل شده اینست که در حال حاضر نیمه هادی CdZnTe بهترین انتخاب برای ساخت آشکارسازهای پرتو ایکس و گاما است، بنابراین از فصل دوّم به بعد در مورد این نیمه هادی بحث شده است.
فصل دوم در مورد روشهای رشد، آماده سازی سطوح، فلز کاری و نوع الکترودها بحث می کند. در پایان این فصل نتیجه گیری شده است که آشکارسازها با الکترود شبکه ای بهترین عملکرد را دارند، لیکن ساخت آنها مشکل و در حال حاضر و با امکانات موجود در کشور عملی نیست. بنابراین پیشنهاد شده است از روش الکترود یکپارچه سطحی (اهمی) استفاده شود ،که این کار نیز با استفاده از امکانات موجود اپتیکی و لایه نشانی ساخته شده اند.
در فصل سوم نیز در مورد مدارهای الکترونیکی و مزایا و معایب مدارهای مختلف بحث شده است. در زمینه ساخت مدارهای الکترونیکی با وجود نرم افزارهای طراحی PSpice و HSpice و خرید قطعات مورد نیاز مشکل خاصی احساس نمی شود.
فصل چهارم به مدل سازی رفتار الکتریکی و نوری نیمه هادی CdZnTe می پردازد، در این فصل با روشهای محاسباتی و عددی و با استفاده از نرم افزار مطلب 6/1 پارامترهایی نظیر قابلیت تحرک (μ) و طول عمر حامل ها (τ) و بهره آشکارسازی نیمه هادی [η] طیف حاصل از جذب یک تک انرژی، قدرت تفکیک انرژی این نیمه هادی محاسبه شده است. در قسمت مدل سازی رفتار نوری این نیمه هادی نیز، محاسبه نقص های مختلف شبکه و تاثیر آن بر عملکرد نو ری و همچنین انرژی تله ها، سطح مقطع برخور د این نیمه هادی نیز محاسبه شده است.
پیشگفتار
پرتو های ایکس وگاما در صنایع مختلف کاربردهای فراوانی پیدا کرده اند. چون این دو پرتو به طور ناخواسته ممکن است تولید شوند، لذا باید آنها را شناسائی کرده و محیط اطراف را در مقابل آثارشان محافظت کرد. هنگامی که تولید این دو نوع پرتو عمدی باشد مقدار تولید نیز باید کنترل شده باشد. در هر صورت آشکارسازی و اندازه گیری شدت تابش تولید شده ضروری است. با توجه به کاربرد های فراوان و روز افزون این دو نوع پرتو در پزشکی، تست جوشکاریها ی حساس ، پرتودهی مواد غذائی، ایجاد موتاسیون در کشاورزی و دامپروری، اندازه گیریهای از راه دور، صنایع نظامی و احتمال برخورد خارج از کنترل این پرتو ها با جاندارن، ضرورت طراحی وساخت آشکارسازها ئی با دقت و کیفیت عمل بالا را دو چندان می کند.
بخش اول، فصل یک این پایان نامه، خواص مشترک تمامی آشکارسازها را فهرست وار برمی شمارد. با توجه به ضرورت درک مفاهیم ی نظیر بهره آشکارسازی، قدرت تفکیک انرژی، زمان مرده، منحنی های شمارش که از پارامترهای مشترک تمام آشکارسازها محسوب می شوند و شناخت آنها ضروری است. و عنایت به اینکه در انتخاب یک آشکارساز خوب ومناسب از این خواص بهره می گیریم، این مشخصات را با تفصیل بیشتری بررسی می کنیم.
آشکارسازهای نیمه هادی امروزه اکثر قریب به اتفاق تحقیقات در زمینۀ آشکارساز ی پرتو ایکس و گاما را به خود اختصاص داده اند، بنابراین محور بحث بخش دوم از فصل اول مقایسه ومروری مختصر در مورد این آشکارسازها است. این نوع آشکارسازها با کیفیت، دقت ، کارآیی بهتر و اندازه کوچکتر نسبت به سایر آشکارسازها ساخته و مورد استفاده قرار می گیرند.
فصل دوّم به روشه ای رشد نیمه هادی CdZnTe، طراحی انواع مختلف الکترودها، الزامات قبل از ایجاد اتصال های آند و کاتد و بررسی خواصّ هر کدام از آنها اختصاص یافته است.
در فصل سوم درباره مدارهای الکترونیکی شامل تقویت کننده و شکل دهنده و مدارهای دیجیتالی بحث شده است.
فصل چهارم به مدلسازی رفتار الکتریکی و نوری نیمه هادی CdZnTe و چگونگی تولید و انتقال بار در این نیمه هادی می پردازد. در این فصل ناخالصی های مختلف در این نیمه هادی، روشهای مطالعه مراکز بازترکیب و تله انرژی این مراکز بحث می کنیم.
در آخر نیز نتایج حاصل از این پژوهش و پیشنهادات و همچنین منابع و ماخذ و پیوست ها آورده شده است.
تعداد صفحه : 138
فهرست مطالب
عنوان.............................................................................................................................صفحه
چکیده................................................................................................................................. 1
پیشگفتار ................................................................................................................................. 2
γ و x فصل اول: مقدمه ای بر آشکارسازهای پرتو
بخش 1 : اصول کار آشکارسازها
-1-1-1 مقدمه............................................................................................................................. 5
-2-1-1 توصیف ساده آشکار سازی ...................................................................................................... 5
-3-1-1 مدهای کار آشکار سازها ......................................................................................................... 6
-4-1-1 اندازه گیری حدود طیف پالس ................................................................................................... 6
-5-1-1 قدرت تفکیک انرژی............................................................................................................... 7
-6-1-1 بهرۀ آشکار سازی .................................................................................................................. 8
-7-1-1 زمان مرده در آشکارسازها........................................................................................................ 9
بخش 2 : آشکارسازهای نیمه هادی
-1-2-1 ساز و کار برخورد پرتو با نیمه هادی ......................................................................................... 11
-1-1-2-1 اثر فوتوالکتریک.................................................................................................... 11
-2-1-2-1 اثر کامپتون........................................................................................................... 12
-3-1-2-1 تولید زوج الکترون - پوزیترون.................................................................................. 12
-4-1-2-1 پراکندگی همدوس................................................................................................. 12
-2-2-1 مشخصات کار آشکارسازهای نیمه هادی..................................................................................... 13
-1-2-2-1 جریانهای نشتی...................................................................................................... 13
-1-1-2-2-1 جریان نشتی بدنه.......................................................................................... 13
-2-1-2-2-1 جریان نشتی سطح ........................................................................................ 13
-3-2-1 اغتشاش در آشکارسازها........................................................................................................ 14
-4-2-1 تغییرات دامنه پالس با ولتاژ تغذیه آشکارساز............................................................................... 14
-5-2-1 زمان خیزش پالس................................................................................................................ 15
-6-2-1 پارامترهای مهم در آشکارسازهای نیمه هادی................................................................................ 15
-1-6-2-1 حساسیت کم نسبت به تابش..................................................................................... 15
-2-6-2-1 جریان اشباع معکوس کم ......................................................................................... 15
-3-6-2-1 طول عمر ............................................................................................................. 16
فهرست مطالب
ب
-4-6-2-1 اندازه فیزیکی........................................................................................................ 16
-5-6-2-1 توان تلفاتی........................................................................................................... 17
-6-6-2-1 خاصیت خازنی ..................................................................................................... 17
17.......................................................................................................(Si) -7-2-1 آشکارساز سیلیکانی
18....................................................................................................... (Ge) -8-2-1 آشکارساز ژرمانیم
18................................................................................... ( GaAs ) -9-2-1 آشکارسازهای گالیم آرسناید
19................................................................................................. 2HgI -10-2-1 آشکار ساز یدید جیوه
19.....................................................................................CdTe و CdZnTe -11-2-1 آشکار سازهای
-12-2-1 سایر آشکارسازهای نیمه هادی ............................................................................................... 20
CdZnTe فصل دوم: رشد آماده سازی وطراحی الکترود در آشکارساز
22........................................................................................................ CdZnTe -1-2 رشد نیمه هادی
-1-1-2 آماده سازی مواد اوّلیه.................................................................................................... 22
23...............................................................................CdZnTe -2-2 روش بریجمن برای رشد نیمه هادی
-1-2-2 محفظه فشار بالا ........................................................................................................... 23
-2-2-2 ساز و کار کشیدن بوته................................................................................................... 23
-3-2-2 واحد حرارتی .............................................................................................................. 24
25.......................................................................................CdZnTe -3-2 آماده سازی سطح نیمه هادی
-4-2 فرآیندهای مکانیکی و شیمیایی.................................................................................................... 26
29........................................................................... CdZnTe -5-2 مطالعه باز ترکیب در سطح نیمه هادی
-6-2 تاثیر ناپذیر کردن سطح ............................................................................................................. 31
-7-2 روشهای فلز کاری سطح ........................................................................................................... 31
-1-7-2 روش شیمیائی.............................................................................................................. 31
-2-7-2 روش تبخیر در خلا....................................................................................................... 32
-8-2 تحلیل اتصال فلز به نیمه هادی ( اتصال شاتکی).............................................................................. 34
-1-8-2 بدون اعمال تغذیه خارجی.............................................................................................. 34
-2-8-2 اتصال شاتکی با اعمال تغذیۀ خارجی ................................................................................ 37
-9-2 الکترودهای اهمی .................................................................................................................... 38
-1-9-2 تحلیل الکترودهای اهمی در غیاب تابش پرتو....................................................................... 38
-2-9-2 اندازه گیری جریان برحسب ولتاژ در الکترود یکپارچه............................................................ 39
-3-9-2 تاثیر پرتو گاما در تحلیل الکترود اهمی ............................................................................... 43
-10-2 الکترود باریکه ای................................................................................................................... 45
-11-2 آندهای شبکه ای .................................................................................................................... 46
-1-11-2 فن آوری ساخت...................................................................................................... 46
فهرست مطالب
ج
-2-11-2 خواص انتقال بار در آشکارسازهای شبکه ای .................................................................... 47
50............................................................................................. -12-2 الکترودهای شبه شبکه ای سطحی 2
فصل سوم: مدارهای الکترونیکی در آشکارسازها
-1-3 مقدمه............................................................................................................................. 53
-2-3 اتصال الکترودها به مدار الکترونیکی............................................................................................. 54
-3-3 پیش تقویت کننده.................................................................................................................... 54
-4-3 عنصر فیدبک در پیش تقویت کننده .............................................................................................. 56
-1-4-3 فیدبک های مقاومتی....................................................................................................... 56
در حالت اشباع ........................................................................................ 56 MOS -2-4-3 فیدبک
در حالت تریود......................................................................................... 57 MOS -3-4-3 فیدبک
-5-3 تاثیر خازن معادل نیمه هادی در ولتاژ خروجی پیش تقویت کننده......................................................... 57
-6-3 مشخصات ترانزیستور ورودی در پیش تقویت کننده ......................................................................... 58
59................................................................. CZT -7-3 تحلیل اغتشاش در مدارهای الکترونیکی آشکارساز
-1-7-3 آزمایش و اندازه گیری اغتشاش در یک پیش تقویت کننده ...................................................... 59
-8-3 شکل دهی پالس...................................................................................................................... 60
-1-8-3 طراحی مدار مشتق گیر................................................................................................... 60
-2-8-3 طراحی انتیگرال گیر....................................................................................................... 61
61................................................................................................. ( MCA ) -9-3 تحلیل گر چند کاناله
62.................................................................................... (A/D) -1-9-3 مبدلهای آنالوگ به دیجیتال
-1-1-9-3 مبدلهای آنالوگ به دیجیتال فلاش (سریع) .................................................................... 64
-2-1-9-3 تبدیل کنندۀ آنالوگ به دیجیتال ویلکلسون .................................................................... 65
-10-3 مبدلهای دیجیتال به آنالوگ....................................................................................................... 66
-11-3 سیستم دیجیتالی .................................................................................................................... 67
-12-3 مزایای سیستم دیجیتالی........................................................................................................... 68
68.................................................................... γ و X -13-3 فیلترهای دیجیتالی برای آشکارسازهای پرتوهای
CdZnTe فصل چهارم: مدل سازی خواص الکتریکی و اپتیکی
-1-4 مقدمه ............................................................................................................................. 72
-2-4 مشخصات یک آشکارساز ایده آل................................................................................................ 72
-3-4 شناسائی کریستال .................................................................................................................... 73
نسبت به آلیاژها ............................................................. 74 CdZnTe -3-4 بستگی گاف انرژی در نیمه هادی
-1-3-4 تعیین عملی درصد عناصر تشکیل دهنده کریستال.................................................................. 75
77.......................................................................... CdZNTe -4-4 توزیع روی در کریستال رشد داده شده
فهرست مطالب
د
77.....................................................................................CdZnTe -5-4 تولید و انتقال بار در نیمه هادی
80......................................................CdZnTe -6-4 محاسبۀ قابلیت تحرک و طول عمر حاملها در نیمه هادی
-1-6-4 محاسبه عملی قابلیت تحرک و طول عمر حامل ها................................................................. 82
-2-6-4 محاسبه بهره آشکارسازی................................................................................................ 83
87........................................................................... CdZnTe -7-4 اندازۀگیری طیف انرژی در آشکارساز
-8-4 آزمایش عملی پاسخ حسگر ساخته شده ....................................................................................... 90
-1-8-4 استفاده ازپرتو گاما........................................................................................................ 90
-2-8-4 اندازه گیری پاسخ حسگر به نور لیزر ................................................................................ 90
92.................................................................................CZT -9-4 ناخالصیها ونقایص شبکه در نیمه هادی
96...............................................................................CdZnTe -10-4 مدل سازی رفتار نوری نیمه هادی
97.................................................... CdZnTe -1-10-4 مطالعه تله ها و مراکز باز ترکیب در نیمه هادی
97.................................(TEES) -1 روش اندازه گیری اثر طیف نگاری ترمو الکتریک -1-10-4
-2-1-10-4 آهنگ کاهش زمانی.................................................................................... 99
جهت تعیین محل تله ها) CdZnTe برای نیمه هادی I-T -3-1-10-4 کارهای عملی ونتایج(منحنی های
100
102 ............................... CdZnTe برای مطالۀ نواقص نیمه هادی PICTS -4-1-10-4 روش
-5-1-10-4 اندازه گیری عملی زمان خیز و افت در آشکارساز ........................................... 106
نتیجه گیری و پیشنهادات
نتیجه گیری............................................................................................................................... 109
پیشنهادات............................................................................................................................... 111
پیوست ها............................................................................................................................... 112
منابع و مأخذ
منابع فارسی ............................................................................................................................ 117
منابع غیرفارسی
مدل سازی و بررسی امکان ساخت آشکارساز Cd ZnTe برای آشکارسازی پرتوهای X و γ